【導讀】“龜兔賽跑”這個(gè)故事給我們的啟發(fā)是“有時(shí)保持穩定和進(jìn)行周全地策劃是有意義的”。消費者對無(wú)線(xiàn)數據的高帶寬和高速度需求日益迫切，這給半導體制造商帶來(lái)了巨大的挑戰，他們需要設計出滿(mǎn)足上述要求的系統——這與兔子專(zhuān)注于最快達到終點(diǎn)很像。然而，烏龜告訴我們，確保系統堅實(shí)可靠從而穩定地實(shí)現目標也同樣重要。
由于無(wú)線(xiàn)電單元和有源天線(xiàn)等通信設備主要位于室外，因此，確保無(wú)論在何種環(huán)境因素下內部元件都能可靠運行至關(guān)重要。與龜兔賽跑這則伊索寓言相似，系統必須具有高性能（如兔子），同時(shí)又要堅固耐用（如烏龜的殼），才能保護內部電路免受外部故障條件的影響。確保實(shí)現保護功能的一種方法是使用模擬多路復用器來(lái)保護內部功率放大器 (PA) 級。
為什么是PA級？
放大器集成電路 (IC) 使用來(lái)自電源的電力來(lái)增加輸入信號的功率。通過(guò)使用放大器，您可以將微弱的輸入信號轉換成強大的輸出信號。例如，PA用于驅動(dòng)輸出設備的負載，例如耳機、揚聲器、伺服器和射頻發(fā)射器。
就射頻發(fā)射器而言，射頻PA在大規模多輸入多輸出 (MIMO) 天線(xiàn)系統中放大低電平射頻信號。傳統的大規模MIMO包含八個(gè)發(fā)射器和八個(gè)接收器 (8T8R) 射頻通道，用于放大天線(xiàn)信號。相比之下，現代5G系統將擁有最高64T64R通道，可提高下載/上傳數據速率和吞吐量。在一個(gè)遠程無(wú)線(xiàn)電單元中擁有如此多通道需要保護每個(gè)通道免受外部故障條件的影響。為保護系統免受這些故障條件的影響，一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的方法是在每個(gè)通道使用一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)，如圖1所示。
從圖1可以看出，根據無(wú)線(xiàn)電單元中的發(fā)射通道和接收通道數量，這里有多個(gè)PA級。要使這些PA正常工作，需要向每個(gè)FET的柵極施加偏置電壓 (V-BIAS)。
遺憾的是，V-BIAS容易受到外部故障條件的影響，例如超過(guò)標稱(chēng)安全值的過(guò)流、過(guò)壓或過(guò)熱事件。在這種情況下，現場(chǎng)可編程門(mén)陣列或微控制器可檢測故障條件并立即向多路復用器發(fā)送選擇邏輯信號，從而斷開(kāi)V-BIAS信號路徑。如果沒(méi)有V-BIAS信號，PA級將關(guān)閉，從而保護通道免受故障條件的影響。最終，2:1模擬開(kāi)關(guān)會(huì )在發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉PA級，同時(shí)為低電平射頻信號 (RF-IN) 提供安全的接地路徑。此外，由于每個(gè)發(fā)射路徑有2-4個(gè)增益級（具體取決于射頻應用，如圖2所示），需要柵極側保護的功率放大器的數量會(huì )顯著(zhù)增加。
保護LDMOS功率放大器
模擬開(kāi)關(guān)（例如TMUX1247等具有1.8V邏輯控制的單通道2:1通用模擬多路復用器）可以在最高125°C的溫度下安全地執行此功能。此外，由于它們支持1.8V邏輯，因此可由1.8V現場(chǎng)可編程門(mén)陣列或微控制器 (MCU) 直接控制，而無(wú)需電平轉換器。請閱讀應用手冊《使用1.8V邏輯多路復用器和開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化設計》，詳細了解這些器件的1.8V邏輯。
保護GaN功率放大器
對于GaN射頻功率放大器，需要柵極電壓來(lái)夾斷器件，以便在施加漏極電壓時(shí)沒(méi)有電流沖過(guò)器件。在柵極偏置之前施加任何漏極電壓都會(huì )損壞器件。由于GaN PA本質(zhì)上是耗盡型器件，因此所需的柵極偏置為負。TMUX4157N 2:1單通道開(kāi)關(guān)支持-4V至-12V的負電壓，可在施加負電壓時(shí)保護您的功率放大器免受故障事件的影響，具有成本效益。此外，TMUX4157N的快速轉換時(shí)間和通過(guò)開(kāi)關(guān)的高連續電流使其非常適合大規模 MIMO、無(wú)線(xiàn)電通信或雷達應用，這些應用的系統需要在兩個(gè)不同的電壓輸入之間快速切換。
增加設計靈活性
為最終級解決方案選擇LDMOS和GaN功率放大器或模塊可能具有挑戰性，因為要在漏極效率、線(xiàn)性度、視頻帶寬等方面進(jìn)行權衡。TMUX6219（2:1 SPDT單通道開(kāi)關(guān)）可實(shí)現更短的設計周期。因為它支持GaN和LDMOS柵極所需的夾斷電壓，從而簡(jiǎn)化了BOM，并為選擇LDMOS或GaN功率放大器增加了更多時(shí)間。TMUX6219可以使用單電源（4.5V至36V）、雙電源（±4.5V至±18V）或非對稱(chēng)電源（例如VDD=8V和VSS=-12V）供電。
有許多解決方案可以保護您的射頻功率放大器，同時(shí)實(shí)現更靈活的BOM和開(kāi)發(fā)周期。保護射頻通道至關(guān)重要，因為其中一個(gè)通道發(fā)生故障會(huì )嚴重損壞整個(gè)射頻系統。雷達系統每單元中有多達64個(gè)通道或約1000條傳輸線(xiàn)。因此，保護等級對于可靠的高帶寬、高速系統的設計至關(guān)重要。因此，如果在考慮可靠性和保護性能時(shí)像烏龜一樣保持沉著(zhù)踏實(shí)的心態(tài)，您將能夠滿(mǎn)足下一代網(wǎng)絡(luò )的需求。
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