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具有關(guān)斷和旁路功能的MMIC放大器
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(shù)以及從VHF到毫米波應(yīng)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(dǎo)致客戶(hù)質(zhì)疑旁路和關(guān)機(jī)之間的區(qū)別、哪些產(chǎn)品具有哪些功能以及每種產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。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(yīng)用程序。
放大器關(guān)斷功能和應(yīng)用
就像聽(tīng)起來(lái)一樣，關(guān)斷功能為射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)。這是射頻放大器的外部直流控制信號(hào)，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(shù)據(jù)表中定義的規(guī)格運(yùn)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(yù)計(jì)放大器不會(huì)用于有源信號(hào)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(hào)路徑無(wú)法再將信號(hào)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)楦咦杩梗@可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)路徑不穩(wěn)定。因此，當(dāng)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(yīng)用的一個(gè)示例，單刀多擲開(kāi)關(guān)可以將RF信號(hào)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(jié)省系統(tǒng)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(dǎo)致仍然依賴(lài)相同電源的 RF 信號(hào)鏈中的有源電路出現(xiàn)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)將顯著降低。在圖 2 中，頂部和底部放大器施加了關(guān)斷控制信號(hào)，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(hào)，這導(dǎo)致I BIAS等于標(biāo)稱(chēng)電流值I NOMINAL。
圖 2：關(guān)斷功能在RF放大器組中的應(yīng)用。
關(guān)斷功能有助于節(jié)省功耗的另一個(gè)應(yīng)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)于半雙工接收模式，上電控制信號(hào)應(yīng)用于低噪聲放大器 (LNA) 和接收器信號(hào)鏈，關(guān)斷控制信號(hào)應(yīng)用于功率放大器 (PA) 和發(fā)射信號(hào)鏈。在接收模式下，對(duì)于半雙工操作，只有接收信號(hào)鏈消耗直流功率。發(fā)射信號(hào)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(hào)鏈消耗直流功率。接收信號(hào)鏈關(guān)閉。
通過(guò)使用上電和關(guān)斷控制信號(hào)，只對(duì)需要的信號(hào)路徑上電，將未使用的信號(hào)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(jié)省DC功耗。
放大器旁路功能和應(yīng)用
旁路功能使RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠去除RF信號(hào)鏈中的信號(hào)增益，而不管放大器是否用于有源信號(hào)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(xiàn)的。RF設(shè)計(jì)人員使用 DC控制信號(hào)在“直通模式”下通過(guò)RF放大器路由信號(hào)，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(fù)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(hào)決定。在圖 4 中，開(kāi)關(guān)設(shè)置為在信號(hào)路徑中包含 RF 增益模塊。在圖 5 中，開(kāi)關(guān)設(shè)置為繞過(guò)它。
圖 4：具有旁路功能的RF放大器設(shè)置為將放大器包含在信號(hào)鏈中。
圖 5：具有旁路功能的射頻放大器設(shè)置為旁路信號(hào)鏈中的放大器。
RF放大器中的旁路功能可用于設(shè)計(jì)許多RF信號(hào)鏈。典型的RF信號(hào)鏈支持不同的增益配置，具體取決于對(duì)接收或發(fā)送的RF信號(hào)功率的要求。根據(jù)接收器的噪聲系數(shù) (NF) 和接收信號(hào)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(hào)鏈增益以避免壓縮。
這種情況的示例如圖 6 所示。輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為 40 dB，最小信號(hào)電平為 -50 dBm，最大信號(hào)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(duì)于 -50 dBm 的輸入信號(hào)電平，打開(kāi)RF放大器，輸出信號(hào)功率 = -50 dBm + 20 dB = – 30 dBm。這低于信號(hào)鏈中下一個(gè)RF放大器的輸入 P1dB，并且 RF 信號(hào)鏈保持在線性區(qū)域。對(duì)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(hào)鏈保持未壓縮。信號(hào)鏈中的旁路可以有效地?cái)U(kuò)展輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)影響信號(hào)鏈壓縮點(diǎn)。
旁路也可用于適應(yīng)高功率電平，而不會(huì)損壞信號(hào)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(hào)功率可以增加 > 30 dBm，因?yàn)檩斎?span> P1dB 現(xiàn)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(hào)鏈壓縮和損壞放大器的信號(hào)鏈?zhǔn)纠?span>
因此，繞過(guò)RF信號(hào)鏈中的增益模塊的能力為RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)額外的工具，以適應(yīng)不同信號(hào)場(chǎng)景的不同固定增益設(shè)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(xiàn)，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(shè)計(jì)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(jié)合到單個(gè)組件中的優(yōu)勢(shì)（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(hào)。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(jī)或旁路功能。
|
型號(hào) |
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(shù)據(jù)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(guī)范。在這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中，為正常工作模式下的射頻放大器提供了一組規(guī)格，當(dāng)射頻放大器通電時(shí)，另一組規(guī)格則用于關(guān)閉模式下的放大器。對(duì)于具有旁路功能的型號(hào)，當(dāng)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(dú)的規(guī)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(guī)范.
TSS-53LNB+的這兩組規(guī)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(jí)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(shù)據(jù)表中放大器在直通模式 (ON) 和旁路模式下的規(guī)格。
結(jié)論
Mini-Circuits 開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)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(yīng)用。希望您現(xiàn)在對(duì)關(guān)機(jī)和旁路功能、這些功能之間的差異以及可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)級(jí)別利用每個(gè)功能的應(yīng)用程序有了更好的了解。