pHEMT功率放大器的有源偏置解決方案

摘要

假晶高電子遷移率晶體管(pHEMT)是耗盡型器件，其漏源通道的電阻接近0 Ω。此特性使得這些器件可以在高開關(guān)頻率下以高增益運(yùn)行。然而，如果柵極和漏極偏置時(shí)序不正確，漏極溝道的高電導(dǎo)率可能會(huì)導(dǎo)致器件燒毀。本文探討耗盡型pHEMT射頻(RF)放大器的工作原理以及如何對(duì)其有效偏置。耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)需要負(fù)柵極電壓，并且必須小心控制開啟/關(guān)斷的時(shí)序。文中將介紹并比較固定柵極電壓和固定漏極電流電路。我們還將仔細(xì)研究這些偏置電路的噪聲和雜散對(duì)RF性能有何影響。

引言

圖1顯示了耗盡型pHEMPT RF放大器的簡(jiǎn)化框圖。流經(jīng)器件的RF信號(hào)路徑是從柵極到漏極，交流耦合電容將RF信號(hào)與漏極和柵極上的直流偏置電壓去耦。主電源電壓通過電感施加到FET晶體管的漏極。

圖1.耗盡型RF放大器的簡(jiǎn)化架構(gòu)。

耗盡型器件的一個(gè)重要特性是，當(dāng)柵極電壓等于0 V時(shí)，漏源電阻接近0 Ω。因此，要操作這種器件，必須對(duì)柵極施加負(fù)電壓。在圖1中，該電壓通過片上電感施加。

這種偏置方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，兩個(gè)電源不能同時(shí)開啟。在柵極偏置電壓之前施加漏極偏置電壓會(huì)導(dǎo)致漏極電流突然增加，從而很快燒毀器件。因此，必須首先施加負(fù)柵極偏置電壓來夾斷溝道。開啟和關(guān)閉放大器時(shí)，應(yīng)使用表1中的步驟。

表1.放大器步驟

實(shí)踐中可以跳過夾斷步驟。例如，如果知道正常工作的最終柵極電壓，那么可以立即施加該電壓，而無需經(jīng)過夾斷步驟。

固定柵極電壓偏置

圖2顯示了耗盡型RF放大器建立并維持固定柵極電壓的電源管理電路。它使用開關(guān)穩(wěn)壓器、低壓差(LDO)穩(wěn)壓器和負(fù)載開關(guān)來產(chǎn)生漏極電壓。柵極電壓由ADP5600產(chǎn)生，該器件包含電壓逆變器和LDO穩(wěn)壓器。漏極電流由負(fù)電壓LDO穩(wěn)壓器的反饋電阻設(shè)置。為確保安全的電源時(shí)序，開關(guān)穩(wěn)壓器的使能(EN)引腳與負(fù)電壓發(fā)生器的電源良好(PGOOD)信號(hào)相連。這確保了負(fù)柵極電壓始終出現(xiàn)在漏極電壓之前。

圖2.固定柵極電壓偏置。

圖3.固定漏極電流偏置（有源偏置控制）

此電路的主要缺點(diǎn)是沒有考慮RF放大器VGATE與IDRAIN關(guān)系的器件間差異。漏極電流的器件間差異（假設(shè)柵極電壓固定）可能很大，導(dǎo)致每個(gè)電路具有不同的漏極電流。漏極電流差異通常會(huì)影響壓縮(OP1dB)和三階交調(diào)失真(OIP3)（增益也會(huì)受到影響，但程度較小）。這種方法的好處之一是漏極電流將根據(jù)RF輸入功率和RF輸出功率的變化而增加或減少。因此，如果RF輸入功率較低，功耗也會(huì)較低，反之亦然。

有源偏置控制

有源偏置控制是另一種方法。此技術(shù)不是固定柵極電壓，而是固定漏極電流。圖3中，有源偏置控制器通過測(cè)量漏極電流并改變柵極電壓來調(diào)節(jié)漏極電流，使該電流即使在不同的RF輸入條件下也能保持固定。此電路由LT8608降壓穩(wěn)壓器和HMC920有源偏置控制器組成，后者可支持3 V至15 V的漏極電壓和高達(dá)500 mA的總漏極電流。

HMC920內(nèi)部的高電壓、高電流線性穩(wěn)壓器（LDOCC引腳）可產(chǎn)生3 V至15 V的正電壓和高達(dá)500 mA的電流。其輸出通過內(nèi)部MOSFET開關(guān)連接至VDRAIN端口，用于控制電源時(shí)序。為了設(shè)置功率放大器所需的漏極電壓，必須使用公式1調(diào)整LDO穩(wěn)壓器的反饋電阻R5和R8：

其中，VDRAIN是所需的漏極電壓值，IDRAIN是所需的漏極電流。常數(shù)0.5是內(nèi)部MOSFET開關(guān)的RDS(ON)值。

內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓VGATE。通過讀取RSENSE處的電壓，控制器檢測(cè)漏極電流并改變VGATE處的電壓。要設(shè)置漏極電流，必須使用公式2改變RSENSE（R4和R19）：

