【無線射頻芯片】-限幅放大器設(shè)計(jì)之RF預(yù)算分析

1/1限幅放大器設(shè)計(jì)之RF預(yù)算分析RF預(yù)算分析的目的是檢查限幅放大器內(nèi)不同測試點(diǎn)的寬帶頻率響應(yīng)和RF功率電平，必需完成分析，才能針對最壞狀況的工作溫度、增益斜率和寬RF輸入功率范圍進(jìn)行校正。

具有40dB限幅動態(tài)范圍的限幅放大器的基本布局是級聯(lián)的四個(gè)增益模塊放大器或LNA。抱負(fù)的設(shè)計(jì)僅使用一個(gè)或兩個(gè)專用放大器器件，以削減在不同頻率下的功率變化，最大程度地削減熱/斜率補(bǔ)償需求。圖1顯示了溫度校正和斜率補(bǔ)償之前的首批初始限幅放大器框圖。

圖1.初步設(shè)計(jì)框圖

先來個(gè)小福利，推舉一種完成寬帶限幅放大器設(shè)計(jì)的技巧：

1、管理限幅功率動態(tài)范圍，消退RF過驅(qū)條件

2、優(yōu)化溫度范圍內(nèi)的性能

3、最終，校正功率滾降，將小信號增益變平

4、最終一個(gè)微小校正可能是必需的，即在頻率均衡功能被納入設(shè)計(jì)后，重新考慮溫度補(bǔ)償

功率限制

圖1所示初步設(shè)計(jì)的主要問題是，隨著RF輸入功率增加，RF過驅(qū)很可能在輸出增益級發(fā)生。當(dāng)任何增益級的飽和輸出功率超過隊(duì)列中下一個(gè)放大器的肯定最大輸入時(shí)，將發(fā)生RF過驅(qū)。此外，設(shè)計(jì)簡單消失與VSWR相關(guān)的紋波，由于小型RF封裝中的高無阻尼增益，還很可能消失振蕩。

為了防止RF過驅(qū)、消退VSWR效應(yīng)并降低振蕩風(fēng)險(xiǎn)，可在各增益級之間添加固定衰減器，以降低功率和增益。RF蓋上還可能需要RF汲取器以消退振蕩。需要足夠的衰減，將各增益級的最大輸入功率減小到MMIC的額定輸入功率電平以下。必需包括足夠的衰減，以容納頂級輸入功率裕量，適應(yīng)溫度變化和器件間差異。圖2顯示了限幅放大器鏈中需要RF衰減器的位置。

圖2.RF過驅(qū)校正框圖

ADI的寬帶限幅放大器HMC7891采納四個(gè)HMC462增益級，以便讓工作范圍達(dá)到10dBm?？隙ㄗ畲筝斎牍β蕿?5dBm。各增益級能夠耐受18dBm的最大RF輸入。根據(jù)上一段中概述的設(shè)計(jì)步驟，已在兩個(gè)增益級之間添加衰減器，以確保最大放大器輸入功率電平不超過17dBm。圖3顯示在設(shè)計(jì)中添加固定衰減器的狀況下，每個(gè)增益級輸入端的最大功率電平。

圖3.仿真POUT和頻率的關(guān)系，RF過驅(qū)校正

熱補(bǔ)償

對設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，以便擴(kuò)大工作溫度范圍。限幅放大器應(yīng)用的通用熱范圍要求為-40C至+85C。依據(jù)閱歷，0.01dB//級的增益變化公式可用于估算四級放大器設(shè)計(jì)的增益變化。增益隨著溫度降低而增加，反之亦然。使用周邊環(huán)境增益作為基線，總增益預(yù)期在85C下降低2.4dB，在40C下上升2.6dB。

為對設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，可插入市售的Thermopad溫度可變衰減器，以取代固定衰減器。圖4顯示了市售的寬帶Thermopad衰減器的測試結(jié)果。依據(jù)Thermopad測試數(shù)據(jù)和估算的增益變化，明顯需要使用兩個(gè)Thermopad衰減器，對四級限幅放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償。

