【導讀】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(ci)特(te)性(xing)使(shi)得(de)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)在(zai)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)以(yi)高(gao)增(zeng)益(yi)運(yun)行(xing)。然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)柵(zha)極(ji)和(he)漏(lou)極(ji)偏(pian)置(zhi)時(shi)序(xu)不(bu)正(zheng)確(que)，漏(lou)極(ji)溝(gou)道(dao)的(de)高(gao)電(dian)導(dao)率(lv)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)燒(shao)毀(hui)。本(ben)文(wen)探(tan)討(tao)耗(hao)盡(jin)型(xing)pHEMT射頻(RF)放大器的工作原理以及如何對其有效偏置。耗盡型場效應晶體管(FET)需要負柵極電壓，並且必須小心控製開啟/關斷的時序。文中將介紹並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放大器的簡化框圖。流經器件的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。主電源電壓通過電感施加到FET晶體管的漏極。

圖1.耗盡型RF放大器的簡化架構。

耗盡型器件的一個重要特性是，當柵極電壓等於0 V時
，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，該電壓通過片上電感施加。

zhezhongpianzhifangfadeyigequedianshi，lianggedianyuanbunengtongshikaiqi。zaizhajipianzhidianyazhiqianshijialoujipianzhidianyahuidaozhiloujidianliuturanzengjia，congerhenkuaishaohuiqijian。yinci
，bixushouxianshijiafuzhajipianzhidianyalaijiaduangoudao。kaiqiheguanbifangdaqishi，yingshiyongbiao1中的步驟。

表1.放大器步驟

實踐中可以跳過夾斷步驟。例如，如果知道正常工作的最終柵極電壓，那麼可以立即施加該電壓，而無需經過夾斷步驟。

固定柵極電壓偏置

圖2顯示了耗盡型RF放大器建立並維持固定柵極電壓的電源管理電路。它使用開關穩壓器
、低壓差(LDO)穩壓器和負載開關來產生漏極電壓。柵極電壓由 ADP5600 產生，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序
，開關穩壓器的使能(EN)引腳與負電壓發生器的電源良好(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。

此電路的主要缺點是沒有考慮RF放大器V_GATE與I_DRAIN關係的器件間差異。漏極電流的器件間差異（假設柵極電壓固定）可能很大，導致每個電路具有不同的漏極電流。漏極電流差異通常會影響壓縮(OP1dB)和三階交調失真(OIP3)（增益也會受到影響
，但程度較小）。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，功耗也會較低，反之亦然。

有源偏置控製

有源偏置控製是另一種方法。此技術不是固定柵極電壓，而是固定漏極電流。圖3中，有源偏置控製器通過測量漏極電流並改變柵極電壓來調節漏極電流

，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 有源偏置控製器組成，後者可支持3 V至15 V的漏極電壓和高達500 mA的總漏極電流。

圖3.固定漏極電流偏置（有源偏置控製）。

HMC920內部的高電壓、高電流線性穩壓器（LDOCC引腳）可產生3 V至15 V的正電壓和高達500 mA的電流。其輸出通過內部MOSFET開關連接至V_DRAIN端口，用於控製電源時序。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，V_DRAIN是所需的漏極電壓值，I_DRAIN是所需的漏極電流。常數0.5是內部MOSFET開關的R_DS(ON)值。

內部電荷泵產生負電壓V_GATE。通過讀取R_SENSE處的電壓
，控製器檢測漏極電流並改變V_GATE處的電壓。要設置漏極電流，必須使用公式2改變R_SENSE（R4和R19）：

當通過施加電源電壓(V_DD)開啟HMC920時，會有一個信號發送至EN引腳以啟動控製環路。V_DRAIN最初會短接到地
，以強製將其設為零。同時
，V_GATE處的電壓最初會被拉低至最小電壓V_NEG。然後
，V_DRAIN將提高至設定的漏極電壓值。R_SENSE上將產生電壓降
，這會導致控製器改變柵極電壓。關斷期間
，會有一個邏輯低電平信號發送至EN引腳。V_GATE將降低至V_NEG以切斷放大器
，V_DRAIN處的電壓將降至零。V_GATE處的電壓最終將達到零。此周期遵循正確的電源時序

，以確保耗盡型放大器安全運行。它還具有過流和欠流報警
、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製器的其他安全機製。

該偏置控製器用作 ADL8106 寬帶低噪聲放大器的電源管理解決方案。ADL8106的工作頻率範圍為20 GHz至54 GHz，標稱漏極電壓為3 V，靜態漏極電流為120 mA。圖4和圖5顯示了相關的開啟和關斷波形。

