用于射频功率放大器的数字电位器

2007-04-05 14:46:55来源: 今日电子
在过去,为射频功率放大器设定偏压条件的设计技术要求采用一种不可靠的机械电位器或者一种通常要采用8位D/A变换器的笨拙的解决方案。机械电位器方案是极其不可靠的,并搅乱了可靠性和平均故障间隔时间(MTBF)的设计。D/A变换器方案的成本比较高,因为设计师几乎不能利用D/A变换器的性能优势,而在这方面花的钱是最多的。

一种革新的技术采用命名为数字控制的电位器(DCP)使设计师能从根本上改善RF功率放大器的成本和可靠性。这在要求严格的应用为采用高线性和高效率的LDMOS技术的蜂窝电话基站是特别有价值的。

新一代DCP没有电荷泵,所以没有可以传导到滑片上的外部噪声(甚至在编程时)。因此,有可能给DCP动态编程而仍保持放大器上的连续波功率(滑片电阻实现新旧状态的平滑过渡)。

这对于重新偏置合用不同调制标准的放大器来说是个重要问题,因而可能要求不同的工作点以及到最佳性能。DCP已在全世界通信网络上安装的商用功率放大器上确立了几百万不出问题的现场工作小时。

  偏置问题

功率放大器设计的最重要的方面之一是偏置网络必须抵制RF功率。在凡是有可能的场合采用高阻抗源极就能达到这个目的。凡是采用了低阻抗源极的地方,保持良好的去耦状态是十分必要的,以充分利用晶体管的性能。

在FET漏极(GaAs或LDMOS),采用低阻抗偏压供电是必要的。对于非A类偏置的晶体管来说,电流对输出功率的特性曲线是动态的,并且任何残余电源阻抗都引起漏极电压调幅。

图:在RF功效应用中使用数字电位计,设计者能在诸如蜂窝电话基站等应用中节约成本,提高可靠性。

多数商用功率放大器通常有最大10%的带宽,因而供给漏极电流是可能的。对宽带应用来说,使用一个电感给漏极加偏压一般比较好。

  偏压

偏压可通过一个表面贴装电阻馈送到晶体管极匹配网络上。通常电阻为几百欧姆以确保通过这个电阻漏到偏置网络的RF功率最小。

由于栅极是极高阻抗的并且因而所需电流可以忽略不计,所以采用现成的最小封装尺寸(通常是0603)是可能的。这就减少了任何封装的寄生谐振的影响、使稳定性和性能最高。

对于LDMOS应用来说,可采用简单的模拟补偿方案或者用DSP控制DCP来实现热补偿。温度引起的栅压变化(在恒定漏极电流情况下)约为-2mVK-1。通常,补偿常数将与这里说的稍有差别以维持恒定的增益-温度响应。

  静态电流

不同应用的偏置(静态电流)要求也不同,但对于单载波功率放大器而言,1%的Idq-opt静态电流调谐分辨能力已经够了(Idq-opt是典型的偏置条件,当一个器件是AB类偏置时,它提供最大的动态增益平直性和几乎最佳的双音三阶互调制失真)。采用8位DCP为Xicor的X9258或X9250T就很容易达到这个条件。

某些应用,为多载波功率放大器,可能要求较精细的偏压控制或较大的动态范围,以便使动态增益平直性达到最佳。在某些情况下,实际上完全改变偏置的种类(传导角),从A类、AB类到B类和可能的其它类,或许是有利的。

在缓冲运算放大器输入采用两个DCP和一个加权求和网络也容易达到上述目的--有效地把位分辨率加倍。两个连接在一起的6位(64滑片位置)DCP能达到12位(4096滑片位置)分辨率。

选择R1/R2之比与抽头点数相等(这时6位相当于64位置),可能得到4000多滑片位置的分辨率。这个做法不仅是以为LDMOS器件提供高分辨率偏置,同时也为晶体管提供最大的灵活性,使它能偏置在任何一类。

Xicor的X9250数字电位器一般能提供要求的电压分辨率,尤其是在输出电压范围受到条件限制的时候。只要给电位器的高端和低端选定上下极限就可以了。此外,运算放大器缓冲器容许为范围调整和采用补偿增加更大的灵活性。

典型的LDMOS晶体管要求约2.5mV的栅压变化以便引起漏极电流1%的变化。因此,用一个8位电位器在1%分辨率的整6V范围内调谐是可能的。利用上述两个6位电位器的实例为有1%分辨率的整个10V范围提供了(调谐)的可能性,然而正常情况下将降低(电压)范围以便维持较高的分辨率。

  芯片上的存储器

芯片上的存储器是大部分DCP系列都有另一个特点。它使设计师能给每个电位器装入四个值的置位,并在任何时候把存储器寄存器指定给电位器。

一般来说,没有必要使用这些存储器设定。在正常情况下,这种设定是由外部处理器和存储器储存和控制的。给滑片寄存器重新输出新值并不会在滑片上引起寄生噪声。这允许RF在上电时对功放偏置动态编程,,无有害的(甚至可察觉的)结果。

在理论上,这是改变晶体管偏置条件的最坏时机,因为偏压电源上的任何尖峰都会导致大量的晶体管电源电流,加强了RF的功率,可能有致命的后果。存储器设定很可能用于很多功率放大器的设计特性。

  数字热补偿

热状态由系统的微控制器监控。可用查表法或算法来计算晶体管的最佳工作点。离散值的预置表在生产时间装入存储器,并在必要时装入滑片寄存器。

  栅极电压(Vg)/漏极电流(Id)漂移补偿

LDMOS晶体管由于时间过长而受到性能漂移的伤害。基本的影响是要求稍微增加栅电压以维持规定的漏极电流。LDMOS的加工工艺继续精化,电流漂移的数字是20年漂移5%。大部分漂移发生在发货前在工厂内给放大器加电试验的时候。漂移还和工艺截止频率成正比。

  其它射频应用

DCP可广泛地用于其RF应用。一个好的实例是向量调制器。向量调制器的目的是处理任意信号,使它的振幅和相位能在有控制的状态下变化。最近,采用向量调制器已经成为线性化放大系统复杂增益调整的流行方法,既用于前馈也用于预矫正。

向量调制器包括一个3dB 90°混合电路、一个同相位组合器、两个可变衰减器,它是用一对混频器或者带二极管的另外两个3dB 90°混合电路完成的。

关键字:D  A  机械  偏置  线性

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