包含高度集成和高度複雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的係統，如脈衝雷達應用
，對於當今的數字控製和管理係統來說是一個持續的挑戰，以跟上這些不斷增長的水平、複雜。為了在這個市場中競爭，今天的控製係統必須非常靈活
，可重複使用，並且能夠輕鬆適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據設計人員的需求進行定製。

 

這些複雜的管理係統需要創新的補償算法，內置測試（BIT）功能，本地和遠程通信接口，關鍵係統性能參數和環境條件的監控以及係統故障保護。這些係統的複雜性增加是由於對基於半導體的RF係統的更高功率的需求。

 

這些高功率係統產生大量熱量，這會對放大器性能和平均故障間隔時間（MTBF）產生影響。這些係統所需的RF放大器MMIC是昂貴的高功率器件。因此
，客戶希望實時監控GaN PA係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)和(he)溫(wen)度(du)。這(zhe)允(yun)許(xu)在(zai)損(sun)壞(huai)之(zhi)前(qian)檢(jian)測(ce)即(ji)將(jiang)發(fa)生(sheng)的(de)問(wen)題(ti)


，以(yi)便(bian)他(ta)們(men)可(ke)以(yi)采(cai)取(qu)必(bi)要(yao)的(de)措(cuo)施(shi)來(lai)防(fang)止(zhi)它(ta)。通(tong)過(guo)適(shi)當(dang)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)計(ji)，實(shi)現(xian)可(ke)以(yi)非(fei)常(chang)靈(ling)活(huo)，可(ke)以(yi)與(yu)任(ren)何(he)RF放大器架構一起使用。數字電子產品可根據客戶需求量身定製。數字設計可以包括內置保護邏輯，以在接近損壞閾值時禁用GaN RF放大器。這些關鍵特性對於在寬帶寬和溫度範圍內優化RF性能的需求起著至關重要的作用。它們有助於實現高水平的可測試性，可維護性，易於係統集成和校準
，從而提供技術差異化。

 

今天的半導體RF放(fang)大(da)器(qi)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)。為(wei)了(le)優(you)化(hua)性(xing)能(neng)

，管(guan)理(li)電(dian)源(yuan)排(pai)序(xu)
，提(ti)供(gong)故(gu)障(zhang)檢(jian)測(ce)，並(bing)提(ti)供(gong)放(fang)大(da)器(qi)係(xi)統(tong)監(jian)控(kong)和(he)保(bao)護(hu)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)可(ke)重(zhong)新(xin)編(bian)程(cheng)的(de)現(xian)場(chang)可(ke)編(bian)程(cheng)門(men)陣(zhen)列(lie)（FPGA）和/或微控製器來實現電子器件。可重編程解決方案提供了當今高級RF放fang大da器qi子zi係xi統tong開kai發fa所suo需xu的de靈ling活huo性xing。可ke重zhong編bian程cheng性xing最zui大da限xian度du地di降jiang低di了le電dian路lu板ban重zhong新xin設she計ji的de風feng險xian
，並bing且qie由you於yu設she計ji錯cuo誤wu導dao致zhi延yan遲chi計ji劃hua。這zhe些xie放fang大da器qi係xi統tong具ju有you相xiang似si但dan不bu同tong的de要yao求qiu，這zhe些xie要yao求qiu取qu決jue於yu應ying用yong。數shu字zi控kong製zhi電dian子zi架jia構gou專zhuan為wei滿man足zu應ying用yong要yao求qiu而er定ding製zhi，通tong常chang包bao括kuo：

 

數字控製器

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zhong用yong硬ying件jian和he軟ruan件jian是shi快kuai速su有you效xiao地di開kai發fa設she計ji變bian體ti的de關guan鍵jian。這zhe些xie功gong能neng減jian少shao了le工gong廠chang測ce試shi和he校xiao準zhun的de時shi間jian，並bing提ti供gong了le一yi個ge重zhong要yao的de診zhen斷duan工gong具ju，有you助zhu於yu調tiao試shi係xi統tong問wen題ti。

用於射頻放大器的控製係統中的FPGA

 

ADI RF放大器的大多數控製係統都使用了FPGA。這些器件用途廣泛，可包括內部軟核或嵌入式處理器。FPGA可以實現多個並行功能，這些功能可以同時獨立運行。因此，FPGA能夠快速響應命令和關鍵電路條件，以保護RF電子器件。邏輯功能和算法通常以諸如Verilog或VHDL的硬件描述語言（HDL）來實現。邏輯功能的執行由FPGA內的狀態機邏輯控製。狀態機控製基於輸入和輸出條件執行的操作序列。

 

放大器性能的優化

 

為了優化放大器性能，必須設置柵極電壓，以在數據手冊中實現放大器指定的電源電流。使用DAC調節柵極電壓，同時使用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設計可用於對電壓調節器和RF放大器進行排序，以最大限度地降低上電電流，並監控和檢測放大器和電源故障。FPGA可以通過基於故障狀況的檢測來關閉係統組件來采取保護措施，或者通過控製接口將狀態報告給計算機。

 

溫度監控
，熱管理

 

溫度是高功率放大器係統中RF性能的關鍵因素。通過監控溫度，FPGA可以實現在溫度範圍內補償放大器的算法。此外，通過溫度監控，FPGA可用於控製冷卻係統
，如風扇速度，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並采取適當的措施。

