Der Zweck der HF-Budgetanalyse besteht darin, den Breitbandfrequenzgang und den HF-Leistungspegel verschiedener Testpunkte im Begrenzungsverstärker zu überprüfen. Die Analyse muss abgeschlossen sein, um die Betriebstemperatur im ungünstigsten Fall, die Verstärkungssteigung und den weiten HF-Eingangsleistungsbereich zu korrigieren.
Wer weiß also, was RF-Budgetanalyse ist?
Das Grundlayout eines Begrenzungsverstärkers mit einem Grenzdynamikbereich von 40 dB besteht aus einer Kaskade von vier Verstärkungsblockverstärkern oder LNAs. Das ideale Design verwendet nur ein oder zwei dedizierte Verstärker, um Leistungsschwankungen bei verschiedenen Frequenzen zu reduzieren und die Anforderungen an die Kompensation von Wärme und Steigung zu minimieren. 1 zeigt das Blockdiagramm der ersten anfänglichen Begrenzungsverstärker vor der Temperaturkorrektur und der Steigungskompensation.
Abbildung 1. Blockdiagramm des vorläufigen Entwurfs
Zunächst ein kleiner Vorteil, empfehlen Sie eine Technik, um das Design des Breitbandbegrenzungsverstärkers zu vervollständigen:
1. Verwalten Sie den Dynamikbereich der Grenzleistung und beseitigen Sie HF-Overdrive-Bedingungen
2. Optimieren Sie die Leistung innerhalb des Temperaturbereichs
3. Korrigieren Sie abschließend den Stromabfall und reduzieren Sie die kleine Signalverstärkung
4. Die letzte geringfügige Korrektur kann erforderlich sein, dh nachdem die Frequenzentzerrungsfunktion in das Design integriert wurde, muss die Temperaturkompensation überdacht werden
Leistungsgrenze
Das Hauptproblem bei dem in 1 gezeigten vorläufigen Design besteht darin, dass mit zunehmender HF-Eingangsleistung wahrscheinlich ein HF-Overdrive in der Ausgangsverstärkungsstufe auftritt. Wenn die gesättigte Ausgangsleistung einer Verstärkungsstufe den absoluten maximalen Eingang des nächsten Verstärkers in der Warteschlange überschreitet, tritt ein HF-Overdrive auf. Darüber hinaus ist das Design anfällig für VSWR-bezogene Welligkeiten, und es ist wahrscheinlich, dass aufgrund der hohen ungedämpften Verstärkung in dem kleinen HF-Gehäuse Schwingungen auftreten.
Um HF-Overdrive zu vermeiden, VSWR-Effekte zu eliminieren und das Risiko von Schwingungen zu verringern, kann zwischen jeder Verstärkungsstufe ein festes Dämpfungsglied hinzugefügt werden, um Leistung und Verstärkung zu reduzieren. Ein HF-Absorber kann auch an der HF-Abdeckung erforderlich sein, um Schwingungen zu beseitigen. Eine ausreichende Dämpfung ist erforderlich, um die maximale Eingangsleistung jeder Verstärkungsstufe unter den Nenn-Eingangsleistungspegel des MMIC zu reduzieren. Es muss eine ausreichende Dämpfung enthalten sein, um den oberen Eingangsleistungsspielraum, Temperaturänderungen und Unterschiede zwischen Geräten zu berücksichtigen. Abbildung 2 zeigt, wo der HF-Abschwächer in der Begrenzungsverstärkerkette benötigt wird.
Abbildung 2. Blockschaltbild der HF-Overdrive-Korrektur
Der Breitband-Begrenzungsverstärker HMC7891 von ADI verwendet vier HMC462-Verstärkungsstufen, damit der Betriebsbereich 10 dBm erreichen kann. Die absolute maximale Eingangsleistung beträgt 15 dBm. Jede Verstärkungsstufe kann einen maximalen HF-Eingang von 18 dBm tolerieren. Gemäß den im vorherigen Absatz beschriebenen Entwurfsschritten wurde zwischen den beiden Verstärkungsstufen ein Dämpfungsglied hinzugefügt, um sicherzustellen, dass der maximale Eingangsleistungspegel des Verstärkers 17 dBm nicht überschreitet. Abbildung 3 zeigt den maximalen Leistungspegel am Eingang jeder Verstärkungsstufe, wenn dem Entwurf ein festes Dämpfungsglied hinzugefügt wird.
