Ο σκοπός της ανάλυσης προϋπολογισμού RF είναι να ελέγξει την απόκριση συχνότητας ευρυζωνικών συνδέσεων και το επίπεδο ισχύος RF διαφορετικών σημείων δοκιμής στον περιοριστικό ενισχυτή. Η ανάλυση πρέπει να ολοκληρωθεί για τη διόρθωση της χειρότερης θερμοκρασίας λειτουργίας, της κλίσης κέρδους και του εύρους ισχύος εισόδου RF.
Λοιπόν, ποιος ξέρει τι είναι η ανάλυση προϋπολογισμού RF;
Η βασική διάταξη ενός περιοριστικού ενισχυτή με περιοριστική δυναμική περιοχή 40 dB είναι μια σειρά τεσσάρων ενισχυτών μπλοκ κέρδους ή LNA. Ο ιδανικός σχεδιασμός χρησιμοποιεί μόνο μία ή δύο αποκλειστικές συσκευές ενισχυτή για τη μείωση της διακύμανσης ισχύος σε διαφορετικές συχνότητες και την ελαχιστοποίηση των απαιτήσεων αντιστάθμισης θερμικής / κλίσης. Το σχήμα 1 δείχνει το διάγραμμα μπλοκ των πρώτων αρχικών περιοριστικών ενισχυτών πριν από τη διόρθωση θερμοκρασίας και την αντιστάθμιση κλίσης.
Σχήμα 1. Μπλοκ διάγραμμα προκαταρκτικού σχεδιασμού
Πρώτα έρθει ένα μικρό όφελος, προτείνουμε μια τεχνική για την ολοκλήρωση του σχεδιασμού του ενισχυτή περιορισμού ευρυζωνικής σύνδεσης
1. Διαχειριστείτε το δυναμικό εύρος περιοριστικής ισχύος και εξαλείψτε τις συνθήκες RF overdrive
2. Βελτιστοποιήστε την απόδοση εντός του εύρους θερμοκρασίας
3. Τέλος, διορθώστε την απενεργοποίηση ισχύος και ισιώστε το μικρό κέρδος σήματος
4. Η τελευταία δευτερεύουσα διόρθωση μπορεί να είναι απαραίτητη, δηλαδή, μετά την ενσωμάτωση της λειτουργίας εξίσωσης συχνότητας στο σχεδιασμό, επανεξετάστε την αντιστάθμιση θερμοκρασίας
Όριο ισχύος
Το κύριο πρόβλημα με τον προκαταρκτικό σχεδιασμό που φαίνεται στο Σχήμα 1 είναι ότι καθώς αυξάνεται η ισχύς εισόδου RF, η υπερφόρτωση RF είναι πιθανό να συμβεί στο στάδιο αύξησης εξόδου. Όταν η κορεσμένη ισχύ εξόδου οποιουδήποτε σταδίου κέρδους υπερβεί την απόλυτη μέγιστη είσοδο του επόμενου ενισχυτή στην ουρά, θα προκύψει υπερέκταση RF. Επιπλέον, ο σχεδιασμός είναι επιρρεπής σε κυματισμούς που σχετίζονται με το VSWR και είναι πιθανό να προκύψουν ταλαντώσεις λόγω του υψηλού ανεμπόδιστου κέρδους στο μικρό πακέτο RF.
Προκειμένου να αποφευχθεί η υπερβολική κίνηση RF, να εξαλειφθούν τα εφέ VSWR και να μειωθεί ο κίνδυνος ταλάντωσης, ένας σταθερός εξασθενητής μπορεί να προστεθεί μεταξύ κάθε σταδίου κέρδους για τη μείωση ισχύος και κέρδους. Μπορεί επίσης να απαιτείται απορροφητής RF στο κάλυμμα RF για την εξάλειψη των ταλαντώσεων. Απαιτείται επαρκής εξασθένηση για τη μείωση της μέγιστης ισχύος εισόδου κάθε σταδίου κέρδους κάτω από το ονομαστικό επίπεδο ισχύος εισόδου του MMIC. Πρέπει να συμπεριλαμβάνεται επαρκής εξασθένηση για την προσαρμογή του ανώτερου περιθωρίου ισχύος εισόδου, για την προσαρμογή αλλαγών θερμοκρασίας και διαφορών μεταξύ συσκευών. Το Σχήμα 2 δείχνει πού απαιτείται ο εξασθενητής RF στην περιοριστική αλυσίδα ενισχυτή.
