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使用模拟开关保护功率放大器级

[ 热门新闻 ] 2021-06-15 14:10:37

“龟兔赛跑”这个故事给我们的启发是“有时保持稳定和进行周全地策划是有意义的”。消费者对无线数据的高带宽和高速度需求日益迫切,这给半导体制造商带来了巨大的挑战,他们需要设计出满足上述要求的系统——这与兔子专注于最快达到终点很像。然而,乌龟告诉我们,确保系统坚实可靠从而稳定地实现目标也同样重要。

由于无线电单元和有源天线等通信设备主要位于室外,因此,确保无论在何种环境因素下内部元件都能可靠运行至关重要。与龟兔赛跑这则伊索寓言相似,系统必须具有高性能(如兔子),同时又要坚固耐用(如乌龟的壳),才能保护内部电路免受外部故障条件的影响。确保实现保护功能的一种方法是使用模拟多路复用器来保护内部功率放大器 (PA) 级。

为什么是PA级?

放大器集成电路 (IC) 使用来自电源的电力来增加输入信号的功率。通过使用放大器,您可以将微弱的输入信号转换成强大的输出信号。例如,PA用于驱动输出设备的负载,例如耳机、扬声器、伺服器和射频发射器。

就射频发射器而言,射频PA在大规模多输入多输出 (MIMO) 天线系统中放大低电平射频信号。传统的大规模MIMO包含八个发射器和八个接收器 (8T8R) 射频通道,用于放大天线信号。相比之下,现代5G系统将拥有最高64T64R通道,可提高下载/上传数据速率和吞吐量。在一个远程无线电单元中拥有如此多通道需要保护每个通道免受外部故障条件的影响。为保护系统免受这些故障条件的影响,一种简单且经济高效的方法是在每个通道使用一个2:1模拟开关,如图1所示。

从图1可以看出,根据无线电单元中的发射通道和接收通道数量,这里有多个PA级。要使这些PA正常工作,需要向每个FET的栅极施加偏置电压 (V-BIAS)

遗憾的是,V-BIAS容易受到外部故障条件的影响,例如超过标称安全值的过流、过压或过热事件。在这种情况下,现场可编程门阵列或微控制器可检测故障条件并立即向多路复用器发送选择逻辑信号,从而断开V-BIAS信号路径。如果没有V-BIAS信号,PA级将关闭,从而保护通道免受故障条件的影响。最终,2:1模拟开关会在发生故障时关闭PA级,同时为低电平射频信号 (RF-IN) 提供安全的接地路径。此外,由于每个发射路径有2-4个增益级(具体取决于射频应用,如图2所示),需要栅极侧保护的功率放大器的数量会显著增加。

保护LDMOS功率放大器

模拟开关(例如TMUX1247等具有1.8V逻辑控制的单通道2:1通用模拟多路复用器)可以在最高125°C的温度下安全地执行此功能。此外,由于它们支持1.8V逻辑,因此可由1.8V现场可编程门阵列或微控制器 (MCU) 直接控制,而无需电平转换器。请阅读应用手册《使用1.8V逻辑多路复用器和开关简化设计》,详细了解这些器件的1.8V逻辑。

保护GaN功率放大器

对于GaN射频功率放大器,需要栅极电压来夹断器件,以便在施加漏极电压时没有电流冲过器件。在栅极偏置之前施加任何漏极电压都会损坏器件。由于GaN PA本质上是耗尽型器件,因此所需的栅极偏置为负。TMUX4157N 2:1单通道开关支持-4V-12V的负电压,可在施加负电压时保护您的功率放大器免受故障事件的影响,具有成本效益。此外,TMUX4157N的快速转换时间和通过开关的高连续电流使其非常适合大规模 MIMO、无线电通信或雷达应用,这些应用的系统需要在两个不同的电压输入之间快速切换。

增加设计灵活性

为最终级解决方案选择LDMOSGaN功率放大器或模块可能具有挑战性,因为要在漏极效率、线性度、视频带宽等方面进行权衡。TMUX62192:1 SPDT单通道开关)可实现更短的设计周期。因为它支持GaNLDMOS栅极所需的夹断电压,从而简化了BOM,并为选择LDMOSGaN功率放大器增加了更多时间。TMUX6219可以使用单电源(4.5V36V)、双电源(±4.5V至±18V)或非对称电源(例如VDD=8VVSS=-12V)供电。

有许多解决方案可以保护您的射频功率放大器,同时实现更灵活的BOM和开发周期。保护射频通道至关重要,因为其中一个通道发生故障会严重损坏整个射频系统。雷达系统每单元中有多达64个通道或约1000条传输线。因此,保护等级对于可靠的高带宽、高速系统的设计至关重要。因此,如果在考虑可靠性和保护性能时像乌龟一样保持沉着踏实的心态,您将能够满足下一代网络的需求。