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Lo scopo dell'analisi del budget RF è controllare la risposta in frequenza a banda larga e il livello di potenza RF di diversi punti di test nell'amplificatore limitatore. L'analisi deve essere completata per correggere la temperatura operativa nel caso peggiore, la pendenza del guadagno e l'ampio intervallo di potenza di ingresso RF.
Quindi, chi sa cos'è l'analisi del budget RF?
Il layout di base di un amplificatore limitatore con una gamma dinamica limitante di 40 dB è una cascata di quattro amplificatori a blocco di guadagno o LNA. Il design ideale utilizza solo uno o due dispositivi amplificatori dedicati per ridurre la variazione di potenza a frequenze diverse e minimizzare i requisiti di compensazione termica / pendenza. La figura 1 mostra lo schema a blocchi dei primi amplificatori limitatori iniziali prima della correzione della temperatura e della compensazione della pendenza.
Figura 1. Schema a blocchi del progetto preliminare
Prima arriva un piccolo vantaggio, consiglia una tecnica per completare il progetto dell'amplificatore limitatore a banda larga:
1. Gestire la gamma dinamica di potenza limite ed eliminare le condizioni di overdrive RF
2. Ottimizzare le prestazioni entro l'intervallo di temperatura
3. Infine, correggere il roll-off di potenza e appiattire il guadagno del segnale piccolo
4. Potrebbe essere necessaria l'ultima correzione minore, ovvero, dopo che la funzione di equalizzazione della frequenza è stata incorporata nel progetto, riconsiderare la compensazione della temperatura
Limite di potenza
Il problema principale con il progetto preliminare mostrato nella Figura 1 è che all'aumentare della potenza di ingresso RF, è probabile che si verifichi un overdrive RF nella fase di guadagno in uscita. Quando la potenza di uscita satura di uno stadio di guadagno supera l'ingresso massimo assoluto dell'amplificatore successivo nella coda, si verificherà un overdrive RF. Inoltre, il design è soggetto a increspature correlate a VSWR ed è probabile che si verifichino oscillazioni a causa dell'elevato guadagno non smorzato nel piccolo pacchetto RF.
Per prevenire l'overdrive RF, eliminare gli effetti VSWR e ridurre il rischio di oscillazioni, è possibile aggiungere un attenuatore fisso tra ogni stadio di guadagno per ridurre potenza e guadagno. Può anche essere necessario un assorbitore RF sulla copertura RF per eliminare le oscillazioni. È necessaria un'attenuazione sufficiente per ridurre la potenza di ingresso massima di ogni stadio di guadagno al di sotto del livello di potenza di ingresso nominale dell'MMIC. È necessario includere un'attenuazione sufficiente per soddisfare il margine di potenza in ingresso superiore, per adattarsi alle variazioni di temperatura e alle differenze tra i dispositivi. La Figura 2 mostra dove è necessario l'attenuatore RF nella catena dell'amplificatore limitante.
Figura 2. Diagramma a blocchi della correzione dell'overdrive RF
L'amplificatore limitatore a banda larga HMC7891 di ADI utilizza quattro stadi di guadagno HMC462 per consentire alla gamma operativa di raggiungere i 10 dBm. La potenza di ingresso massima assoluta è di 15 dBm. Ogni stadio di guadagno può tollerare un ingresso RF massimo di 18 dBm. Seguendo le fasi di progettazione descritte nel paragrafo precedente, è stato aggiunto un attenuatore tra i due stadi di guadagno per garantire che il livello massimo di potenza in ingresso dell'amplificatore non superi i 17 dBm. La Figura 3 mostra il livello di potenza massimo all'ingresso di ogni stadio di guadagno quando un attenuatore fisso viene aggiunto al progetto.
Figura 3. Simulazione della relazione tra POUT e frequenza, correzione overdrive RF
Il design è compensato termicamente per espandere l'intervallo di temperatura di esercizio. Il requisito generale dell'intervallo termico per limitare le applicazioni dell'amplificatore è compreso tra -40 ° C e + 85 ° C. In base all'esperienza, la formula di modifica del guadagno di 0.01 dB / ° / livello può essere utilizzata per stimare la variazione del guadagno di un progetto di amplificatore a quattro livelli. Il guadagno aumenta al diminuire della temperatura e viceversa. Utilizzando il guadagno ambientale come base, si prevede che il guadagno totale diminuisca di 2.4 dB a 85 ° C e aumenti di 2.6 dB a –40 ° C.
Per compensare termicamente il progetto, è possibile inserire un attenuatore a temperatura variabile Thermopad® disponibile in commercio per sostituire l'attenuatore fisso. La Figura 4 mostra i risultati del test di un attenuatore Thermopad a banda larga disponibile in commercio. Sulla base dei dati del test Thermopad e delle variazioni di guadagno stimate, è ovvio che sono necessari due attenuatori Thermopad per compensare termicamente il progetto dell'amplificatore limitatore a quattro stadi.
Figura 4. Perdita di Thermopad rispetto alla temperatura
Decidere dove inserire il Thermopad è una decisione importante. Poiché la perdita dell'attenuatore Thermopad aumenterà, specialmente in condizioni di bassa temperatura, è buona norma evitare di aggiungere componenti vicino all'estremità di uscita della catena RF per mantenere un livello di potenza di uscita limite elevato. La posizione ideale per il Thermopad è tra i primi tre stadi dell'amplificatore, che è la posizione evidenziata nella Figura 5.
