【導(dǎo)讀】包含高度集成和高度復(fù)雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的系統(tǒng)，如脈沖雷達(dá)應(yīng)用，對(duì)于當(dāng)今的數(shù)字控制和管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，以跟上這些不斷增長(zhǎng)的水平、復(fù)雜。
包含高度集成和高度復(fù)雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的系統(tǒng)，如脈沖雷達(dá)應(yīng)用，對(duì)于當(dāng)今的數(shù)字控制和管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，以跟上這些不斷增長(zhǎng)的水平、復(fù)雜。為了在這個(gè)市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)，今天的控制系統(tǒng)必須非常靈活，可重復(fù)使用，并且能夠輕松適應(yīng)各種RF放大器架構(gòu)，這些架構(gòu)可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求進(jìn)行定制。
這些復(fù)雜的管理系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)新的補(bǔ)償算法，內(nèi)置測(cè)試（BIT）功能，本地和遠(yuǎn)程通信接口，關(guān)鍵系統(tǒng)性能參數(shù)和環(huán)境條件的監(jiān)控以及系統(tǒng)故障保護(hù)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性增加是由于對(duì)基于半導(dǎo)體的RF系統(tǒng)的更高功率的需求。
這些高功率系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱量，這會(huì)對(duì)放大器性能和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）產(chǎn)生影響。這些系統(tǒng)所需的RF放大器MMIC是昂貴的高功率器件。因此，客戶希望實(shí)時(shí)監(jiān)控GaN PA系統(tǒng)的性能和溫度。這允許在損壞之前檢測(cè)即將發(fā)生的問題，以便他們可以采取必要的措施來(lái)防止它。通過適當(dāng)?shù)目刂齐娮釉O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可以非常靈活，可以與任何RF放大器架構(gòu)一起使用。數(shù)字電子產(chǎn)品可根據(jù)客戶需求量身定制。數(shù)字設(shè)計(jì)可以包括內(nèi)置保護(hù)邏輯，以在接近損壞閾值時(shí)禁用GaN RF放大器。這些關(guān)鍵特性對(duì)于在寬帶寬和溫度范圍內(nèi)優(yōu)化RF性能的需求起著至關(guān)重要的作用。它們有助于實(shí)現(xiàn)高水平的可測(cè)試性，可維護(hù)性，易于系統(tǒng)集成和校準(zhǔn)，從而提供技術(shù)差異化。
今天的半導(dǎo)體RF放大器的復(fù)雜性和輸出功率不斷增加。為了優(yōu)化性能，管理電源排序，提供故障檢測(cè)，并提供放大器系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)，可以使用可重新編程的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和/或微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電子器件。可重編程解決方案提供了當(dāng)今高級(jí)RF放大器子系統(tǒng)開發(fā)所需的靈活性。可重編程性最大限度地降低了電路板重新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，并且由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致延遲計(jì)劃。這些放大器系統(tǒng)具有相似但不同的要求，這些要求取決于應(yīng)用。數(shù)字控制電子架構(gòu)專為滿足應(yīng)用要求而定制，通常包括：
數(shù)字控制器
非易失性存儲(chǔ)器
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）
數(shù)字輸入/輸出（I / O）
直流電源調(diào)節(jié)
通訊接口
各種模擬傳感器
重用硬件和軟件是快速有效地開發(fā)設(shè)計(jì)變體的關(guān)鍵。這些功能減少了工廠測(cè)試和校準(zhǔn)的時(shí)間，并提供了一個(gè)重要的診斷工具，有助于調(diào)試系統(tǒng)問題。
圖1.典型的GaN PA控制系統(tǒng)。
用于射頻放大器的控制系統(tǒng)中的FPGA
ADI RF放大器的大多數(shù)控制系統(tǒng)都使用了FPGA。這些器件用途廣泛，可包括內(nèi)部軟核或嵌入式處理器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行功能，這些功能可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。因此，F(xiàn)PGA能夠快速響應(yīng)命令和關(guān)鍵電路條件，以保護(hù)RF電子器件。邏輯功能和算法通常以諸如Verilog或VHDL的硬件描述語(yǔ)言（HDL）來(lái)實(shí)現(xiàn)。邏輯功能的執(zhí)行由FPGA內(nèi)的狀態(tài)機(jī)邏輯控制。狀態(tài)機(jī)控制基于輸入和輸出條件執(zhí)行的操作序列。
放大器性能的優(yōu)化
為了優(yōu)化放大器性能，必須設(shè)置柵極電壓，以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中實(shí)現(xiàn)放大器指定的電源電流。使用DAC調(diào)節(jié)柵極電壓，同時(shí)使用ADC監(jiān)控功率放大器的電源電流。這些功能提供了快速校準(zhǔn)RF放大器柵極電壓的能力，而無(wú)需探測(cè)或修改RF電子器件。增強(qiáng)的電源排序，電源管理，電源監(jiān)控：FPGA設(shè)計(jì)可用于對(duì)電壓調(diào)節(jié)器和RF放大器進(jìn)行排序，以最大限度地降低上電電流，并監(jiān)控和檢測(cè)放大器和電源故障。FPGA可以通過基于故障狀況的檢測(cè)來(lái)關(guān)閉系統(tǒng)組件來(lái)采取保護(hù)措施，或者通過控制接口將狀態(tài)報(bào)告給計(jì)算機(jī)。
溫度監(jiān)控，熱管理
