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FFC連接器

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:52

【導讀】射頻(RF)和微波放大器在特定偏置條件下可提供最佳性能。偏置點所確定的靜態(tài)電流會影響線性度和效率等關健性能指標。雖然某些放大器是自偏置,但許多器件需要外部偏置并使用多個電源,這些電源的時序需要加以適當控制以使器件安全工作。

 

接下來,我們主要來說說偏置時序控制要求。

 

電源時序控制

 

使用外部偏置放大器時,電源時序控制非常重要,原因如下:

 

1.不遵守正確的電源時序會影響器件的穩(wěn)定性。超過擊穿電壓可能會導致器件立即失效。當超過邊界條件的狀況多次發(fā)生且系統(tǒng)承受壓力時,長期可靠性會降低。此外,連續(xù)違反時序控制模式會損壞片內保護電路并產生長期損害,導致現(xiàn)場操作故障。

 

2.不僅在上電和掉電期間,而且在常規(guī)工作期間優(yōu)化偏置電平,可以改善射頻放大器的性能,具體情況取決于配置和應用要求。對于某些應用,可以改變放大器的射頻性能以適應不同的現(xiàn)場情況。例如,在雨天可以提高輸出功率以擴寬覆蓋范圍,在晴天可以降低輸出功率。放大器的外部柵壓控制可以實現(xiàn)這些功能。

 

ADI擁有各種各樣的射頻放大器,許多射頻放大器是基于耗盡型高電子遷移率(pHEMT)技術。該工藝中使用的晶體管通常需要電源來為漏極引腳和柵極引腳供電。此靜態(tài)漏極電流與柵極電壓相關。

 

典型場效應晶體管(FET)工藝的典型IV特性參見圖1。

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖1.典型FET工藝的典型IV特性

 

隨著柵源電壓(VGS)提高,更多電子進入溝道,產生更高的漏源電流(IDS)。

 

另外,隨著漏源電壓(VDS)提高,拉動電子的電場力會變得更大,因而漏源電流也會增大(在線性區(qū)間中)。

 

在實際放大器中,由于溝道長度調制等效應,可將這些放大器大致歸為兩類:自偏置放大器和外部偏置放大器。

 

自偏置放大器

 

自偏置放大器有一個內部電路用來設置適合工作的最佳偏置點。這些放大器通常最適合寬帶低功耗應用。自偏置放大器的典型引腳排列參見圖2。

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖2.帶多個偏置引腳的多級自偏置放大器的典型引腳排列

 

自偏置放大器雖然容易使用,但可能無法提供最佳性能,因為內部阻性偏置電路無法充分補償批次、器件和溫度差異。

 

外部偏置放大器

 

在特定偏置條件下,外部偏置放大器提供的性能往往高于自偏置放大器。放大器的靜態(tài)漏極電流會影響功率壓縮點、增益、噪聲系數(shù)、交調產物和效率等參數(shù)。對于這些高性能外部偏置放大器,正確的電源時序控制對于確保器件以最佳性能安全工作至關重要。

 

圖3顯示了外部偏置放大器引腳和對應晶體管引腳的典型連接。圖3中的引腳映射是放大器的簡化示意圖。

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖3.外部偏置放大器的典型連接

 

此外,許多外部偏置放大器通過多級來滿足增益、帶寬和功率等要求。圖4所示為多級外部偏置放大器HMC1131的典型框圖。

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖4.HMC1131多級外部偏置放大器

 

舉個栗子:外部偏置放大器的時序和控制要求

 

HMC1131是一款砷化鎵(GaAs)、pHEMT單片微波集成電路(MMIC)中功率放大器。工作頻率范圍為24 GHz至35 GHz。該4級設計提供的典型性能為22 dB增益、23 dBm輸出功率(1 dB壓縮,即P1dB)和27 dBm飽和輸出功率(PSAT),對應的偏置條件為VDD = 5 V且IDQ = 225 mA,其中VDD為漏極偏置電壓,IDQ為靜態(tài)漏極電流。HMC1131數(shù)據手冊中針對24 GHz至27 GHz頻率范圍的電氣規(guī)格表給出了此信息。圖4顯示了HMC1131的引腳連接。

 

為了實現(xiàn)225 mA的目標靜態(tài)漏極電流(IDQ),應將柵極偏置引腳電壓(VGG1和VGG2)設置在0 V到?2 V之間。要設置該負電壓而不損壞放大器,上電和掉電期間應遵守建議的偏置序列。

 

下面是HMC1131上電期間的建議偏置序列:

 

  1. 連接到地

  2. 將VGG1和VGG2設置為?2 V

  3. 將漏極電壓偏置引腳VDD1至VDD4設置為5 V

  4. 提高VGG1和VGG2以實現(xiàn)225 mA的IDQ

  5. 施加射頻信號

 

下面是HMC1131掉電期間的建議偏置序列:

 

  1. 關閉射頻信號

  2. 降低VGG1和VGG2至?2 V以實現(xiàn)大約0 mA的IDQ

  3. 將VDD1至VDD4降低到0 V

  4. 將VGG1和VGG2提高到0 V

 

當柵極電壓(VGGx)為?2 V時,晶體管會被夾斷。因此,IDQ典型值接近0。

 

一般而言,大多數(shù)外部偏置放大器的建議偏置序列是相似的。不同器件會有不同的IDQ、VDDx和VGGx值。為了關閉器件,GaAs器件的VGG一般設置為?2 V或?3 V,而對于氮化鎵(GaN)放大器,該電壓可能是?5 V至?8 V。類似地,GaN器件的VDDx可能達到28 V,甚至50 V,而GaAs放大器通常小于13 V。

 

多級放大器的VGG引腳一般連在一起并一同偏置。遵循相同的程序,用戶便可獲得數(shù)據手冊上提供的典型性能結果。在不同偏置條件下使用放大器可能會提供不同的性能。例如,將不同的VGGx電平用于HMC1131柵極偏置引腳以獲得不同的IDQ值,會改變放大器的射頻和直流性能。

 

圖5顯示了HMC1131在不同電源電流下P1dB與頻率的關系,圖6顯示了不同電源電流下輸出三階交調截點(IP3)性能與頻率的關系。

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖5.不同電源電流下P1dB與頻率的關系

 

電源時序留個心,偏置不“跑偏”!

圖6.不同電源電流下輸出IP3與頻率的關系,POUT/信號音 = 10 dBm

 

利用多個VGGx引腳偏置放大器的另一種方案是獨立控制柵極偏置引腳。該工作模式通過優(yōu)化特定參數(shù)(如P1dB、IP3、NF、增益和功耗等)來幫助用戶定制器件。

 

這種靈活性對某些應用很有利。如果放大器數(shù)據手冊上提供的性能數(shù)據能夠輕松滿足應用的某些要求,但與其他要求略有差距,那么在不超過數(shù)據手冊給定的絕對最大額定值的情況下,測試不同偏置條件下的性能可能會有益。

 

偏置外部偏置放大器的另一種方案是設置VGGx以獲得所需的225 mA IDQ,并在正常工作期間使用恒定柵極電壓。這種情況下,放大器的IDD會在射頻驅動下提高(此行為可參見HMC1131數(shù)據手冊中的30.5 GHz功率壓縮圖)。柵極電壓恒定的放大器和IDD恒定的放大器可能提高不同的性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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