一种利用有源偏置控制器偏置射频/微波放大器的最佳解决方案

射频(RF)和微波放大器在特定偏置条件下可提供最佳性能。偏置点所确定的静态电流会影响线性度和效率等关健性能指标。虽然某些放大器是自偏置，但许多器件需要外部偏置并使用多个电源，这些电源的时序需要加以适当控制以使器件安全工作。

本应用笔记概述了偏置时序控制要求和使用不同偏置条件的影响。本应用笔记还介绍了一种利用有源偏置控制器（如HMC980、HMC980LP4E、HMC981、HMC981LP3E、HMC920LP5E等）偏置射频/微波放大器的 最佳解决方案。

偏置放大器

电源时序控制

使用外部偏置放大器时，电源时序控制非常重要，原因如下：

● 不遵守正确的电源时序会影响器件的稳定性。超过击穿电压可能会导致器件立即失效。当超过边界条件的状况多次发生且系统承受压力时，长期可靠性会降低。此外，连续违反时序控制模式会损坏片内保护电路并产生长期损害，导致现场操作故障。

● 不仅在上电和掉电期间，而且在常规工作期间优化偏置电平，可以改善射频放大器的性能，具体情况取决于配置和应用要求。对于某些应用，可以改变放大器的射频性能以适应不同的现场情况。例如，在雨天可以提高输出功率以扩宽覆盖范围，在晴天可以降低输出功率。放大器的外部栅压控制可以实现这些功能。

ADI公司拥有各种各样的射频放大器。许多射频放大器是基于耗尽型高电子迁移率(pHEMT)技术。该工艺中使用的晶体管通常需要电源来为漏极引脚和栅极引脚供电。此静态漏极电流与栅极电压相关。典型场效应晶体管(FET)工艺的典型IV特性参见图1。

图1.典型FET工艺的典型IV特性

随着栅源电压(VGS)提高，更多电子进入沟道，产生更高的漏源电流(IDS)。

另外，随着漏源电压(VDS)提高，拉动电子的电场力会变得更大，因而漏源电流也会增大（在线性区间中）。

在实际放大器中，由于沟道长度调制等效应，可将这些放大器大致归为两类：自偏置放大器和外部偏置放大器。

自偏置放大器

自偏置放大器有一个内部电路用来设置适合工作的最佳偏置点。这些放大器通常最适合宽带低功耗应用。自偏置放大器的典型引脚排列参见图2。

图2.带多个偏置引脚的多级自偏置放大器的典型引脚排列

自偏置放大器虽然容易使用，但可能无法提供最佳性能，因为内部阻性偏置电路无法充分补偿批次、器件和温度差异。

外部偏置放大器

在特定偏置条件下，外部偏置放大器提供的性能往往高于自偏置放大器。放大器的静态漏极电流会影响功率压缩点、增益、噪声系数、交调产物和效率等参数。对于这些高性能外部偏置放大器，正确的电源时序控制对于确保器件以最佳性能安全工作至关重要。

图3显示了外部偏置放大器引脚和对应晶体管引脚的典型连接。图3中的引脚映射是放大器的简化示意图。

图3.外部偏置放大器的典型连接

此外，许多外部偏置放大器通过多级来满足增益、带宽和功率等要求。图4所示为多级外部偏置放大器HMC1131的典型框图。

图4.HMC1131多级外部偏置放大器

HMC1131偏置和时序控制要求

HMC1131是一款砷化镓(GaAs)、pHEMT单片微波集成电路(MMIC)中功率放大器。工作频率范围为24 GHz至35 GHz。该4级设计提供的典型性能为22 dB增益、23 dBm输出功率（1 dB压缩，即P1dB）和27 dBm饱和输出功率(PSAT)，对应的偏置条件为VDD = 5 V且IDQ = 225 mA，其中VDD为漏极偏置电压，IDQ为静态漏极电流。HMC1131数据手册中针对24 GHz至27 GHz频率范围的电气规格表给出了此信息。图4显示了HMC1131的引脚连接。

为了实现225 mA的目标静态漏极电流(IDQ)，应将栅极偏置引脚电压（VGG1和VGG2）设置在0 V到−2 V之间。要设置该负电压而不损坏放大器，上电和掉电期间应遵守建议的偏置序列。

下面是HMC1131上电期间的建议偏置序列：

1. 连接到地。
2. 将VGG1和VGG2设置为−2 V。
3. 将漏极电压偏置引脚VDD1至VDD4设置为5 V。
4. 提高VGG1和VGG2以实现225 mA的IDQ。
5. 施加射频信号。

下面是HMC1131掉电期间的建议偏置序列：

1. 关闭射频信号。
2. 降低VGG1和VGG2至−2 V以实现大约0 mA的IDQ。
3. 将VDD1至VDD4降低到0 V。
4. 将VGG1和VGG2提高到0 V。

当栅极电压(VGGx)为−2 V时，晶体管会被夹断。因此，IDQ典型值接近0。

一般而言，大多数外部偏置放大器的建议偏置序列是相似的。不同器件会有不同的IDQ、VDDx和VGGx值。为了关闭器件，GaAs器件的VGG一般设置为−2 V或−3 V，而对于氮化镓(GaN)放大器，该电压可能是−5