溫度是高功率放大器系統(tǒng)中RF性能的關(guān)鍵因素。通過監(jiān)控溫度，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)在溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償放大器的算法。此外，通過溫度監(jiān)控，F(xiàn)PGA可用于控制冷卻系統(tǒng)，如風(fēng)扇速度，以最大限度地降低性能下降。該邏輯可以檢測(cè)潛在的破壞性熱條件并采取適當(dāng)?shù)拇胧?/div>
數(shù)字和模擬I / O：FPGA可以控制RF開關(guān)，移相器，數(shù)字衰減器和電壓可變衰減器（模擬衰減器IC）。幾乎所有模擬傳感器信號(hào)都可以通過ADC與FPGA連接。只要感興趣的信息可以被置于數(shù)字格式并連接到FPGA，就可以監(jiān)視和/或?qū)⒏信d趣的信息或信號(hào)應(yīng)用于算法以進(jìn)行處理。
控制，計(jì)算機(jī)接口，圖形用戶界面（GUI）
這些可能是管理系統(tǒng)最重要的方面，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松訪問放大器系統(tǒng)提供的所有控制，傳感器和診斷數(shù)據(jù)?？梢蚤_發(fā)GUI以將所有控制和狀態(tài)信息格式化為易于使用的人機(jī)界面?？梢蚤_發(fā)軟件腳本以在整個(gè)系統(tǒng)集成和最終測(cè)試中促進(jìn)極高的生產(chǎn)測(cè)試覆蓋率，校準(zhǔn)和故障分析。測(cè)試數(shù)據(jù)可以寫入計(jì)算機(jī)文件或從計(jì)算機(jī)文件中讀取，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到NVRAM中，以便在運(yùn)行期間用作補(bǔ)償算法的變量。除了工廠使用之外，這個(gè)功能強(qiáng)大的界面工具可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，以監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，確定系統(tǒng)根本原因故障，并提供簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)控制軟件。
GaN RF功率放大器用于連續(xù)波（CW）模式和脈沖模式應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，脈沖操作更具挑戰(zhàn)性，因此這是本次討論的重點(diǎn)。脈沖RF可以用于通信，醫(yī)療和雷達(dá)應(yīng)用，僅舉幾個(gè)例子。脈沖操作具有降低散熱的優(yōu)點(diǎn)，有助于降低對(duì)冷卻方案的要求，并最大限度地降低系統(tǒng)外部直流電源要求。然而，增加的脈沖重復(fù)頻率（PRF）與更低的占空比和更快的建立時(shí)間要求相結(jié)合，繼續(xù)推動(dòng)最新技術(shù)的發(fā)展。我們針對(duì)這些苛刻要求的方法是利用數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)脈沖RF MMIC?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列通常用于根據(jù)系統(tǒng)要求使用柵極或漏極脈沖技術(shù)來(lái)啟用/禁用RF MMIC。FPGA與RF MMIC的控制接口通常包括將電源切換到MMIC漏極的電路，或者與柵極接口的某種形式的模擬或數(shù)字到模擬電路。根據(jù)開關(guān)速度和建立時(shí)間要求，當(dāng)脈沖MMIC時(shí)，可能需要電容器組本地存儲(chǔ)能量以實(shí)現(xiàn)最有效的直流偏置。
圖2和圖3顯示了可用于脈沖RF應(yīng)用的通用典型電路。FPGA提供脈沖信號(hào)的時(shí)序控制，并為RF MMIC提供同步狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)。FPGA可以接收單個(gè)脈沖信號(hào)并將其分配給一個(gè)或多個(gè)RF MMIC器件，同時(shí)保持緊密的時(shí)序關(guān)系。
在高功率脈沖應(yīng)用中柵極脈沖的好處是不需要高直流開關(guān)。然而，柵極脈沖可能因柵極電壓必須精確且控制良好以優(yōu)化RF性能而變得復(fù)雜。MMIC表征數(shù)據(jù)通常在單個(gè)靜態(tài)柵極偏置條件下執(zhí)行 - 其中MMIC性能最佳。MMIC通常不具有脈沖操作的特征。當(dāng)柵極電壓在夾斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換MMIC時(shí)，一些MMIC表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。漏極脈沖可能更寬容，并且可能需要更少的MMIC表征數(shù)據(jù)。必須仔細(xì)檢查每個(gè)脈沖應(yīng)用的要求，以確定最佳脈沖方法和電路。任何MMIC脈沖應(yīng)用，柵極或漏極脈沖，
圖2.典型的門控制方案。
圖3.典型的漏極開關(guān)方案。
總結(jié)
為了在這個(gè)市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)，今天的控制系統(tǒng)必須非常靈活，可重復(fù)使用，并且能夠輕松適應(yīng)各種RF放大器架構(gòu)，這些架構(gòu)可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制。它們可以包含內(nèi)置保護(hù)邏輯，以便在接近損壞閾值時(shí)禁用RF放大器，并在需要優(yōu)化寬帶寬和工作溫度下的RF性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。它們提供高水平的可測(cè)試性，可維護(hù)性，易于系統(tǒng)集成和校準(zhǔn) - 從而提供與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)差異，從而通過當(dāng)今的高功率放大器管理系統(tǒng)進(jìn)行有效創(chuàng)新。
在這些系統(tǒng)中實(shí)施的MMIC電源管理系統(tǒng)使ADI能夠通過允許ADI與我們的半導(dǎo)體客戶合作為其提供與其自身系統(tǒng)無(wú)縫集成的系統(tǒng)來(lái)提升堆棧。對(duì)這些類型的半導(dǎo)體RF放大器系統(tǒng)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。隨著這些系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，保護(hù)和控制這些系統(tǒng)所需的數(shù)字控制電子設(shè)備的復(fù)雜性也將繼續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)槲覀儗⒗^續(xù)在當(dāng)今的高功率GaN基放大器管理系統(tǒng)上進(jìn)行創(chuàng)新。
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