電源時(shí)序控制太重要！偏置放大器的時(shí)序和控制要求有哪些？

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(diǎn)所確定的靜態(tài)電流會(huì)影響線性度和效率等關(guān)健性能指標(biāo)。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(gè)電源，這些電源的時(shí)序需要加以適當(dāng)控制以使器件安全工作。

接下來(lái)，我們主要來(lái)說說偏置時(shí)序控制要求。

電源時(shí)序控制

使用外部偏置放大器時(shí)，電源時(shí)序控制非常重要，原因如下：

• 不遵守正確的電源時(shí)序會(huì)影響器件的穩(wěn)定性。超過擊穿電壓可能會(huì)導(dǎo)致器件立即失效。當(dāng)超過邊界條件的狀況多次發(fā)生且系統(tǒng)承受壓力時(shí)，長(zhǎng)期可靠性會(huì)降低。此外，連續(xù)違反時(shí)序控制模式會(huì)損壞片內(nèi)保護(hù)電路并產(chǎn)生長(zhǎng)期損害，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作故障。

• 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(yīng)用要求。對(duì)于某些應(yīng)用，可以改變放大器的射頻性能以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況。例如，在雨天可以提高輸出功率以擴(kuò)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(shí)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(shù)。該工藝中使用的晶體管通常需要電源來(lái)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(guān)。

典型場(chǎng)效應(yīng)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(jìn)入溝道，產(chǎn)生更高的漏源電流(IDS)。

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

在實(shí)際放大器中，由于溝道長(zhǎng)度調(diào)制等效應(yīng)，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。

自偏置放大器有一個(gè)內(nèi)部電路用來(lái)設(shè)置適合工作的最佳偏置點(diǎn)。這些放大器通常最適合寬帶低功耗應(yīng)用。自偏置放大器的典型引腳排列參見圖2。

圖2.帶多個(gè)偏置引腳的多級(jí)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(wú)法提供最佳性能，因?yàn)閮?nèi)部阻性偏置電路無(wú)法充分補(bǔ)償批次、器件和溫度差異。

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(huì)影響功率壓縮點(diǎn)、增益、噪聲系數(shù)、交調(diào)產(chǎn)物和效率等參數(shù)。對(duì)于這些高性能外部偏置放大器，正確的電源時(shí)序控制對(duì)于確保器件以最佳性能安全工作至關(guān)重要。

圖3顯示了外部偏置放大器引腳和對(duì)應(yīng)晶體管引腳的典型連接。圖3中的引腳映射是放大器的簡(jiǎn)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(jí)來(lái)滿足增益、帶寬和功率等要求。圖4所示為多級(jí)外部偏置放大器HMC1131的典型框圖。

圖4.HMC1131多級(jí)外部偏置放大器

舉個(gè)栗子：外部偏置放大器的時(shí)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(jí)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(jù)手冊(cè)中針對(duì)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(shí)現(xiàn)225 mA的目標(biāo)靜態(tài)漏極電流(IDQ)，應(yīng)將柵極偏置引腳電壓（VGG1和VGG2）設(shè)置在0 V到?2 V之間。要設(shè)置該負(fù)電壓而不損壞放大器，上電和掉電期間應(yīng)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(shè)置為?2 V

3

將漏極電壓偏置引腳VDD1至VDD4設(shè)置為5 V

4

提高VGG1和VGG2以實(shí)現(xiàn)225 mA的IDQ

5

施加射頻信號(hào)

下面是HMC1131掉電期間的建議偏置序列：

1

關(guān)閉射頻信號(hào)

2

降低VGG1和VGG2至?2 V以實(shí)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(dāng)柵極電壓(VGGx)為?2 V時(shí)，晶體管會(huì)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(huì)有不同的IDQ、VDDx和VGGx值。為了關(guān)閉器件，GaAs器件的VGG一般設(shè)置為?2 V或?3 V，而對(duì)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(dá)到28 V，甚至50 V，而GaAs放大器通常小于13 V。

多級(jí)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(jù)手冊(cè)上提供的典型性能結(jié)果。在不同偏置條件下使用放大器可能會(huì)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(huì)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(guān)系，圖6顯示了不同電源電流下輸出三階交調(diào)截點(diǎn)(IP3)性能與頻率的關(guān)系。

圖5.不同電源電流下P1dB與頻率的關(guān)系

圖6.不同電源電流下輸出IP3與頻率的關(guān)系，POUT/信號(hào)音 = 10 dBm

利用多個(gè)VGGx引腳偏置放大器的另一種方案是獨(dú)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(lái)幫助用戶定制器件。

這種靈活性對(duì)某些應(yīng)用很有利。如果放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供的性能數(shù)據(jù)能夠輕松滿足應(yīng)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(jù)手冊(cè)給定的絕對(duì)最大額定值的情況下，測(cè)試不同偏置條件下的性能可能會(huì)有益。

偏置外部偏置放大器的另一種方案是設(shè)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(huì)在射頻驅(qū)動(dòng)下提高（此行為可參見HMC1131數(shù)據(jù)手冊(cè)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。