Abbildung 3. Simulation der Beziehung zwischen POUT und Frequenz, HF-Overdrive-Korrektur
Das Design wird thermisch kompensiert, um den Betriebstemperaturbereich zu erweitern. Die allgemeine Anforderung an den Wärmebereich zur Begrenzung von Verstärkeranwendungen beträgt -40 ° C bis + 85 ° C. Erfahrungsgemäß kann die Verstärkungsänderungsformel von 0.01 dB / ° / Pegel verwendet werden, um die Verstärkungsänderung eines Verstärkers mit vier Pegeln abzuschätzen. Die Verstärkung nimmt mit abnehmender Temperatur zu und umgekehrt. Unter Verwendung der Umgebungsverstärkung als Basislinie wird erwartet, dass die Gesamtverstärkung bei 2.4 ° C um 85 dB abnimmt und bei –2.6 ° C um 40 dB zunimmt.
Um das Design thermisch zu kompensieren, kann ein im Handel erhältliches temperaturvariables Thermopad®-Dämpfungsglied eingesetzt werden, um das feste Dämpfungsglied zu ersetzen. Abbildung 4 zeigt die Testergebnisse eines im Handel erhältlichen Breitband-Thermopad-Dämpfers. Basierend auf den Thermopad-Testdaten und den geschätzten Verstärkungsänderungen ist es offensichtlich, dass zwei Thermopad-Dämpfungsglieder erforderlich sind, um das Design des vierstufigen Begrenzungsverstärkers thermisch zu kompensieren.
Abbildung 4. Thermopadverlust über der Temperatur
Die Entscheidung, wo das Thermopad eingesetzt werden soll, ist eine wichtige Entscheidung. Da der Verlust des Thermopad-Dämpfers insbesondere bei niedrigen Temperaturen zunimmt, empfiehlt es sich, das Hinzufügen von Komponenten nahe dem Ausgangsende der HF-Kette zu vermeiden, um einen hohen Ausgangsleistungspegel aufrechtzuerhalten. Der ideale Ort für das Thermopad liegt zwischen den ersten drei Verstärkerstufen. Dies ist der in Abbildung 5 hervorgehobene Ort.
Abbildung 5. Blockschaltbild der Wärmekompensation
Das Simulationsergebnis der ADI-Wärmekompensation HMC7891 für die Kleinsignalleistung ist in Abbildung 6 dargestellt. Vor dem Frequenzausgleich wird die Verstärkungsänderung auf maximal 2.5 dB reduziert. Dies liegt innerhalb des erforderlichen Bereichs von ± 1.5 dB Verstärkungsänderung.
Abbildung 6. HMC7891 simulierte eine kleine Signalverstärkung über der Temperatur
Frequenzausgleich
Dies kompensiert den natürlichen Verstärkungsabfall bei den meisten Breitbandverstärkern. Es gibt verschiedene Equalizer-Designs, einschließlich passiver GaAs-MMIC-Chips. Passive MMIC-Equalizer sind klein und haben keine DC- und Steuersignalanforderungen. Sie eignen sich daher sehr gut zur Begrenzung des Verstärkerdesigns. Die Anzahl der erforderlichen Frequenzentzerrer hängt von der nicht kompensierten Verstärkungssteigung des Begrenzungsverstärkers und der Reaktion des ausgewählten Entzerrers ab. Eine Entwurfsempfehlung besteht darin, den Frequenzgang leicht zu kompensieren, um den Verlust von Übertragungsleitungen und Steckverbindern auszugleichen, sowie Paketparasiten, die einen größeren Einfluss auf die Verstärkung bei höheren Frequenzen haben. Abbildung 7 zeigt die Testergebnisse des benutzerdefinierten ADI-GaAs-Frequenzentzerrers.
