O propósito da análise do orzamento de RF é comprobar a resposta de frecuencia de banda ancha e o nivel de potencia de RF de diferentes puntos de proba no amplificador limitador. A análise debe completarse para corrixir a peor temperatura de funcionamento, a pendente de ganancia e o amplo rango de potencia de entrada de RF.
Entón, quen sabe que é a análise do orzamento de RF?
O deseño básico dun amplificador limitante cun rango dinámico limitante de 40 dB é unha fervenza de catro amplificadores de bloque de ganancia ou LNA. O deseño ideal emprega só un ou dous dispositivos amplificadores dedicados para reducir a variación de potencia a diferentes frecuencias e minimizar os requisitos de compensación térmica / inclinación. A figura 1 mostra o diagrama de bloques dos primeiros amplificadores limitantes iniciais antes da corrección de temperatura e a compensación de pendente.
Figura 1. Diagrama de bloques do anteproxecto
Primeiro vén un pequeno beneficio, recomenda unha técnica para completar o deseño do amplificador limitador de banda ancha:
1. Xestione o rango dinámico de potencia limitante e elimine as condicións de sobrecarga de RF
2. Optimizar o rendemento dentro do rango de temperatura
3. Finalmente, corrixa o arranque de potencia e aplane a pequena ganancia de sinal
4. Pode ser necesaria a última corrección menor, é dicir, despois de incorporar ao deseño a función de ecualización de frecuencia, reconsidere a compensación da temperatura
Límite de potencia
O principal problema co deseño preliminar mostrado na Figura 1 é que a medida que aumenta a potencia de entrada de RF, é probable que a sobrecarga de RF ocorra na fase de ganancia de saída. Cando a potencia de saída saturada de calquera etapa de ganancia supera a entrada máxima absoluta do seguinte amplificador na cola, producirase unha sobrecarga de RF. Ademais, o deseño é propenso a ondas relacionadas co VSWR e é probable que se produzan oscilacións debido á alta ganancia sen amortecer no pequeno paquete de RF.
Para evitar a sobrecarga de RF, eliminar os efectos VSWR e reducir o risco de oscilación, pódese engadir un atenuador fixo entre cada etapa de ganancia para reducir potencia e ganancia. Tamén se pode requirir un absorbedor de RF na tapa de RF para eliminar oscilacións. É necesaria unha atenuación suficiente para reducir a potencia máxima de entrada de cada etapa de ganancia por debaixo do nivel de potencia nominal de entrada do MMIC. Debe incluírse unha atenuación suficiente para acomodar a marxe superior de potencia de entrada, para acomodar os cambios de temperatura e as diferenzas entre dispositivos. A figura 2 mostra onde se precisa o atenuador de RF na cadea de amplificación limitadora.
Figura 2. Diagrama de bloques de corrección de sobrecarga de RF
O amplificador limitador de banda ancha ADI HMC7891 usa catro etapas de ganancia HMC462 para permitir que o alcance operativo alcance os 10 dBm. A potencia máxima de entrada absoluta é de 15 dBm. Cada etapa de ganancia pode tolerar unha entrada de RF máxima de 18 dBm. Seguindo os pasos de deseño descritos no parágrafo anterior, engadiuse un atenuador entre as dúas fases de ganancia para asegurar que o nivel máximo de potencia de entrada do amplificador non supere os 17 dBm. A figura 3 mostra o nivel máximo de potencia na entrada de cada etapa de ganancia cando se engade un atenuador fixo ao deseño.
Figura 3. Simulación da relación entre POUT e frecuencia, corrección de overdrive de RF
O deseño está compensado térmicamente para ampliar o rango de temperatura de funcionamento. O requisito xeral do rango térmico para aplicacións limitadoras de amplificadores é de -40 ° C a + 85 ° C. Baseado na experiencia, a fórmula de cambio de ganancia de 0.01 dB / ° / nivel pode usarse para estimar o cambio de ganancia dun deseño de amplificador de catro niveis. A ganancia aumenta a medida que a temperatura diminúe e viceversa. Usando a ganancia ambiental como liña base, espérase que a ganancia total diminúa 2.4 dB a 85 ° C e aumente 2.6 dB a –40 ° C.
Para compensar termicamente o deseño, pódese inserir un atenuador variable de temperatura Thermopad® dispoñible no comercio para substituír o atenuador fixo. A Figura 4 mostra os resultados das probas dun atenuador Thermopad de banda ancha dispoñible no mercado. Baseado nos datos da proba Thermopad e os cambios de ganancia estimados, é obvio que son necesarios dous atenuadores Thermopad para compensar termicamente o deseño do amplificador limitador de catro etapas.
Figura 4. Perda do Thermopad pola temperatura
Decidir onde inserir o Thermopad é unha decisión importante. Debido a que a perda do atenuador Thermopad aumentará, especialmente en condicións de baixa temperatura, é unha boa práctica evitar engadir compoñentes próximos ao extremo de saída da cadea RF para manter un nivel de potencia de saída límite elevado. A situación ideal para o Thermopad está entre os tres primeiros pasos do amplificador, que é a situación resaltada na figura 5.