Εικόνα 2. Διάγραμμα μπλοκ διόρθωσης overdrive RF
Ο ενισχυτής περιορισμού ευρείας ζώνης της ADI HMC7891 χρησιμοποιεί τέσσερα στάδια κέρδους HMC462 για να επιτρέψει στο εύρος λειτουργίας να φτάσει τα 10 dBm. Η απόλυτη μέγιστη ισχύς εισόδου είναι 15 dBm. Κάθε στάδιο κέρδους μπορεί να ανεχθεί μια μέγιστη είσοδο RF 18 dBm. Ακολουθώντας τα στάδια σχεδίασης που περιγράφονται στην προηγούμενη παράγραφο, έχει προστεθεί εξασθενητής μεταξύ των δύο σταδίων κέρδους για να διασφαλιστεί ότι η μέγιστη στάθμη ισχύος εισόδου του ενισχυτή δεν υπερβαίνει τα 17 dBm. Το Σχήμα 3 δείχνει το μέγιστο επίπεδο ισχύος στην είσοδο κάθε σταδίου κέρδους όταν προστίθεται ένας σταθερός εξασθενητής στο σχέδιο.
Σχήμα 3. Προσομοίωση της σχέσης μεταξύ POUT και συχνότητας, διόρθωση υπερφόρτωσης RF
Ο σχεδιασμός αντισταθμίζεται θερμικά για την επέκταση του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας. Η γενική απαίτηση θερμικού εύρους για τον περιορισμό των εφαρμογών ενισχυτή είναι -40 ° C έως + 85 ° C. Με βάση την εμπειρία, ο τύπος αλλαγής κέρδους 0.01 dB / ° / επίπεδο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της αλλαγής κέρδους ενός σχεδιασμού ενισχυτή τεσσάρων επιπέδων. Το κέρδος αυξάνεται καθώς μειώνεται η θερμοκρασία και το αντίστροφο. Χρησιμοποιώντας το κέρδος περιβάλλοντος ως βασική τιμή, το συνολικό κέρδος αναμένεται να μειωθεί κατά 2.4 dB στους 85 ° C και να αυξηθεί κατά 2.6 dB στους -40 ° C.
Για να αντισταθμιστεί θερμικά ο σχεδιασμός, μπορεί να εισαχθεί ένας εμπορικά διαθέσιμος θερμικός μετρητής θερμοκρασίας Thermopad® για να αντικαταστήσει τον σταθερό εξασθενητή. Το Σχήμα 4 δείχνει τα αποτελέσματα δοκιμής ενός εμπορικά διαθέσιμου εξασθενητή ευρυζωνικής Thermopad. Με βάση τα δεδομένα δοκιμής Thermopad και τις εκτιμώμενες αλλαγές κέρδους, είναι προφανές ότι χρειάζονται δύο εξασθενητές Thermopad για τη θερμική αντιστάθμιση του σχεδιασμού περιορισμού τεσσάρων σταδίων.
Σχήμα 4. Απώλεια θερμοπάρδου σε θερμοκρασία
Η απόφαση για το πού θα εισαχθεί το Thermopad είναι μια σημαντική απόφαση. Επειδή η απώλεια του εξασθενητή Thermopad θα αυξηθεί, ειδικά σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, είναι καλή πρακτική να αποφεύγετε την προσθήκη εξαρτημάτων κοντά στο άκρο εξόδου της αλυσίδας RF, προκειμένου να διατηρηθεί ένα υψηλό όριο ισχύος εξόδου. Η ιδανική τοποθεσία για το Thermopad βρίσκεται μεταξύ των τριών πρώτων σταδίων του ενισχυτή, που είναι η τοποθεσία που επισημαίνεται στο Σχήμα 5.