圖4.開啟時的電源時序波形。一旦施加V_DD，EN變為高電平就表示控製環路啟動。首先開啟V_GATE，然後開啟V_DRAIN。

圖5.關斷時的電源時序波形。當V_DD被移除時，EN變為低電平。V_GATE將再次降至最小電壓V_NEG，V_DRAIN將降至零。然後，V_GATE最終將達到零。

噪聲和雜散抑製

RF放大器RF輸出端的雜散和噪聲水平將取決於HMC920的輸出噪聲和雜散，以及放大器的電源調製比(PSMR)。圖6顯示了開關穩壓器(LT8608)輸入端以及V_DRAIN和V_GATE輸出端口的PSRR曲線。圖7和圖8顯示了V_GATE和V_DRAIN電壓的輸出頻譜。基於ADL8106的PSMR

，這zhe些xie圖tu中zhong還hai包bao含han了le顯xian示shi最zui大da允yun許xu輸shu出chu噪zao聲sheng和he雜za散san的de跡ji線xian。電dian源yuan管guan理li電dian路lu的de輸shu出chu噪zao聲sheng和he雜za散san必bi須xu低di於yu這zhe些xie水shui平ping，以yi確que保bao放fang大da器qi的de性xing能neng不bu會hui因yin電dian源yuan管guan理li電dian路lu而er降jiang低di。有you關guan該gai參can數shu的de理li論lun、測量和計算的更深入解釋
，請參閱 優化信號鏈的電源係統 係列文章。

圖6.LT8608 + HMC920的電源電壓抑製比（V_DD = 5 V，V_DRAIN = 3 V，IDQ = 120 mA，V_GATE = –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V_DRAIN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

在前麵的示例中，HMC920的內部負電壓發生器用於生成負柵極電壓。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）用作產生柵極電壓的負電源。與使用內部負電壓發生器相比，其結果是噪聲係數略低且增益略高。

圖9.外部V_NEG模式下的ADL8106和HMC920框圖。

圖10.使用HMC920的ADL8106在內部負電壓發生器模式和外部負電壓發生器模式下的噪聲係數。

圖11.使用HMC920的ADL8106在內部負電壓發生器模式和外部負電壓發生器模式下的增益。

該模式下的實際噪聲性能仍然取決於所用外部負電壓發生器所產生的輸出噪聲。從圖7和圖8中可以看出，在外部V_NEG模式下使用HMC920也會產生噪聲雜散，這些雜散仍低於最大允許電壓紋波限值。要利用此模式，必須將V_NEGFB引腳短接至地以禁用負電壓發生器的反饋控製。對於增強型放大器（正柵極電壓）
，V_NEGFB和V_GATEFB引腳都必須接地。

結語

耗盡型GaAs放大器因其寬帶寬和高動態範圍而廣泛用於RF應(ying)用(yong)。但(dan)是(shi)，此(ci)類(lei)放(fang)大(da)器(qi)需(xu)要(yao)負(fu)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)，並(bing)且(qie)必(bi)須(xu)小(xiao)心(xin)控(kong)製(zhi)其(qi)電(dian)源(yuan)時(shi)序(xu)。可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)固(gu)定(ding)的(de)負(fu)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)來(lai)偏(pian)置(zhi)這(zhe)種(zhong)放(fang)大(da)器(qi)。其(qi)好(hao)處(chu)是(shi)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)是(shi)動(dong)態(tai)的(de)，隨(sui)著(zhe)RF輸出電平而變化。本文介紹的電路使用固定漏極電流，產生低噪聲漏極和柵極電壓並安全控製其時序
，這些電壓不會降低RFfangdaqideedingxingneng。zheyangqijianjiandexingnengchayihuigengxiao，yinweimeigeqijiandouyixiangtongdeloujidianliuyunxing。raner，zhezhongfangfadeyigequedianshiloujidianliushigudingde
，busuiRF功gong率lv水shui平ping而er變bian化hua。在zai決jue定ding固gu定ding漏lou極ji電dian流liu水shui平ping時shi應ying謹jin慎shen考kao慮lv，它ta必bi須xu足zu夠gou高gao才cai能neng支zhi持chi所suo需xu的de最zui大da輸shu出chu功gong率lv水shui平ping，但dan又you不bu能neng過guo高gao以yi至zhi於yu導dao致zhi電dian流liu浪lang費fei。雖sui然ran可ke以yi使shi用yong外wai部bu負fu電dian源yuan代dai替tiHMC920的內部負電壓發生器，但對噪聲的改善作用微乎其微。

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