具有關(guān)斷和旁路功能的MMIC放大器

2021-11-02

具有關(guān)斷和旁路功能的MMIC放大器

 TSS和TSY系列MMIC放大器具有多種性能特性組合，包括高動(dòng)態(tài)范圍和極低噪聲系數以及從VHF到毫米波應用的寬帶頻率覆蓋。這些產(chǎn)品系列還包括關(guān)斷和旁路功能的附加特性。這些功能通常會(huì )導致客戶(hù)質(zhì)疑旁路和關(guān)機之間的區別、哪些產(chǎn)品具有哪些功能以及每種產(chǎn)品的優(yōu)勢。本文將解釋這些功能的工作原理，并概述一些最常使用關(guān)閉和旁路功能的應用程序。

放大器關(guān)斷功能和應用

就像聽(tīng)起來(lái)一樣，關(guān)斷功能為射頻系統設計人員提供了在特定條件下關(guān)斷射頻放大器的能力。圖 1 顯示了具有關(guān)斷功能的RF放大器的框圖。該放大器包括用于上電和關(guān)斷狀態(tài)的附加控制信號。這是射頻放大器的外部直流控制信號，用于控制射頻放大器是通電還是斷電。在上電模式下，RF放大器偏置電流完全打開(kāi)，RF放大器按照數據表中定義的規格運行。在關(guān)斷模式下，RF放大器的偏置電流被壓縮到接近0安培的正常偏置電流的一小部分。

值得注意的是，在關(guān)斷模式下，預計放大器不會(huì )用于有源信號鏈。由于放大器中沒(méi)有電流，放大器沒(méi)有增益和帶寬，并且包含處于關(guān)斷模式的放大器的信號路徑無(wú)法再將信號從輸入傳遞到輸出。在關(guān)斷模式下，放大器在活動(dòng)（開(kāi)啟）時(shí)保持的50W匹配可能不再保持。因此，放大器的輸入和輸出端口變?yōu)楦咦杩?，這可能會(huì )導致信號路徑不穩定。因此，當放大器處于關(guān)斷模式時(shí)，需要以某種方式保持50W匹配。

圖 1：具有關(guān)斷功能的 RF放大器的簡(jiǎn)化示意圖

作為關(guān)斷功能應用的一個(gè)示例，單刀多擲開(kāi)關(guān)可以將RF信號鏈連接到不同的RF增益模塊，如圖 2 所示。從所示的三個(gè)放大器中只會(huì )選擇一個(gè)增益模塊在任何給定的時(shí)間。最好關(guān)閉放大器組中所有未使用的放大器以節省系統中的DC功耗。典型的分立式RF放大器無(wú)法在不關(guān)閉電源的情況下降低DC功耗，這會(huì )導致仍然依賴(lài)相同電源的 RF 信號鏈中的有源電路出現問(wèn)題。

因此，最好提供具有關(guān)閉DC功率耗散的附加能力的RF放大器。如果每個(gè)RF放大器都提供這種關(guān)斷功能，則放大器組的DC功耗對于整個(gè)系統將顯著(zhù)降低。在圖 2 中，頂部和底部放大器施加了關(guān)斷控制信號，因此放大器的偏置電流 I BIAS等于0安培。中間放大器施加了上電控制信號，這導致I BIAS等于標稱(chēng)電流值I NOMINAL。    

圖 2：關(guān)斷功能在RF放大器組中的應用。

關(guān)斷功能有助于節省功耗的另一個(gè)應用是在RF收發(fā)器的半雙工或時(shí)分雙工 (TDD) 操作模式下。對于 TDD 操作，發(fā)送器或接收器在任何給定時(shí)間都處于開(kāi)啟狀態(tài)，但兩者都不會(huì )同時(shí)開(kāi)啟。對于這種類(lèi)型的收發(fā)器，可以在發(fā)射器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)關(guān)閉接收放大器信號鏈，反之亦然。這將通過(guò)接收和發(fā)送操作的占空比減少總功耗。

圖 3 顯示了半雙工操作的收發(fā)器功能框圖。對于半雙工接收模式，上電控制信號應用于低噪聲放大器 (LNA) 和接收器信號鏈，關(guān)斷控制信號應用于功率放大器 (PA) 和發(fā)射信號鏈。在接收模式下，對于半雙工操作，只有接收信號鏈消耗直流功率。發(fā)射信號鏈關(guān)閉。同樣，在半雙工操作的發(fā)射模式下，只有發(fā)射信號鏈消耗直流功率。接收信號鏈關(guān)閉。