Figura 5. Diagrama de bloques de compensación térmica
O resultado da simulación do rendemento do sinal pequeno HMC7891 de compensación térmica de ADI móstrase na figura 6. Antes da igualación de frecuencia, o cambio de ganancia redúcese a un máximo de 2.5 dB. Isto está dentro do rango requirido de cambio de ganancia de ± 1.5 dB.
Figura 6. HMC7891 simulou unha pequena ganancia de sinal sobre a temperatura
Igualación de frecuencia
Isto compensa a ganancia natural na maioría dos amplificadores de banda ancha. Hai varios deseños de ecualizadores, incluíndo chips MMIC pasivos GaAs. Os ecualizadores MMIC pasivos son de pequeno tamaño e non teñen requisitos de sinal CC e control, polo que son moi axeitados para limitar o deseño do amplificador. O número de ecualizadores de frecuencia necesarios depende da pendente de ganancia non compensada do amplificador limitador e da resposta do ecualizador seleccionado. Unha recomendación de deseño é compensar lixeiramente a resposta en frecuencia para compensar a perda da liña de transmisión e a perda do conector, así como os parasitos do paquete que teñen un maior impacto na ganancia a frecuencias máis altas. A figura 7 mostra os resultados das probas do ecualizador de frecuencia ADI GaAs personalizado.
Figura 7. Perda medida do ecualizador de frecuencia
O amplificador limitador HMC7891 de ADI require tres ecualizadores de frecuencia para corrixir a resposta de sinal pequena compensada térmicamente. A figura 8 mostra os resultados da simulación de HMC7891 despois da compensación térmica e a igualación de frecuencia. Decidir onde inserir o ecualizador é fundamental para un deseño exitoso. Antes de engadir ecualizadores, lembre que un amplificador limitador ideal debería distribuír uniformemente a compresión máxima do amplificador entre todas as etapas de ganancia para evitar unha saturación excesiva. Noutras palabras, no peor dos casos, cada MMIC debería comprimirse igualmente.
Figura 8. Igualación de frecuencia de simulación HMC7891 pequena ganancia de sinal sobre a temperatura
Na fase de deseño actual mostrada na Figura 5, pódese engadir un ecualizador conectado en serie co atenuador Thermopad na entrada do dispositivo para substituír o atenuador fixo na saída do dispositivo. Por que fixeches isto? Catro razóns
1. Engadir un ecualizador á entrada do amplificador limitador reducirá a potencia da primeira etapa de ganancia. Polo tanto, a compresión do nivel 1 redúcese. A redución da compresión da etapa de ganancia é equivalente á redución do rango dinámico limitante. Ademais, debido á inclinación de atenuación do ecualizador, o rango dinámico limitante está disperso no rango de frecuencia. Canto menor sexa a frecuencia, máis se reduce o rango dinámico. Para compensar o rango dinámico limitante reducido, hai que aumentar a potencia de entrada de RF. Non obstante, debido á inclinación do ecualizador, un aumento desigual da potencia de entrada aumentará o risco de sobrecarga da etapa de ganancia do amplificador. É posible engadir un ecualizador á entrada do dispositivo, pero este non é o lugar ideal.
2. Engadir un ecualizador conectado en serie con Thermopad reducirá a compresión dos amplificadores posteriores. Isto producirá unha distribución desigual da compresión do amplificador entre as etapas de ganancia, reducindo o rango dinámico limitante xeral. Non se recomenda conectar o ecualizador en serie co atenuador Thermopad.
3. Usar un ou máis ecualizadores no canto de atenuadores fixos só cambiará o nivel de compresión do amplificador de etapa de saída. Para minimizar esta variación e evitar a sobrecarga de RF, a perda do ecualizador debería ser aproximadamente igual ao valor de atenuación fixo eliminado do sistema. Ademais, como se mencionou anteriormente, engadir un ecualizador antes da etapa de ganancia producirá unha dispersión do rango dinámico e da frecuencia limitantes. Para minimizar este efecto, substitúa o menor número posible de ecualizadores.
4. O ecualizador pódese engadir á saída do dispositivo. A igualación de saída reducirá a potencia de saída, pero non producirá unha dispersión limitada do rango dinámico. A igualación de saída produce unha inclinación de potencia de saída lixeiramente positiva, pero esta inclinación compénsase por perdas de embalaxe e conectores de alta frecuencia.
O deseño do amplificador limitador de catro etapas acabado móstrase na Figura 9.
Figura 9. Diagrama de bloques de igualación de frecuencia
A figura 10 mostra os resultados da simulación de potencia e temperatura de saída de ADI HMC7891. O deseño final alcanzou un rango dinámico limitante de 40 dB. En todas as condicións de funcionamento, o cambio de potencia de saída no peor dos casos simulado foi de 3 dB.
Figura 10. A relación entre PSAT simulado de HMC7891 e frecuencia dentro do rango de temperatura