Σχήμα 5. Διάγραμμα θερμικής αντιστάθμισης
Το αποτέλεσμα προσομοίωσης της μικρής απόδοσης σήματος θερμικής αντιστάθμισης ADM HMC7891 φαίνεται στο σχήμα 6. Πριν από την εξίσωση της συχνότητας, η αλλαγή κέρδους μειώνεται στο μέγιστο των 2.5 dB. Αυτό βρίσκεται εντός του απαιτούμενου εύρους αλλαγής κέρδους ± 1.5 dB.
Σχήμα 6. HMC7891 προσομοίωσε μικρό κέρδος σήματος σε θερμοκρασία
Εξισορρόπηση συχνότητας
Αυτό αντισταθμίζει το φυσικό κέρδος roll-off στους περισσότερους ενισχυτές ευρείας ζώνης. Υπάρχουν διάφορα σχέδια ισοσταθμιστή, συμπεριλαμβανομένων των παθητικών τσιπ MMA GaAs. Οι παθητικοί ισοσταθμιστές MMIC είναι μικρού μεγέθους και δεν έχουν απαιτήσεις DC και σήματος ελέγχου, επομένως είναι πολύ κατάλληλοι για τον περιορισμό του σχεδιασμού του ενισχυτή. Ο αριθμός των απαιτούμενων ισοσταθμιστών συχνότητας εξαρτάται από την κλίση κέρδους χωρίς αντιστάθμιση του περιοριστικού ενισχυτή και την απόκριση του επιλεγμένου ισοσταθμιστή. Μια πρόταση σχεδιασμού είναι να αντισταθμιστεί ελαφρώς η απόκριση συχνότητας στην αντιστάθμιση απώλειας γραμμής μετάδοσης και απώλειας συνδετήρα, καθώς και παρασιτικών πακέτων που έχουν μεγαλύτερη επίδραση στο κέρδος σε υψηλότερες συχνότητες. Το Σχήμα 7 δείχνει τα αποτελέσματα των δοκιμών του προσαρμοσμένου ισοσταθμιστή συχνότητας ADI GaAs.
Σχήμα 7. Μετρημένη απώλεια ισοσταθμιστή συχνότητας
Ο ενισχυτής περιορισμού HMC7891 της ADI απαιτεί τρεις ισοσταθμιστές συχνότητας για τη διόρθωση της θερμικά αντισταθμισμένης απόκρισης μικρού σήματος. Το Σχήμα 8 δείχνει τα αποτελέσματα προσομοίωσης του HMC7891 μετά από θερμική αντιστάθμιση και εξίσωση συχνότητας. Η απόφαση για την τοποθέτηση του ισοσταθμιστή είναι κρίσιμη για μια επιτυχημένη σχεδίαση. Πριν προσθέσετε οποιουσδήποτε ισοσταθμιστές, θυμηθείτε ότι ένας ιδανικός περιοριστικός ενισχυτής πρέπει να κατανέμει ομοιόμορφα τη μέγιστη συμπίεση ενισχυτή μεταξύ όλων των σταδίων κέρδους για να αποφευχθεί ο υπερβολικός κορεσμός. Με άλλα λόγια, στη χειρότερη περίπτωση, κάθε MMIC πρέπει να συμπιέζεται εξίσου.
