RF カスケードバジェット解析:フリーチェーン、IIP3 カスケード、モンテカルロ法による収量解析

名目値だけでは不十分な理由

すべてのRFフロントエンドのデータシートには、1つの動作点（25°C、公称電源、中心周波数）でのノイズ指数とゲインが記載されています。量産部品はディストリビューション付きで届きます。2 dB NF LNA の分布は、プロセスコーナー全体にわたって 1.5 ～ 2.5 dB に及ぶことがあります。レシーバーの感度仕様で、0.5 dB のマージンで 2.0 dB のカスケード接続された NF が要求されている場合、生産コーナーが積み重なると、そのマージンはなくなります。

RF カスケード・バジェット・アナライザは、Friis の公式を使用してカスケードされた NF、ゲイン、IIP3、P1dB を計算し、次にベクトル化されたモンテカルロをステージごとの許容誤差に対して実行して、利回り統計と感度ランキングを生成することでこの問題を解決します。入力は JSON ステージリストです。アンプ、ミキサー、減衰器、フィルターを任意に組み合わせて、チェーンの数だけステージを定義できます。

5 段階受信チェーンのセットアップ

チェーンの例は2.4 GHzレシーバーです。LNA → バンドセレクトフィルター → ミキサー → IF アンプ → IF フィルターです。次のステージリストを入力します。

「CODE_0」

「INLINECODE_2」、「INLINECODE_3」、「INLINECODE_4」フィールドは、モンテカルロの ±σ 許容誤差を指定します。受動部品 (フィルタ、減衰器) の直線性は基本的に物理によって固定されるため、IIP3 の許容誤差はゼロです。

公称カスケード結果

これらの入力により、ツールは以下を計算します。

2.31 dB のカスケード接続された NF は、チェーンが 0.19 dB のマージンで 2.5 dB の感度バジェットを満たしていることを裏付けています。かろうじてです。IIP3カスケードは主にミキサーによって占められています。LNAの高いゲインにもかかわらず、ミキサーの入力換算で+12dBmという比較的控えめなIIP3は、その前に13.5dBのゲインを考慮すると、システム入力換算で約−9dBmになります。

ステージごとの貢献度の内訳

累積ゲインとNFの内訳を見ると、カスケード接続されたNFにLNAが1.50dB寄与し（第1ステージなので自身のNFの 100%）、BPFが0.09dB（LNAゲインによって減衰）、ミキサーが0.67dB寄与することがわかります。これはFriisの直感と一致します。LNAが支配的であり、LNAのゲインが1dB増えるごとに、後続ステージのNF寄与が直接減少します。

ステージごとのIIP3のブレークダウンはその逆です。カスケード接続されたIIP3では、先に高いゲインがある後のステージが優勢になります。IIP3の劣化の大部分は、3位（13.5dBのゲイン先方）にあるミキサが原因です。IFアンプのIIP3を20dBmから30dBmに改善しても、カスケード接続されたIIP3の変化は0.3dB未満です。これはボトルネックではありません。

モンテカルロ:名目利回りから生産収率まで

ガウス分布 (許容誤差は 1σ) で 200,000 回の試行を設定します。モンテカルロ法はすべてのステージパラメーターを同時に摂動させ、各試行のフリスカスケード全体を計算します。

結果は以下のようになります。

2.5 dB NF の制限に対して、収率は 78.3% です。つまり、製造基板の約 5 枚に 1 枚が、これらの部品公差で仕様を上回ることになります。これは消費者向け製品にとって重大な歩留まりの問題です。

感度分析により、LNA NF 許容誤差 (±0.3 dB、1σ) がカスケードされた NF 分散の 47% を占めていることが明らかになりました。ミキサーの NF 許容誤差は 31% を占めています。残りのステージを合わせると 22% を占めます。

回路図を変更せずに利回りを改善できる

感度の低下は、LNA NFの許容誤差を厳しくするという解決策の直接の指針となります。NF 許容誤差を 0.3 dB から 0.15 dB（1σ）に変更すると（入荷検査をより厳しく、またはよりグレードの高いLNAバリアントを使用することで達成可能）、収率は 91.4% に押し上げられます。回路図の変更や新しいコンポーネントはありません。

あるいは、公称LNAのNFを1.5dBから1.2dBにシフト（より高性能な部品を選択）しても、同じ許容誤差を維持したまま、歩留まりが93.8％に向上し、カスケードNFの中央値も2.01dBに改善され、0.49dBの余裕のあるマージンが得られます。

2 つ目のシナリオでは、LNA あたりのコストは高くなりますが、テール・リスクは大幅に軽減されます。このツールでは、BOM にコミットする前にそのトレードオフを定量化できます。

SFDR とダイナミックレンジ設計制約

カスケード接続されたIIP3によってスプリアスのないダイナミックレンジ、つまりノイズも相互変調積も支配しない入力信号パワーの範囲が決まります。

「MATHBLOCK_1」

ノイズフロアが−115 dBm（2.31 dB NFで1 MHz帯域幅でkTBf）、カスケード接続された IIP3 が−10.8 dBmの場合、SFDR =（2/3）（−10.8 −（−115））= 69.5 dB。ツールはこれをdB·Hz^ (2/3) 正規化された形式で表示します。2 つの同一チャネル干渉源が −45 dBm で存在する場合、その IM3 積は干渉レベルで −10.8 + 2 (−10.8 − (−45)) = −44 dBm になります。SFDR の結果から、入力レベルが高くなると、クロスモジュレーションの問題が発生する可能性があることがすぐにわかります。

[RF カスケード・バジェット・アナライザー] (/tools/rf-cascade)