作者：Gweneivere Lasay，產(chǎn)品應用工程師

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(kāi)關(guān)頻率下以高增益運行。然而，如果柵極和漏極偏置時(shí)序不正確，漏極溝道的高電導率可能會(huì )導致器件燒毀。本文探討耗盡型pHEMT射頻(RF)放大器的工作原理以及如何對其有效偏置。耗盡型場(chǎng)效應晶體管(FET)需要負柵極電壓，并且必須小心控制開(kāi)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。我們還將仔細研究這些偏置電路的噪聲和雜散對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信號路徑是從柵極到漏極，交流耦合電容將RF信號與漏極和柵極上的直流偏置電壓去耦。主電源電壓通過(guò)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。

耗盡型器件的一個(gè)重要特性是，當柵極電壓等于0 V時(shí)，漏源電阻接近0 Ω。因此，要操作這種器件，必須對柵極施加負電壓。在圖1中，該電壓通過(guò)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(kāi)啟。在柵極偏置電壓之前施加漏極偏置電壓會(huì )導致漏極電流突然增加，從而很快燒毀器件。因此，必須首先施加負柵極偏置電壓來(lái)夾斷溝道。開(kāi)啟和關(guān)閉放大器時(shí)，應使用表1中的步驟。

表1.放大器步驟

上電序列	關(guān)斷序列
1.向柵極施加負電壓以將柵極置于夾斷模式。	1.去除RF信號。
2.向漏極施加正電壓。	2.降低柵極電壓（負電壓更大）以?shī)A斷柵極。
3.增加柵極電壓以實(shí)現靜態(tài)電流。	3.將漏極電壓減小至0 V。
4.施加RF信號。	4.將柵極電壓增加至0 V。

實(shí)踐中可以跳過(guò)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(wú)需經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)穩壓器、低壓差(LDO)穩壓器和負載開(kāi)關(guān)來(lái)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穩壓器。漏極電流由負電壓LDO穩壓器的反饋電阻設置。為確保安全的電源時(shí)序，開(kāi)關(guān)穩壓器的使能(EN)引腳與負電壓發(fā)生器的電源良好(PGOOD)信號相連。這確保了負柵極電壓始終出現在漏極電壓之前。

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(méi)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（假設柵極電壓固定）可能很大，導致每個(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)和三階交調失真(OIP3)（增益也會(huì )受到影響，但程度較?。?。這種方法的好處之一是漏極電流將根據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(guò)測量漏極電流并改變柵極電壓來(lái)調節漏極電流，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500 mA的總漏極電流。

HMC920內部的高電壓、高電流線(xiàn)性穩壓器（LDOCC引腳）可產(chǎn)生3 V至15 V的正電壓和高達500 mA的電流。其輸出通過(guò)內部MOSFET開(kāi)關(guān)連接至VDRAIN端口，用于控制電源時(shí)序。為了設置功率放大器所需的漏極電壓，必須使用公式1調整LDO穩壓器的反饋電阻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0.5是內部MOSFET開(kāi)關(guān)的RDS(ON)值。

內部電荷泵產(chǎn)生負電壓VGATE。通過(guò)讀取RSENSE處的電壓，控制器檢測漏極電流并改變VGATE處的電壓。要設置漏極電流，必須使用公式2改變RSENSE（R4和R19）：

當通過(guò)施加電源電壓(VDD)開(kāi)啟HMC920時(shí)，會(huì )有一個(gè)信號發(fā)送至EN引腳以啟動(dòng)控制環(huán)路。VDRAIN最初會(huì )短接到地，以強制將其設為零。同時(shí)，VGATE處的電壓最初會(huì )被拉低至最小電壓VNEG。然后，VDRAIN將提高至設定的漏極電壓值。RSENSE上將產(chǎn)生電壓降，這會(huì )導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行。它還具有過(guò)流和欠流報警、短路保護、功率折返等安全特性。HMC920數據手冊中詳細解釋了該偏置控制器的其他安全機制。

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，標稱(chēng)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(kāi)啟和關(guān)斷波形。

圖4.開(kāi)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(kāi)啟VGATE，然后開(kāi)啟VDRAIN。

圖5.關(guān)斷時(shí)的電源時(shí)序波形。當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制比(PSMR)。圖6顯示了開(kāi)關(guān)穩壓器(LT8608)輸入端以及VDRAIN和V_GATE輸出端口的PSRR曲線(xiàn)。圖7和圖8顯示了VGATE和VDRAIN電壓的輸出頻譜?；贏(yíng)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(xiàn)。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)該參數的理論、測量和計算的更深入解釋?zhuān)垍㈤唭?yōu)化信號鏈的電源系統系列文章。

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。

使用外部負電源操作HMC920

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

圖9.外部VNEG模式下的ADL8106和HMC920框圖。

 

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

圖11.使用HMC920的ADL8106在內部負電壓發(fā)生器模式和外部負電壓發(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電壓發(fā)生器的反饋控制。對于增強型放大器（正柵極電壓），VNEGFB和VGATEFB引腳都必須接地。

結語(yǔ)

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應用。但是，此類(lèi)放大器需要負偏置電壓，并且必須小心控制其電源時(shí)序?？梢允褂霉潭ǖ呢摉艠O電壓來(lái)偏置這種放大器。其好處是電流消耗是動(dòng)態(tài)的，隨著(zhù)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，因為每個(gè)器件都以相同的漏極電流運行。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)應謹慎考慮，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(guò)高以至于導致電流浪費。雖然可以使用外部負電源代替HMC920的內部負電壓發(fā)生器，但對噪聲的改善作用微乎其微。

關(guān)于A(yíng)DI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Gweneivere Lasay 2017年畢業(yè)于馬普阿大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。她在功率半導體和SMPS設計領(lǐng)域擁有4年多的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗。她于2022年3月加入ADI公司，擔任射頻和高速電源連接部門(mén)的產(chǎn)品應用工程師。