Σχήμα 8. HMC7891 προσομοίωση συχνότητας εξίσωση μικρό σήμα κέρδος σε θερμοκρασία
Στο τρέχον στάδιο σχεδιασμού που φαίνεται στο Σχήμα 5, ένας ισοσταθμιστής συνδεδεμένος σε σειρά με τον εξασθενητή Thermopad μπορεί να προστεθεί στην είσοδο της συσκευής για να αντικαταστήσει τον σταθερό εξασθενητή στην έξοδο της συσκευής. Γιατί το έκανες αυτό? Τέσσερις λόγοι
1. Η προσθήκη ισοσταθμιστή στην είσοδο του περιοριστικού ενισχυτή θα μειώσει την ισχύ του πρώτου σταδίου κέρδους. Επομένως, η συμπίεση του επιπέδου 1 μειώνεται. Η μείωση της συμπίεσης του σταδίου κέρδους είναι ισοδύναμη με τη μείωση του περιοριστικού δυναμικού εύρους. Επιπλέον, λόγω της κλίσης εξασθένησης του ισοσταθμιστή, το περιοριστικό δυναμικό εύρος διασκορπίζεται στο εύρος συχνοτήτων. Όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότερο μειώνεται το δυναμικό εύρος. Για να αντισταθμιστεί το μειωμένο δυναμικό εύρος περιορισμού, η ισχύς εισόδου RF πρέπει να αυξηθεί. Ωστόσο, λόγω της κλίσης του ισοσταθμιστή, μια άνιση αύξηση της ισχύος εισόδου θα αυξήσει τον κίνδυνο υπερβολικής κίνησης του σταδίου κέρδους του ενισχυτή. Είναι δυνατή η προσθήκη ισοσταθμιστή στην είσοδο της συσκευής, αλλά αυτή δεν είναι η ιδανική τοποθεσία.
2. Η προσθήκη ενός ισοσταθμιστή συνδεδεμένου σε σειρά με το Thermopad θα μειώσει τη συμπίεση των επόμενων ενισχυτών. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την άνιση κατανομή της συμπίεσης ενισχυτή μεταξύ των σταδίων κέρδους, μειώνοντας το συνολικό περιοριστικό δυναμικό εύρος. Δεν συνιστάται η σύνδεση του ισοσταθμιστή σε σειρά με τον εξασθενητή Thermopad.
3. Η χρήση ενός ή περισσοτέρων ισοσταθμιστών αντί σταθερών εξασθενητών θα αλλάξει μόνο το επίπεδο συμπίεσης του ενισχυτή σταδίου εξόδου. Για να ελαχιστοποιηθεί αυτή η παραλλαγή και να αποφευχθεί η υπερβολική κίνηση RF, η απώλεια ισοσταθμιστή πρέπει να είναι περίπου ίση με την τιμή σταθερής εξασθένησης που αφαιρείται από το σύστημα. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η προσθήκη ισοσταθμιστή πριν από το στάδιο κέρδους θα έχει ως αποτέλεσμα διασπορά του περιοριστικού δυναμικού εύρους και συχνότητας. Για να ελαχιστοποιήσετε αυτό το αποτέλεσμα, αντικαταστήστε όσο το δυνατόν λιγότερους ισοσταθμιστές.
4. Ο ισοσταθμιστής μπορεί να προστεθεί στην έξοδο της συσκευής. Η εξίσωση εξόδου θα μειώσει την ισχύ εξόδου, αλλά δεν θα παράγει περιοριστική διασπορά δυναμικού εύρους. Η εξίσωση εξόδου παράγει μια ελαφρώς θετική κλίση ισχύος εξόδου, αλλά αυτή η κλίση αντισταθμίζεται από τις συσκευασίες υψηλής συχνότητας και τις απώλειες συνδετήρα.
Η τελική διάταξη ενισχυτή περιορισμού τεσσάρων σταδίων φαίνεται στο σχήμα 9.
Σχήμα 9. Μπλοκ διάγραμμα της εξίσωσης συχνότητας
Το σχήμα 10 δείχνει τα αποτελέσματα προσομοίωσης ισχύος εξόδου και θερμοκρασίας του ADI HMC7891. Ο τελικός σχεδιασμός πέτυχε ένα περιοριστικό δυναμικό εύρος 40 dB. Υπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας, η εξομοιωμένη αλλαγή ισχύος εξόδου χειρότερης περίπτωσης ήταν 3 dB.
Σχήμα 10. Η σχέση μεταξύ προσομοιωμένου PSAT του HMC7891 και της συχνότητας εντός του εύρους θερμοκρασίας