通過(guò)使用上電和關(guān)斷控制信號，只對需要的信號路徑上電，將未使用的信號路徑直流功耗降至零。通過(guò)這種方式，可以通過(guò)半雙工操作的占空比來(lái)降低收發(fā)器的直流電源。例如，如果接收和發(fā)送模式為50%占空比，則總功耗可降低50%。   

圖 3：使用上電/關(guān)斷功能進(jìn)行半雙工收發(fā)器操作以節省DC功耗。

放大器旁路功能和應用

旁路功能使RF系統設計人員能夠去除RF信號鏈中的信號增益，而不管放大器是否用于有源信號路徑。這種能力是通過(guò)將一組開(kāi)關(guān)集成到放大器電路中來(lái)實(shí)現的。RF設計人員使用 DC控制信號在“直通模式”下通過(guò)RF放大器路由信號，或在“旁路模式”下“繞過(guò)”RF放大器。圖 4 顯示了具有旁路功能的RF放大器的簡(jiǎn)化框圖。復合電路由一個(gè) RF 放大器和 3 個(gè)開(kāi)關(guān)組成。這 3 個(gè)開(kāi)關(guān)是單刀雙擲 (SPDT) 開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的位置由開(kāi)關(guān)的控制信號決定。在圖 4 中，開(kāi)關(guān)設置為在信號路徑中包含 RF 增益模塊。在圖 5 中，開(kāi)關(guān)設置為繞過(guò)它。 

圖 4：具有旁路功能的RF放大器設置為將放大器包含在信號鏈中。

圖 5：具有旁路功能的射頻放大器設置為旁路信號鏈中的放大器。

RF放大器中的旁路功能可用于設計許多RF信號鏈。典型的RF信號鏈支持不同的增益配置，具體取決于對接收或發(fā)送的RF信號功率的要求。根據接收器的噪聲系數 (NF) 和接收信號的功率電平，可能需要通過(guò)繞過(guò) RF 接收器中的多個(gè)增益模塊來(lái)降低信號鏈增益以避免壓縮。

這種情況的示例如圖 6 所示。輸入信號動(dòng)態(tài)范圍為 40 dB，最小信號電平為 -50 dBm，最大信號電平為 -10 dBm。兩個(gè)RF放大器用于輸入 P1dB = -1 dBm 和增益 = 20 dB。對于 -50 dBm 的輸入信號電平，打開(kāi)RF放大器，輸出信號功率 = -50 dBm + 20 dB = – 30 dBm。這低于信號鏈中下一個(gè)RF放大器的輸入 P1dB，并且 RF 信號鏈保持在線(xiàn)性區域。對于-10 dBm的輸入功率電平，相比之下，第一個(gè)放大器未壓縮，輸出功率為-10 dBm + 20 dB = 10 dBm，大于下一個(gè)放大器的壓縮點(diǎn)。為了避免這種情況，繞過(guò)第一個(gè)RF放大器，允許第二個(gè) RF 放大器的輸入功率為 -10 dBm，低于第二個(gè)RF放大器的 1 dB 壓縮點(diǎn)，并且 RF 信號鏈保持未壓縮。信號鏈中的旁路可以有效地擴展輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì )影響信號鏈壓縮點(diǎn)。

旁路也可用于適應高功率電平，而不會(huì )損壞信號路徑中的RF放大器。在圖 6 中，如果兩個(gè) RF放大器都被旁路，則在兩個(gè)放大器都處于直通模式的情況下，輸入信號功率可以增加 > 30 dBm，因為輸入 P1dB 現在是旁路開(kāi)關(guān)的壓縮點(diǎn)，而不是射頻放大器。

圖 6：顯示使用旁路模式以避免信號鏈壓縮和損壞放大器的信號鏈示例。

因此，繞過(guò)RF信號鏈中的增益模塊的能力為RF系統設計人員提供了一個(gè)額外的工具，以適應不同信號場(chǎng)景的不同固定增益設置。

在分立式 COTS 射頻收發(fā)器中，圖 4 和圖 5 中的配置通常使用 3 個(gè)分立式 SPDT 開(kāi)關(guān)組件和一個(gè)射頻放大器組件來(lái)實(shí)現，占用大量電路板空間。將開(kāi)關(guān)與放大器集成到同一芯片上有助于減小尺寸并釋放空間。此外，旁路和關(guān)閉功能的需求并不相互排斥。在分立式設計中，旁路RF放大器在旁路模式下仍會(huì )消耗與在直通模式下相同的DC功率，除非它還包含前面描述的關(guān)斷功能。因此，需要一種單組件解決方案，該解決方案集成了旁路功能和在旁路模式下關(guān)閉RF放大器直流功率耗散的附加功能。

