發布日期：2022-04-17 點擊率：59
【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生且系統承受壓力時，長期可靠性會降低。此外，連續違反時序控制模式會損壞片內保護電路并產生長期損害，導致現場操作故障。
2.不僅在上電和掉電期間，而且在常規工作期間優化偏置電平，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。
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。
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。放大器的靜態漏極電流會影響功率壓縮點、增益、噪聲系數、交調產物和效率等參數。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。
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。
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為靜態漏極電流。HMC1131數據手冊中針對24 GHz至27 GHz頻率范圍的電氣規格表給出了此信息。圖4顯示了HMC1131的引腳連接。
為了實現225 mA的目標靜態漏極電流(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：
連接到地
將VGG1和VGG2設置為?2 V
將漏極電壓偏置引腳VDD1至VDD4設置為5 V
提高VGG1和VGG2以實現225 mA的IDQ
施加射頻信號
下面是HMC1131掉電期間的建議偏置序列：
關閉射頻信號
降低VGG1和VGG2至?2 V以實現大約0 mA的IDQ
將VDD1至VDD4降低到0 V
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。
圖5.不同電源電流下P1dB與頻率的關系
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。該工作模式通過優化特定參數（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。如果放大器數據手冊上提供的性能數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。
推薦閱讀：
智能IC解決方案，簡化電信和數據通信系統中的電源
工程師博客丨全能ADC，你應該這樣用（連載 上）
相得益彰，說的就是『ADC+驅動器』這個組合
深入分析“時間交錯技術”
Ka頻段需要更多帶寬？這里有三個選項
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 行波管可休矣，高帶寬