數字和模擬I / O：FPGA可以控製RF開關，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ADC與FPGA連接。隻要感興趣的信息可以被置於數字格式並連接到FPGA，就可以監視和/或將感興趣的信息或信號應用於算法以進行處理。

 

控製
，計算機接口，圖形用戶界麵（GUI）

 

這些可能是管理係統最重要的方麵

，因為它們可以輕鬆訪問放大器係統提供的所有控製
，傳感器和診斷數據。可以開發GUI以yi將jiang所suo有you控kong製zhi和he狀zhuang態tai信xin息xi格ge式shi化hua為wei易yi於yu使shi用yong的de人ren機ji界jie麵mian。可ke以yi開kai發fa軟ruan件jian腳jiao本ben以yi在zai整zheng個ge係xi統tong集ji成cheng和he最zui終zhong測ce試shi中zhong促cu進jin極ji高gao的de生sheng產chan測ce試shi覆fu蓋gai率lv，校xiao準zhun和he故gu障zhang分fen析xi。測ce試shi數shu據ju可ke以yi寫xie入ru計ji算suan機ji文wen件jian或huo從cong計ji算suan機ji文wen件jian中zhong讀du取qu
，校xiao準zhun數shu據ju可ke以yi存cun儲chu到daoNVRAMzhong，yibianzaiyunxingqijianyongzuobuchangsuanfadebianliang。chulegongchangshiyongzhiwai，zhegegongnengqiangdadejiemiangongjukeyizaixianchangshiyong，yijiankongxitongyunxingzhuangkuang，quedingxitonggenbenyuanyinguzhang
，bingtigongjiandandexianchangshengjikongzhiruanjian。

 

GaN RF功率放大器用於連續波（CW）模式和脈衝模式應用。從控製的角度來看，脈衝操作更具挑戰性，因此這是本次討論的重點。脈衝RF可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)通(tong)信(xin)，醫(yi)療(liao)和(he)雷(lei)達(da)應(ying)用(yong)
，僅(jin)舉(ju)幾(ji)個(ge)例(li)子(zi)。脈(mai)衝(chong)操(cao)作(zuo)具(ju)有(you)降(jiang)低(di)散(san)熱(re)的(de)優(you)點(dian)，有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)對(dui)冷(leng)卻(que)方(fang)案(an)的(de)要(yao)求(qiu)，並(bing)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)外(wai)部(bu)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)。然(ran)而(er)，增(zeng)加(jia)的(de)脈(mai)衝(chong)重(zhong)複(fu)頻(pin)率(lv)（PRF）與更低的占空比和更快的建立時間要求相結合
，繼續推動最新技術的發展。我們針對這些苛刻要求的方法是利用數字控製係統來脈衝RF MMIC。現場可編程門陣列通常用於根據係統要求使用柵極或漏極脈衝技術來啟用/禁用RF MMIC。FPGA與RF MMIC的控製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。根據開關速度和建立時間要求，當脈衝MMIC時
，可能需要電容器組本地存儲能量以實現最有效的直流偏置。

 

圖2和圖3顯示了可用於脈衝RF應用的通用典型電路。FPGA提供脈衝信號的時序控製，並為RF MMIC提供同步狀態監控和保護。FPGA可以接收單個脈衝信號並將其分配給一個或多個RF MMIC器件
，同時保持緊密的時序關係。

 

在高功率脈衝應用中柵極脈衝的好處是不需要高直流開關。然而，柵極脈衝可能因柵極電壓必須精確且控製良好以優化RF性能而變得複雜。MMIC表征數據通常在單個靜態柵極偏置條件下執行 - 其中MMIC性能最佳。MMIC通常不具有脈衝操作的特征。當柵極電壓在夾斷狀態和導通狀態之間切換MMIC時，一些MMIC表現出不穩定性。漏極脈衝可能更寬容，並且可能需要更少的MMIC表征數據。必須仔細檢查每個脈衝應用的要求，以確定最佳脈衝方法和電路。任何MMIC脈衝應用，柵極或漏極脈衝

，

 

圖2.典型的門控製方案。

 

圖3.典型的漏極開關方案。

 

總結

 

為了在這個市場中競爭，今天的控製係統必須非常靈活，可重複使用，並且能夠輕鬆適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據客戶的需求進行定製。它們可以包含內置保護邏輯
，以便在接近損壞閾值時禁用RF放大器，並在需要優化寬帶寬和工作溫度下的RF性能方麵發揮關鍵作用。它們提供高水平的可測試性，可維護性，易於係統集成和校準 - 從而提供與競爭對手的技術差異

，從而通過當今的高功率放大器管理係統進行有效創新。

 

在這些係統中實施的MMIC電源管理係統使ADI能夠通過允許ADI與我們的半導體客戶合作為其提供與其自身係統無縫集成的係統來提升堆棧。對這些類型的半導體RF放fang大da器qi係xi統tong的de需xu求qiu持chi續xu增zeng長chang。隨sui著zhe這zhe些xie係xi統tong的de複fu雜za性xing不bu斷duan增zeng加jia，保bao護hu和he控kong製zhi這zhe些xie係xi統tong所suo需xu的de數shu字zi控kong製zhi電dian子zi設she備bei的de複fu雜za性xing也ye將jiang繼ji續xu增zeng長chang，因yin為wei我wo們men將jiang繼ji續xu在zai當dang今jin的de高gao功gong率lvGaN基放大器管理係統上進行創新。