Mini-Circuits 的 MMIC 放大器包含旁路功能，包括將關(guān)斷和旁路功能結合到單個(gè)組件中的優(yōu)勢（圖 7）。在旁路模式下，SPDT開(kāi)關(guān)配置為旁路RF放大器，并且RF放大器偏置關(guān)閉。在此配置中，RF放大器的DC功耗接近 0 瓦，因此整體功耗僅是RF放大器上電時(shí)的一小部分。

圖 7：包括旁路和關(guān)斷功能的 Mini-Circuits 射頻放大器。

具有關(guān)斷和旁路功能的微型電路 MMIC放大器

Mini-Circuits的TSS和TSY系列MMIC放大器包括具有關(guān)斷和旁路功能的型號。下面的表 1 列出了這些放大器產(chǎn)品及其相關(guān)的性能特征。最右邊的一列指示產(chǎn)品是否具有關(guān)機或旁路功能。

型號	頻率范圍 (MHz)	增益 (dB)	NF (分貝)	P1dB (dBm)	OIP3 (dBm)	輸入駐波比	輸出電壓駐波比	電壓 (V)	電流 (mA)	特征
TSS-44+	22000-43500	17.6	3.2	6.9	12.7	1.37	1.28	4	22	關(guān)掉
TSS-183A+	5000-18000	14.2	4.4	17.9	28.9	1.37	1.28	5	145	關(guān)掉
TSS-53LNB+	500-5000	21.7	1.4	20.6	33.9	1.46	1.33	5	82	旁路
TSS-53LNB3+	500-5000	18.4	1.5	14.9	25	1.63	1.26	3	42	旁路
TSS-23HLN+	30-2000	21.8	1.4	28.5	42.6	1.92	1.67	8	236	關(guān)掉
TSS-23LN+	30-2000	21.5	1.2	24.1	36.4	1.92	1.67	3	139/74	關(guān)掉
TSY-172LNB+	30-1700	13.1	1.4	17.5	24.7	1.9	1.5	2.7	7.7	旁路
TSS-13HLN+	1-1000	23	1.4	28.4	42.9	1.43	1.37	8	234	關(guān)掉
TSS-13LN+	1-1000	22.8	1.1	24.5	39.2	1.28	1.32	3	142/72	關(guān)掉
TSY-13LNB+	30-1000	14.7	1.2	17.1	26.4	1.5	1.3	2.7	7.7	旁路

表 1： TSS和TSY系列 MMIC放大器具有關(guān)斷和旁路功能。

關(guān)于帶關(guān)斷和旁路放大器的數據表的說(shuō)明

RF 放大器的旁路和關(guān)斷功能需要為產(chǎn)品定義兩套性能規范。在這些產(chǎn)品的數據表中，為正常工作模式下的射頻放大器提供了一組規格，當射頻放大器通電時(shí)，另一組規格則用于關(guān)閉模式下的放大器。對于具有旁路功能的型號，當旁路開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，射頻放大器打開(kāi)時(shí)有一組單獨的規范，以及旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)和射頻放大器關(guān)閉時(shí)的第二組規范.

TSS-53LNB+的這兩組規格如圖8所示。在旁路模式下，RF放大器的增益為如圖4所示的三個(gè)級聯(lián)開(kāi)關(guān)的插入損耗。從圖3中，放大器的增益為降低 20 dB 至 -1 dB。此外，在旁路模式下，OIP3增加 > 10 dBm，并且1 dB壓縮點(diǎn)比在直通模式下高得多。   

圖 8：Mini-Circuits TSS-53LNB+數據表中放大器在直通模式 (ON) 和旁路模式下的規格。

結論

Mini-Circuits 開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨特的MMIC放大器系列，通過(guò)增加關(guān)斷和旁路功能開(kāi)辟了許多應用。希望您現在對關(guān)機和旁路功能、這些功能之間的差異以及可以在系統設計級別利用每個(gè)功能的應用程序有了更好的了解。