包含高度集成和高度復雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的系統，如脈沖雷達應用，對于當今的數字控制和管理系統來(lái)說(shuō)是一個(gè)持續的挑戰，以跟上這些不斷增長(cháng)的水平、復雜。為了在這個(gè)市場(chǎng)中競爭，今天的控制系統必須非常靈活，可重復使用，并且能夠輕松適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據設計人員的需求進(jìn)行定制。

 

這些復雜的管理系統需要創(chuàng )新的補償算法，內置測試（BIT）功能，本地和遠程通信接口，關(guān)鍵系統性能參數和環(huán)境條件的監控以及系統故障保護。這些系統的復雜性增加是由于對基于半導體的RF系統的更高功率的需求。

 

這些高功率系統產(chǎn)生大量熱量，這會(huì )對放大器性能和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）產(chǎn)生影響。這些系統所需的RF放大器MMIC是昂貴的高功率器件。因此，客戶(hù)希望實(shí)時(shí)監控GaN PA系統的性能和溫度。這允許在損壞之前檢測即將發(fā)生的問(wèn)題，以便他們可以采取必要的措施來(lái)防止它。通過(guò)適當的控制電子設計，實(shí)現可以非常靈活，可以與任何RF放大器架構一起使用。數字電子產(chǎn)品可根據客戶(hù)需求量身定制。數字設計可以包括內置保護邏輯，以在接近損壞閾值時(shí)禁用GaN RF放大器。這些關(guān)鍵特性對于在寬帶寬和溫度范圍內優(yōu)化RF性能的需求起著(zhù)至關(guān)重要的作用。它們有助于實(shí)現高水平的可測試性，可維護性，易于系統集成和校準，從而提供技術(shù)差異化。

 

今天的半導體RF放大器的復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，并提供放大器系統監控和保護，可以使用可重新編程的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和/或微控制器來(lái)實(shí)現電子器件?？芍鼐幊探鉀Q方案提供了當今高級RF放大器子系統開(kāi)發(fā)所需的靈活性?？芍鼐幊绦宰畲笙薅鹊亟档土穗娐钒逯匦略O計的風(fēng)險，并且由于設計錯誤導致延遲計劃。這些放大器系統具有相似但不同的要求，這些要求取決于應用。數字控制電子架構專(zhuān)為滿(mǎn)足應用要求而定制，通常包括：

 

數字控制器

非易失性存儲器

模數轉換器（ADC）

數模轉換器（DAC）

數字輸入/輸出（I / O）

直流電源調節

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(kāi)發(fā)設計變體的關(guān)鍵。這些功能減少了工廠(chǎng)測試和校準的時(shí)間，并提供了一個(gè)重要的診斷工具，有助于調試系統問(wèn)題。

用于射頻放大器的控制系統中的FPGA

 

ADI RF放大器的大多數控制系統都使用了FPGA。這些器件用途廣泛，可包括內部軟核或嵌入式處理器。FPGA可以實(shí)現多個(gè)并行功能，這些功能可以同時(shí)獨立運行。因此，FPGA能夠快速響應命令和關(guān)鍵電路條件，以保護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。邏輯功能的執行由FPGA內的狀態(tài)機邏輯控制。狀態(tài)機控制基于輸入和輸出條件執行的操作序列。

 

放大器性能的優(yōu)化

 

為了優(yōu)化放大器性能，必須設置柵極電壓，以在數據手冊中實(shí)現放大器指定的電源電流。使用DAC調節柵極電壓，同時(shí)使用ADC監控功率放大器的電源電流。這些功能提供了快速校準RF放大器柵極電壓的能力，而無(wú)需探測或修改RF電子器件。增強的電源排序，電源管理，電源監控：FPGA設計可用于對電壓調節器和RF放大器進(jìn)行排序，以最大限度地降低上電電流，并監控和檢測放大器和電源故障。FPGA可以通過(guò)基于故障狀況的檢測來(lái)關(guān)閉系統組件來(lái)采取保護措施，或者通過(guò)控制接口將狀態(tài)報告給計算機。

 

溫度監控，熱管理

 

溫度是高功率放大器系統中RF性能的關(guān)鍵因素。通過(guò)監控溫度，FPGA可以實(shí)現在溫度范圍內補償放大器的算法。此外，通過(guò)溫度監控，FPGA可用于控制冷卻系統，如風(fēng)扇速度，以最大限度地降低性能下降。該邏輯可以檢測潛在的破壞性熱條件并采取適當的措施。

