RF 예산 분석이란 무엇입니까?

RF 예산 분석의 목적은 제한 증폭기에서 서로 다른 테스트 포인트의 광대역 주파수 응답 및 RF 전력 레벨을 확인하는 것입니다. 최악의 작동 온도, 이득 기울기 및 넓은 RF 입력 전력 범위를 수정하려면 분석을 완료해야합니다.

그렇다면 RF 예산 분석이 무엇인지 누가 압니까?

40dB 제한 동적 범위를 갖는 제한 증폭기의 기본 레이아웃은 1 개의 이득 블록 증폭기 또는 LNA의 캐스케이드입니다. 이상적인 설계는 하나 또는 두 개의 전용 증폭기 장치 만 사용하여 서로 다른 주파수에서 전력 변동을 줄이고 열 / 기울기 보상 요구 사항을 최소화합니다. 그림 XNUMX은 온도 보정 및 기울기 보상 이전의 첫 번째 초기 제한 증폭기의 블록 다이어그램을 보여줍니다.

그림 1. 예비 설계의 블록 다이어그램
먼저 작은 이점이 있습니다. 광대역 제한 증폭기 설계를 완료하는 기술을 권장합니다.
1. 제한 전력 동적 범위를 관리하고 RF 오버 드라이브 조건을 제거합니다.
2. 온도 범위 내에서 성능 최적화
3. 마지막으로 전원 롤오프를 수정하고 작은 신호 이득을 평평하게합니다.
4. 마지막 사소한 수정이 필요할 수 있습니다. 즉, 주파수 균등화 기능이 설계에 통합 된 후 온도 보상을 재고합니다.
전력 한도
그림 1에 표시된 예비 설계의 주요 문제점은 RF 입력 전력이 증가함에 따라 RF 오버 드라이브가 출력 이득 단계에서 발생할 가능성이 높다는 것입니다. 이득 단계의 포화 출력 전력이 대기열에있는 다음 증폭기의 절대 최대 입력을 초과하면 RF 오버 드라이브가 발생합니다. 또한이 설계는 VSWR 관련 리플이 발생하기 쉬우 며 소형 RF 패키지의 높은 비 감쇠 이득으로 인해 진동이 발생할 가능성이 높습니다.
RF 오버 드라이브를 방지하고 VSWR 효과를 제거하며 발진 위험을 줄이기 위해 각 이득 단계 사이에 고정 감쇠기를 추가하여 전력과 이득을 줄일 수 있습니다. 진동을 제거하기 위해 RF 커버에 RF 흡수기가 필요할 수도 있습니다. MMIC의 정격 입력 전력 레벨 아래로 각 이득 단계의 최대 입력 전력을 줄이기 위해서는 충분한 감쇠가 필요합니다. 온도 변화와 장치 간의 차이를 수용하려면 상위 입력 전력 마진을 수용 할 수 있도록 충분한 감쇠를 포함해야합니다. 그림 2는 제한 증폭기 체인에서 RF 감쇠기가 필요한 위치를 보여줍니다.

그림 2. RF 오버 드라이브 보정 블록 다이어그램
ADI의 광대역 제한 증폭기 HMC7891은 462 개의 HMC10 이득 단계를 사용하여 작동 범위가 15dBm에 도달 할 수 있도록합니다. 절대 최대 입력 전력은 18dBm입니다. 각 이득 단계는 17dBm의 최대 RF 입력을 허용 할 수 있습니다. 이전 단락에 설명 된 설계 단계에 따라 최대 증폭기 입력 전력 레벨이 3dBm을 초과하지 않도록 두 게인 단계 사이에 감쇠기가 추가되었습니다. 그림 XNUMX은 고정 감쇠기가 설계에 추가 될 때 각 이득 단계의 입력에서 최대 전력 레벨을 보여줍니다.

그림 3. POUT과 주파수 간의 관계 시뮬레이션, RF 오버 드라이브 보정

설계는 작동 온도 범위를 확장하기 위해 열적으로 보상됩니다. 증폭기 애플리케이션을 제한하기위한 일반적인 열 범위 요구 사항은 -40 ° C ~ + 85 ° C입니다. 경험을 바탕으로 0.01dB / ° / 레벨의 게인 변경 공식을 사용하여 2.4 레벨 증폭기 설계의 게인 변경을 추정 할 수 있습니다. 온도가 낮아지면 이득이 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 주변 이득을 기준으로 사용하면 총 이득은 85 ° C에서 2.6dB 감소하고 –40 ° C에서 XNUMXdB 증가 할 것으로 예상됩니다.
설계를 열적으로 보상하기 위해 시중에서 판매되는 Thermopad® 온도 가변 감쇠기를 삽입하여 고정 감쇠기를 대체 할 수 있습니다. 그림 4는 상용 광대역 Thermopad 감쇠기의 테스트 결과를 보여줍니다. Thermopad 테스트 데이터와 추정 된 이득 변화에 따르면 XNUMX 단계 제한 증폭기 설계를 열적으로 보상하려면 XNUMX 개의 Thermopad 감쇠기가 필요합니다.