Figura 5. Diagramma a blocchi della compensazione termica
Il risultato della simulazione delle prestazioni del segnale piccolo HMC7891 della compensazione termica di ADI è mostrato nella Figura 6. Prima dell'equalizzazione della frequenza, la variazione del guadagno viene ridotta a un massimo di 2.5 dB. Ciò rientra nella gamma richiesta di variazione del guadagno di ± 1.5 dB.
Figura 6. HMC7891 ha simulato un piccolo guadagno del segnale rispetto alla temperatura
Equalizzazione della frequenza
Ciò compensa l'attenuazione naturale del guadagno nella maggior parte degli amplificatori a banda larga. Esistono vari modelli di equalizzatore, inclusi i chip MMIC GaAs passivi. Gli equalizzatori MMIC passivi sono di piccole dimensioni e non hanno requisiti di segnale CC e di controllo, quindi sono molto adatti per limitare il design dell'amplificatore. Il numero di equalizzatori di frequenza richiesti dipende dalla pendenza del guadagno non compensata dell'amplificatore limitatore e dalla risposta dell'equalizzatore selezionato. Una raccomandazione di progettazione è quella di compensare leggermente la risposta in frequenza per compensare la perdita della linea di trasmissione e la perdita del connettore, nonché i parassiti del pacchetto che hanno un impatto maggiore sul guadagno alle frequenze più alte. La Figura 7 mostra i risultati del test dell'equalizzatore di frequenza GaAs ADI personalizzato.
Figura 7. Perdita dell'equalizzatore di frequenza misurata
L'amplificatore limitatore HMC7891 di ADI richiede tre equalizzatori di frequenza per correggere la risposta del segnale piccolo compensata termicamente. La Figura 8 mostra i risultati della simulazione di HMC7891 dopo la compensazione termica e l'equalizzazione della frequenza. Decidere dove inserire l'equalizzatore è fondamentale per un progetto di successo. Prima di aggiungere qualsiasi equalizzatore, ricorda che un amplificatore limitatore ideale dovrebbe distribuire uniformemente la compressione massima dell'amplificatore tra tutti gli stadi di guadagno per evitare un'eccessiva saturazione. In altre parole, nel peggiore dei casi, ogni MMIC dovrebbe comprimersi allo stesso modo.
Figura 8. HMC7891 simulazione frequenza di equalizzazione piccolo guadagno del segnale sulla temperatura
Nell'attuale fase di progettazione mostrata in Figura 5, un equalizzatore collegato in serie con l'attenuatore Thermopad può essere aggiunto all'ingresso del dispositivo per sostituire l'attenuatore fisso all'uscita del dispositivo. Perché hai fatto questo? Quattro ragioni
1. L'aggiunta di un equalizzatore all'ingresso dell'amplificatore limitatore ridurrà la potenza del primo stadio di guadagno. Pertanto, la compressione del livello 1 è ridotta. La riduzione della compressione dello stadio di guadagno è equivalente alla riduzione della limitazione della gamma dinamica. Inoltre, a causa della pendenza di attenuazione dell'equalizzatore, la gamma dinamica di limitazione è dispersa nella gamma di frequenza. Più bassa è la frequenza, più si riduce la gamma dinamica. Per compensare la ridotta gamma dinamica limite, la potenza di ingresso RF deve essere aumentata. Tuttavia, a causa della pendenza dell'equalizzatore, un aumento non uniforme della potenza di ingresso aumenterà il rischio di overdrive dello stadio di guadagno dell'amplificatore. È possibile aggiungere un equalizzatore all'ingresso del dispositivo, ma questa non è la posizione ideale.
2. L'aggiunta di un equalizzatore collegato in serie con Thermopad ridurrà la compressione degli amplificatori successivi. Ciò si tradurrà in una distribuzione non uniforme della compressione dell'amplificatore tra gli stadi di guadagno, riducendo la gamma dinamica limite complessiva. Si sconsiglia di collegare l'equalizzatore in serie con l'attenuatore Thermopad.
3. L'uso di uno o più equalizzatori invece di attenuatori fissi cambierà solo il livello di compressione dell'amplificatore dello stadio di uscita. Per ridurre al minimo questa variazione ed evitare l'overdrive RF, la perdita dell'equalizzatore dovrebbe essere più o meno uguale al valore di attenuazione fisso rimosso dal sistema. Inoltre, come accennato in precedenza, l'aggiunta di un equalizzatore prima dello stadio di guadagno provocherà una dispersione della gamma dinamica e della frequenza limitanti. Per ridurre al minimo questo effetto, sostituire il minor numero possibile di equalizzatori.
4. L'equalizzatore può essere aggiunto all'uscita del dispositivo. L'equalizzazione in uscita ridurrà la potenza in uscita, ma non produrrà una limitazione della dispersione della gamma dinamica. L'equalizzazione dell'uscita produce una pendenza della potenza di uscita leggermente positiva, ma questa pendenza è compensata dall'imballaggio ad alta frequenza e dalle perdite del connettore.
Il layout dell'amplificatore limitatore a quattro stadi finito è mostrato nella Figura 9.
Figura 9. Diagramma a blocchi dell'equalizzazione di frequenza
La Figura 10 mostra la potenza di uscita e i risultati della simulazione della temperatura di ADI HMC7891. Il progetto finale ha raggiunto una gamma dinamica limitante di 40 dB. In tutte le condizioni operative, la variazione della potenza di uscita nel caso peggiore simulata è stata di 3 dB.
Figura 10. Relazione tra PSAT simulato di HMC7891 e frequenza all'interno dell'intervallo di temperatura
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