數字和模擬I / O：FPGA可以控制RF開(kāi)關(guān)，移相器，數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都可以通過(guò)ADC與FPGA連接。只要感興趣的信息可以被置于數字格式并連接到FPGA，就可以監視和/或將感興趣的信息或信號應用于算法以進(jìn)行處理。

 

控制，計算機接口，圖形用戶(hù)界面（GUI）

 

這些可能是管理系統最重要的方面，因為它們可以輕松訪(fǎng)問(wèn)放大器系統提供的所有控制，傳感器和診斷數據?？梢蚤_(kāi)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界面?？梢蚤_(kāi)發(fā)軟件腳本以在整個(gè)系統集成和最終測試中促進(jìn)極高的生產(chǎn)測試覆蓋率，校準和故障分析。測試數據可以寫(xiě)入計算機文件或從計算機文件中讀取，校準數據可以存儲到NVRAM中，以便在運行期間用作補償算法的變量。除了工廠(chǎng)使用之外，這個(gè)功能強大的界面工具可以在現場(chǎng)使用，以監控系統運行狀況，確定系統根本原因故障，并提供簡(jiǎn)單的現場(chǎng)升級控制軟件。

 

GaN RF功率放大器用于連續波（CW）模式和脈沖模式應用。從控制的角度來(lái)看，脈沖操作更具挑戰性，因此這是本次討論的重點(diǎn)。脈沖RF可以用于通信，醫療和雷達應用，僅舉幾個(gè)例子。脈沖操作具有降低散熱的優(yōu)點(diǎn)，有助于降低對冷卻方案的要求，并最大限度地降低系統外部直流電源要求。然而，增加的脈沖重復頻率（PRF）與更低的占空比和更快的建立時(shí)間要求相結合，繼續推動(dòng)最新技術(shù)的發(fā)展。我們針對這些苛刻要求的方法是利用數字控制系統來(lái)脈沖RF MMIC?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列通常用于根據系統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字到模擬電路。根據開(kāi)關(guān)速度和建立時(shí)間要求，當脈沖MMIC時(shí)，可能需要電容器組本地存儲能量以實(shí)現最有效的直流偏置。

 

圖2和圖3顯示了可用于脈沖RF應用的通用典型電路。FPGA提供脈沖信號的時(shí)序控制，并為RF MMIC提供同步狀態(tài)監控和保護。FPGA可以接收單個(gè)脈沖信號并將其分配給一個(gè)或多個(gè)RF MMIC器件，同時(shí)保持緊密的時(shí)序關(guān)系。

 

在高功率脈沖應用中柵極脈沖的好處是不需要高直流開(kāi)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?xún)?yōu)化RF性能而變得復雜。MMIC表征數據通常在單個(gè)靜態(tài)柵極偏置條件下執行 - 其中MMIC性能最佳。MMIC通常不具有脈沖操作的特征。當柵極電壓在夾斷狀態(tài)和導通狀態(tài)之間切換MMIC時(shí)，一些MMIC表現出不穩定性。漏極脈沖可能更寬容，并且可能需要更少的MMIC表征數據。必須仔細檢查每個(gè)脈沖應用的要求，以確定最佳脈沖方法和電路。任何MMIC脈沖應用，柵極或漏極脈沖，

 

圖2.典型的門(mén)控制方案。

 

圖3.典型的漏極開(kāi)關(guān)方案。

 

總結

 

為了在這個(gè)市場(chǎng)中競爭，今天的控制系統必須非常靈活，可重復使用，并且能夠輕松適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據客戶(hù)的需求進(jìn)行定制。它們可以包含內置保護邏輯，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試性，可維護性，易于系統集成和校準 - 從而提供與競爭對手的技術(shù)差異，從而通過(guò)當今的高功率放大器管理系統進(jìn)行有效創(chuàng )新。

 

在這些系統中實(shí)施的MMIC電源管理系統使ADI能夠通過(guò)允許ADI與我們的半導體客戶(hù)合作為其提供與其自身系統無(wú)縫集成的系統來(lái)提升堆棧。對這些類(lèi)型的半導體RF放大器系統的需求持續增長(cháng)。隨著(zhù)這些系統的復雜性不斷增加，保護和控制這些系統所需的數字控制電子設備的復雜性也將繼續增長(cháng)，因為我們將繼續在當今的高功率GaN基放大器管理系統上進(jìn)行創(chuàng )新。