圖4.溫度范圍內(nèi)的Thermopad損耗

打算在何處插入Thermopad是一個(gè)重要決策。由于Thermopad衰減器的損耗會增加，特殊是在低溫條件下，因此避開在接近RF鏈輸出端的位置添加元器件是一種好的做法，這是為了維持較高的限制輸出功率電平。Thermopad的抱負(fù)位置是在前三個(gè)放大器級之間，也就是圖5中突出顯示的位置。

圖5.熱補(bǔ)償框圖

ADI的熱補(bǔ)償HMC7891小信號性能的仿真結(jié)果如圖6所示。在頻率均衡之前，增益變化削減至最高2.5dB。這在1.5dB增益變化要求的范圍內(nèi)。

圖6.溫度范圍內(nèi)的HMC7891仿真小信號增益

頻率均衡

從而補(bǔ)償大多數(shù)寬帶放大器中的自然增益滾降。有各種均衡器設(shè)計(jì)，包括無源GaAsMMIC芯片。無源MMIC均衡器尺寸小巧，沒有直流和掌握信號要求，因此特別適合限幅放大器設(shè)計(jì)。需要的頻率均衡器數(shù)量取決于限幅放大器的未補(bǔ)償增益斜率，以及所選均衡器的響應(yīng)。一條設(shè)計(jì)建議是稍微地過度補(bǔ)償頻率響應(yīng)，以抵消傳輸線路損耗和連接器損耗，以及在較高頻率下對增益影響更大的封裝寄生效應(yīng)。圖7顯示了定制ADIGaAs頻率均衡器的測試結(jié)果。

圖7.測量的頻率均衡器損耗

ADI的HMC7891限幅放大器需要三個(gè)頻率均衡器，以校正經(jīng)過熱補(bǔ)償?shù)男⌒盘栱憫?yīng)。圖8顯示了HMC7891經(jīng)過熱補(bǔ)償和頻率均衡的仿真結(jié)果。打算在何處插入均衡器對勝利設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在添加任何均衡器之前，切記抱負(fù)的限幅放大器應(yīng)在全部增益級之間勻稱分布最大放大器壓縮，以避開過度飽和。換而言之，在最壞條件下，每個(gè)MMIC應(yīng)當(dāng)同等壓縮。

圖8.溫度范圍內(nèi)的HMC7891仿真頻率均衡小信號增益

在圖5所示的當(dāng)前設(shè)計(jì)階段，可在器件輸入端添加與Thermopad衰減器串聯(lián)的均衡器，取代器件輸出端的固定衰減器。為什么這樣做？四個(gè)理由

1、在限幅放大器輸入端添加均衡器會降低第一個(gè)增益級的功率。因此，級1的壓縮減小。增益級壓縮減小相當(dāng)于限幅動態(tài)范圍減小。另外，由于均衡器的衰減斜率，限幅動態(tài)范圍在頻率范圍內(nèi)分散。頻率越低，動態(tài)范圍縮小越多。為了補(bǔ)償縮小的限幅動態(tài)范圍，RF輸入功率必需上升。但是，由于均衡器的斜率，輸入功率不勻稱地上升又會增加放大器增益級過驅(qū)的風(fēng)險(xiǎn)?？梢栽谄骷斎攵颂砑泳馄?，但這不是抱負(fù)的位置。

2、添加與Thermopad串聯(lián)的均衡器，將減小后續(xù)放大器的壓縮。這會導(dǎo)致放大器壓縮在增益級之間分布不勻稱，縮小整體限幅動態(tài)范圍。不建議將均衡器與Thermopad衰減器串聯(lián)。

3、使用一個(gè)或多個(gè)均衡器替代固定衰減器，只會轉(zhuǎn)變輸出級放大器的壓縮水平。為了最大程度地減小這種變化，并且避開RF過驅(qū)，均衡器損耗應(yīng)與從系統(tǒng)中刪除的固定衰減值大致相等。此外，正如上文所述，在增益級之前添加均衡器，將會導(dǎo)致限幅動態(tài)范圍與頻率的分散。為了最大程度地削減這種效應(yīng)，請?zhí)鎿Q盡可能少的均衡器。

4、均衡器可以添加到器件輸出端。輸出均衡會減小輸出功率，但不會產(chǎn)生限幅動態(tài)范圍分散。輸出均衡會產(chǎn)生略正輸出功率斜率，但這種斜率被高頻封裝和連接器損耗抵消。

完成的四級限幅放大器布局如圖