그림 4. 온도에 따른 써모 패드 손실
Thermopad를 삽입 할 위치를 결정하는 것은 중요한 결정입니다. 특히 저온 조건에서 Thermopad 감쇠기의 손실이 증가하기 때문에 높은 제한 출력 전력 수준을 유지하기 위해 RF 체인의 출력 끝에 가까운 부품을 추가하지 않는 것이 좋습니다. Thermopad의 이상적인 위치는 그림 5에서 강조 표시된 처음 XNUMX 개의 증폭기 단계 사이입니다.

그림 5. 열 보상 블록 다이어그램
ADI의 열 보상 HMC7891 소형 신호 성능의 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 주파수 등화 전에 이득 변화는 최대 2.5dB로 감소합니다. 이는 필요한 ± 1.5dB 게인 변경 범위 내에 있습니다.

그림 6. 온도에 따른 HMC7891 시뮬레이션 소 신호 이득
주파수 균등화
이것은 대부분의 광대역 증폭기에서 자연스러운 이득 롤오프를 보상합니다. 패시브 GaAs MMIC 칩을 포함하여 다양한 이퀄라이저 디자인이 있습니다. 패시브 MMIC 이퀄라이저는 크기가 작고 DC 및 제어 신호 요구 사항이 없으므로 증폭기 설계를 제한하는 데 매우 적합합니다. 필요한 주파수 이퀄라이저의 수는 제한 증폭기의 보상되지 않은 이득 슬로프와 선택한 이퀄라이저의 응답에 따라 다릅니다. 설계 권장 사항은 전송 라인 손실 및 커넥터 손실을 오프셋하고 더 높은 주파수에서 이득에 더 큰 영향을 미치는 패키지 기생에 대한 주파수 응답을 약간 과도하게 보정하는 것입니다. 그림 7은 맞춤형 ADI GaAs 주파수 이퀄라이저의 테스트 결과를 보여줍니다.

그림 7. 측정 된 주파수 이퀄라이저 손실
ADI의 HMC7891 제한 증폭기는 열적으로 보상 된 작은 신호 응답을 수정하기 위해 8 개의 주파수 이퀄라이저가 필요합니다. 그림 7891은 열 보상 및 주파수 균등화 후 HMCXNUMX의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 이퀄라이저를 삽입 할 위치를 결정하는 것은 성공적인 설계에 매우 중요합니다. 이퀄라이저를 추가하기 전에 이상적인 제한 증폭기는 과도한 포화를 방지하기 위해 모든 이득 단계간에 최대 증폭기 압축을 고르게 분배해야합니다. 즉, 최악의 경우 각 MMIC가 동일하게 압축되어야합니다.

그림 8. HMC7891 시뮬레이션 주파수 등화 온도에 따른 작은 신호 이득
그림 5에 표시된 현재 설계 단계에서 Thermopad 감쇠기와 직렬로 연결된 이퀄라이저를 장치 입력에 추가하여 장치 출력의 고정 감쇠기를 대체 할 수 있습니다. 왜이 짓을 했나요? 네 가지 이유
1. 제한 증폭기의 입력에 이퀄라이저를 추가하면 첫 번째 게인 단계의 전력이 감소합니다. 따라서 레벨 1의 압축이 감소합니다. 게인 스테이지 압축의 감소는 동적 범위 제한의 감소와 동일합니다. 또한 이퀄라이저의 감쇠 기울기로 인해 제한 동적 범위가 주파수 범위에 분산됩니다. 주파수가 낮을수록 다이나믹 레인지가 더 많이 감소합니다. 감소 된 제한 동적 범위를 보상하려면 RF 입력 전력을 높여야합니다. 그러나 이퀄라이저의 기울기로 인해 입력 전력이 고르지 않게 증가하면 증폭기 이득 단계의 오버 드라이브 위험이 높아집니다. 장치의 입력에 이퀄라이저를 추가 할 수 있지만 이상적인 위치는 아닙니다.
2. Thermopad와 직렬로 연결된 이퀄라이저를 추가하면 후속 앰프의 압축이 감소합니다. 이로 인해 게인 단계간에 증폭기 압축이 고르지 않게 분포되어 전체적인 제한 동적 범위가 감소합니다. 이퀄라이저를 Thermopad 감쇠기와 직렬로 연결하지 않는 것이 좋습니다.
3. 고정 감쇠기 대신 하나 이상의 이퀄라이저를 사용하면 출력 스테이지 앰프의 압축 레벨 만 변경됩니다. 이 변동을 최소화하고 RF 오버 드라이브를 방지하려면 이퀄라이저 손실이 시스템에서 제거 된 고정 감쇠 값과 거의 같아야합니다. 또한 위에서 언급했듯이 이득 단계 전에 이퀄라이저를 추가하면 제한된 동적 범위와 주파수가 분산됩니다. 이 효과를 최소화하려면 가능한 적은 수의 이퀄라이저를 교체하십시오.
4. 장치의 출력에 이퀄라이저를 추가 할 수 있습니다. 출력 이퀄라이제이션은 출력 전력을 줄이지 만 동적 범위 분산을 제한하지는 않습니다. 출력 균등화는 약간 양의 출력 전력 기울기를 생성하지만이 기울기는 고주파 패키징 및 커넥터 손실로 인해 상쇄됩니다.
완성 된 9 단계 제한 증폭기 레이아웃은 그림 XNUMX에 나와 있습니다.