Abbildung 7. Gemessener Frequenzentzerrerverlust
Der Begrenzungsverstärker HMC7891 von ADI benötigt drei Frequenzentzerrer, um die thermisch kompensierte Kleinsignalantwort zu korrigieren. Abbildung 8 zeigt die Simulationsergebnisse von HMC7891 nach thermischer Kompensation und Frequenzausgleich. Die Entscheidung, wo der Equalizer eingefügt werden soll, ist entscheidend für ein erfolgreiches Design. Denken Sie vor dem Hinzufügen von Equalizern daran, dass ein idealer Begrenzungsverstärker die maximale Verstärkerkomprimierung gleichmäßig auf alle Verstärkungsstufen verteilen sollte, um eine übermäßige Sättigung zu vermeiden. Mit anderen Worten, im schlimmsten Fall sollte jedes MMIC gleich komprimiert werden.
Abbildung 8. HMC7891 Simulationsfrequenzausgleich kleine Signalverstärkung über der Temperatur
In der in 5 gezeigten aktuellen Entwurfsphase kann ein in Reihe mit dem Thermopad-Dämpfungsglied geschalteter Equalizer am Eingang des Geräts hinzugefügt werden, um das feste Dämpfungsglied am Ausgang des Geräts zu ersetzen. Warum hast du das getan? Vier Gründe
1. Durch Hinzufügen eines Equalizers zum Eingang des Begrenzungsverstärkers wird die Leistung der ersten Verstärkungsstufe verringert. Daher wird die Komprimierung von Stufe 1 verringert. Die Verringerung der Komprimierung der Verstärkungsstufe entspricht der Verringerung des begrenzenden Dynamikbereichs. Zusätzlich ist aufgrund der Dämpfungssteigung des Entzerrers der begrenzende Dynamikbereich im Frequenzbereich verteilt. Je niedriger die Frequenz, desto stärker wird der Dynamikbereich reduziert. Um den reduzierten Grenzdynamikbereich auszugleichen, muss die HF-Eingangsleistung erhöht werden. Aufgrund der Steigung des Equalizers erhöht eine ungleichmäßige Erhöhung der Eingangsleistung jedoch das Risiko eines Overdrives der Verstärkerverstärkungsstufe. Es ist möglich, dem Eingang des Geräts einen Equalizer hinzuzufügen, dies ist jedoch nicht der ideale Ort.
2. Durch Hinzufügen eines in Reihe mit Thermopad geschalteten Equalizers wird die Komprimierung nachfolgender Verstärker verringert. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Verstärkerkomprimierung zwischen den Verstärkungsstufen, wodurch der gesamte begrenzende Dynamikbereich verringert wird. Es wird nicht empfohlen, den Equalizer in Reihe mit dem Thermopad-Dämpfungsglied zu schalten.
3. Die Verwendung eines oder mehrerer Equalizer anstelle fester Dämpfungsglieder ändert nur den Kompressionspegel des Endstufenverstärkers. Um diese Abweichung zu minimieren und HF-Overdrive zu vermeiden, sollte der Equalizer-Verlust ungefähr gleich dem festen Dämpfungswert sein, der aus dem System entfernt wurde. Wie oben erwähnt, führt das Hinzufügen eines Equalizers vor der Verstärkungsstufe zu einer Streuung des begrenzenden Dynamikbereichs und der Frequenz. Ersetzen Sie so wenige Equalizer wie möglich, um diesen Effekt zu minimieren.
4. Der Equalizer kann dem Ausgang des Geräts hinzugefügt werden. Die Ausgangsentzerrung verringert die Ausgangsleistung, erzeugt jedoch keine einschränkende Streuung des Dynamikbereichs. Die Ausgangsentzerrung erzeugt eine leicht positive Steigung der Ausgangsleistung, diese Steigung wird jedoch durch Hochfrequenzverpackungen und Steckverbinderverluste ausgeglichen.
Das fertige vierstufige Begrenzungsverstärkerlayout ist in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 9. Blockdiagramm des Frequenzausgleichs
Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse der Ausgangsleistungs- und Temperatursimulation von ADI HMC7891. Das endgültige Design erreichte einen begrenzten Dynamikbereich von 40 dB. Unter allen Betriebsbedingungen betrug die simulierte Änderung der Ausgangsleistung im ungünstigsten Fall 3 dB.
Abbildung 10. Die Beziehung zwischen der simulierten PSAT von HMC7891 und der Frequenz innerhalb des Temperaturbereichs
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