电源时序留个心,偏置不“跑偏”!

电源时序留个心,偏置不“跑偏”!

射频(RF)和微波放大器在特定偏置条件下可提供最佳性能。偏置点所确定的静态电流会影响线性度和效率等关健性能指标。虽然某些放大器是自偏置,但许多器件需要外部偏置并使用多个电源,这些电源的时序需要加以适当控制以使器件安全工作。

接下来,我们主要来说说偏置时序控制要求。

电源时序控制

使用外部偏置放大器时,电源时序控制非常重要,原因如下:

  • 不遵守正确的电源时序会影响器件的稳定性。超过击穿电压可能会导致器件立即失效。当超过边界条件的状况多次发生且系统承受压力时,长期可靠性会降低。此外,连续违反时序控制模式会损坏片内保护电路并产生长期损害,导致现场操作故障。

  • 不仅在上电和掉电期间,而且在常规工作期间优化偏置电平,可以改善射频放大器的性能,具体情况取决于配置和应用要求。对于某些应用,可以改变放大器的射频性能以适应不同的现场情况。例如,在雨天可以提高输出功率以扩宽覆盖范围,在晴天可以降低输出功率。放大器的外部栅压控制可以实现这些功能。

ADI拥有各种各样的射频放大器,许多射频放大器是基于耗尽型高电子迁移率(pHEMT)技术。该工艺中使用的晶体管通常需要电源来为漏极引脚和栅极引脚供电。此静态漏极电流与栅极电压相关。

典型场效应晶体管(FET)工艺的典型IV特性参见图1。

图1.典型FET工艺的典型IV特性

图1.典型FET工艺的典型IV特性

随着栅源电压(VGS)提高,更多电子进入沟道,产生更高的漏源电流(IDS)。

另外,随着漏源电压(VDS)提高,拉动电子的电场力会变得更大,因而漏源电流也会增大(在线性区间中)。

在实际放大器中,由于沟道长度调制等效应,可将这些放大器大致归为两类:自偏置放大器和外部偏置放大器。

1 自偏置放大器

自偏置放大器有一个内部电路用来设置适合工作的最佳偏置点。这些放大器通常最适合宽带低功耗应用。自偏置放大器的典型引脚排列参见图2。

图2.带多个偏置引脚的多级自偏置放大器的典型引脚排列

图2.带多个偏置引脚的多级自偏置放大器的典型引脚排列

自偏置放大器虽然容易使用,但可能无法提供最佳性能,因为内部阻性偏置电路无法充分补偿批次、器件和温度差异。

2 外部偏置放大器

在特定偏置条件下,外部偏置放大器提供的性能往往高于自偏置放大器。放大器的静态漏极电流会影响功率压缩点、增益、噪声系数、交调产物和效率等参数。对于这些高性能外部偏置放大器,正确的电源时序控制对于确保器件以最佳性能安全工作至关重要。

图3显示了外部偏置放大器引脚和对应晶体管引脚的典型连接。图3中的引脚映射是放大器的简化示意图。

图3.外部偏置放大器的典型连接

图3.外部偏置放大器的典型连接

此外,许多外部偏置放大器通过多级来满足增益、带宽和功率等要求。图4所示为多级外部偏置放大器HMC1131的典型框图。

图4.HMC1131多级外部偏置放大器

图4.HMC1131多级外部偏置放大器

举个栗子:外部偏置放大器的时序和控制要求

HMC1131是一款砷化镓(GaAs)、pHEMT单片微波集成电路(MMIC)中功率放大器。工作频率范围为24 GHz至35 GHz。该4级设计提供的典型性能为22 dB增益、23 dBm输出功率(1 dB压缩,即P1dB)和27 dBm饱和输出功率(PSAT),对应的偏置条件为VDD = 5 V且IDQ = 225 mA,其中VDD为漏极偏置电压,IDQ为静态漏极电流。HMC1131数据手册中针对24 GHz至27 GHz频率范围的电气规格表给出了此信息。图4显示了HMC1131的引脚连接。

为了实现225 mA的目标静态漏极电流(IDQ),应将栅极偏置引脚电压(VGG1和VGG2)设置在0 V到−2 V之间。要设置该负电压而不损坏放大器,上电和掉电期间应遵守建议的偏置序列。

下面是HMC1131上电期间的建议偏置序列:

  1. 连接到地
  2. 将VGG1和VGG2设置为−2 V
  3. 将漏极电压偏置引脚VDD1至VDD4设置为5 V
  4. 提高VGG1和VGG2以实现225 mA的IDQ
  5. 施加射频信号

下面是HMC1131掉电期间的建议偏置序列:

  1. 关闭射频信号
  2. 降低VGG1和VGG2至−2 V以实现大约0 mA的IDQ
  3. 将VDD1至VDD4降低到0 V
  4. 将VGG1和VGG2提高到0 V

当栅极电压(VGGx)为−2 V时,晶体管会被夹断。因此,IDQ典型值接近0。

一般而言,大多数外部偏置放大器的建议偏置序列是相似的。不同器件会有不同的IDQ、VDDx和VGGx值。为了关闭器件,GaAs器件的VGG一般设置为−2 V或−3 V,而对于氮化镓(GaN)放大器,该电压可能是−5 V至−8 V。类似地,GaN器件的VDDx可能达到28 V,甚至50 V,而GaAs放大器通常小于13 V。

多级放大器的VGG引脚一般连在一起并一同偏置。遵循相同的程序,用户便可获得数据手册上提供的典型性能结果。在不同偏置条件下使用放大器可能会提供不同的性能。例如,将不同的VGGx电平用于HMC1131栅极偏置引脚以获得不同的IDQ值,会改变放大器的射频和直流性能。

图5显示了HMC1131在不同电源电流下P1dB与频率的关系,图6显示了不同电源电流下输出三阶交调截点(IP3)性能与频率的关系。

图5.不同电源电流下P1dB与频率的关系

图5.不同电源电流下P1dB与频率的关系

图6.不同电源电流下输出IP3与频率的关系,POUT/信号音 = 10 dBm

图6.不同电源电流下输出IP3与频率的关系,POUT/信号音 = 10 dBm

利用多个VGGx引脚偏置放大器的另一种方案是独立控制栅极偏置引脚。该工作模式通过优化特定参数(如P1dB、IP3、NF、增益和功耗等)来帮助用户定制器件。

这种灵活性对某些应用很有利。如果放大器数据手册上提供的性能数据能够轻松满足应用的某些要求,但与其他要求略有差距,那么在不超过数据手册给定的绝对最大额定值的情况下,测试不同偏置条件下的性能可能会有益。

偏置外部偏置放大器的另一种方案是设置VGGx以获得所需的225 mA IDQ,并在正常工作期间使用恒定栅极电压。这种情况下,放大器的IDD会在射频驱动下提高(此行为可参见HMC1131数据手册中的30.5 GHz功率压缩图)。栅极电压恒定的放大器和IDD恒定的放大器可能提高不同的性能。