當(dāng)通過施加電源電壓(VDD)開啟HMC920時(shí)，會(huì)有一個(gè)信號(hào)發(fā)送至EN引腳以啟動(dòng)控制環(huán)路。VDRAIN最初會(huì)短接到地，以強(qiáng)制將其設(shè)為零。同時(shí)，VGATE處的電壓最初會(huì)被拉低至最小電壓VNEG。然后，VDRAIN將提高至設(shè)定的漏極電壓值。RSENSE上將產(chǎn)生電壓降，這會(huì)導(dǎo)致控制器改變柵極電壓。關(guān)斷期間，會(huì)有一個(gè)邏輯低電平信號(hào)發(fā)送至EN引腳。VGATE將降低至VNEG以切斷放大器，VDRAIN處的電壓將降至零。VGATE處的電壓最終將達(dá)到零。此周期遵循正確的電源時(shí)序，以確保耗盡型放大器安全運(yùn)行。它還具有過流和欠流報(bào)警、短路保護(hù)、功率折返等安全特性。HMC920數(shù)據(jù)手冊(cè)中詳細(xì)解釋了該偏置控制器的其他安全機(jī)制。

該偏置控制器用作ADL8106寬帶低噪聲放大器的電源管理解決方案。ADL8106的工作頻率范圍為20 GHz至54 GHz，標(biāo)稱漏極電壓為3 V，靜態(tài)漏極電流為120 mA。圖4和圖5顯示了相關(guān)的開啟和關(guān)斷波形。

圖4.開啟時(shí)的電源時(shí)序波形。一旦施加VDD，EN變?yōu)楦唠娖骄捅硎究刂骗h(huán)路啟動(dòng)。首先開啟VGATE，然后開啟VDRAIN。

圖5.關(guān)斷時(shí)的電源時(shí)序波形。當(dāng)VDD被移除時(shí)，EN變?yōu)榈碗娖?。VGATE將再次降至最小電壓VNEG，VDRAIN將降至零。然后，VGATE最終將達(dá)到零。

噪聲和雜散抑制

RF放大器RF輸出端的雜散和噪聲水平將取決于HMC920的輸出噪聲和雜散，以及放大器的電源調(diào)制比(PSMR)。圖6顯示了開關(guān)穩(wěn)壓器(LT8608)輸入端以及VDRAIN和輸出端口的PSRR曲線。圖7和圖8顯示了VGATE和VDRAIN電壓的輸出頻譜?；贏DL8106的PSMR，這些圖中還包含了顯示最大允許輸出噪聲和雜散的跡線。電源管理電路的輸出噪聲和雜散必須低于這些水平，以確保放大器的性能不會(huì)因電源管理電路而降低。有關(guān)該參數(shù)的理論、測(cè)量和計(jì)算的更深入解釋，請(qǐng)參閱優(yōu)化信號(hào)鏈的電源系統(tǒng)系列文章。

圖6.LT8608 + HMC920的電源電壓抑制比（VDD = 5 V，VDRAIN = 3 V，IDQ = 120 mA，VGATE = –0.64 V）。

圖7.HMC920的V GATE和V DRAIN輸出頻譜以及ADL8106的最大允許噪聲限值。

圖8.HMC920的V GATE和VDRAIN輸出頻譜以及ADL8106的最大允許噪聲限值。

使用外部負(fù)電源操作HMC920

在前面的示例中，HMC920的內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器用于生成負(fù)柵極電壓。此外也可以使用外部負(fù)電源，如圖9所示。在這種情況下，ADP5600（逆變器和負(fù)LDO穩(wěn)壓器）用作產(chǎn)生柵極電壓的負(fù)電源。與使用內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器相比，其結(jié)果是噪聲系數(shù)略低且增益略高。

圖9.外部VNEG模式下的ADL8106和HMC920框圖。

圖10.使用HMC920的ADL8106在內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器模式和外部負(fù)電壓發(fā)生器模式下的噪聲系數(shù)。

圖11.使用HMC920的ADL8106在內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器模式和外部負(fù)電壓發(fā)生器模式下的增益。

該模式下的實(shí)際噪聲性能仍然取決于所用外部負(fù)電壓發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出噪聲。從圖7和圖8中可以看出，在外部VNEG模式下使用HMC920也會(huì)產(chǎn)生噪聲雜散，這些雜散仍低于最大允許電壓紋波限值。要利用此模式，必須將VNEGFB引腳短接至地以禁用負(fù)電壓發(fā)生器的反饋控制。對(duì)于增強(qiáng)型放大器（正柵極電壓），VNEGFB和VGATEFB引腳都必須接地。

結(jié)語

耗盡型GaAs放大器因其寬帶寬和高動(dòng)態(tài)范圍而廣泛用于RF應(yīng)用。但是，此類放大器需要負(fù)偏置電壓，并且必須小心控制其電源時(shí)序?？梢允褂霉潭ǖ呢?fù)柵極電壓來偏置這種放大器。其好處是電流消耗是動(dòng)態(tài)的，隨著RF輸出電平而變化。本文介紹的電路使用固定漏極電流，產(chǎn)生低噪聲漏極和柵極電壓并安全控制其時(shí)序，這些電壓不會(huì)降低RF放大器的額定性能。這樣器件間的性能差異會(huì)更小，因?yàn)槊總€(gè)器件都以相同的漏極電流運(yùn)行。然而，這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是漏極電流是固定的，不隨RF功率水平而變化。在決定固定漏極電流水平時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮，它必須足夠高才能支持所需的最大輸出功率水平，但又不能過高以至于導(dǎo)致電流浪費(fèi)。雖然可以使用外部負(fù)電源代替HMC920的內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器，但對(duì)噪聲的改善作用微乎其微。