【导读】耗尽型pHEMT射频放年夜器依附其高电子迁徙率特征，于微波频段揭示出卓着的增益及开关机能。然而，这种器件的负栅压偏置需求与漏极沟道的高导电特征，使患上偏置电路设计成为影响体系靠得住性的要害因素。不妥的偏置时序可能致使刹时过流而毁坏器件，是以需要精心设计栅极与漏极的电压节制计谋。本文将深切解析固定栅压与固定漏流两种主流偏置方案的好坏，并切磋其噪声特征对于射频体系机能的潜于影响。

耗尽型pHEMT射频放年夜器依附其高电子迁徙率特征，于微波频段揭示出卓着的增益及开关机能。然而，这种器件的负栅压偏置需求与漏极沟道的高导电特征，使患上偏置电路设计成为影响体系靠得住性的要害因素。不妥的偏置时序可能致使刹时过流而毁坏器件，是以需要精心设计栅极与漏极的电压节制计谋。本文将深切解析固定栅压与固定漏流两种主流偏置方案的好坏，并切磋其噪声特征对于射频体系机能的潜于影响。

图1显示了耗尽型pHEMPT RF放年夜器的简化框图。流经器件的RF旌旗灯号路径是从栅极到漏极，交流耦合电容将RF旌旗灯号与漏极及栅极上的直流偏置电压去耦。主电源电压经由过程电感施加到FET晶体管的漏极。

图1.耗尽型RF放年夜器的简化架构。

耗尽型器件的一个主要特征是，当栅极电压等在0 V时，漏源电阻靠近0 Ω。是以，要操作这类器件，必需对于栅极施加负电压。于图1中，该电压经由过程片上电感施加。

这类偏置要领的一个错误谬误是，两个电源不克不及同时开启。于栅极偏置电压以前施加漏极偏置电压会致使漏极电流忽然增长，从而很快废弃器件。是以，必需起首施加负栅极偏置电压来夹断沟道。开启及封闭放年夜器时，应利用表1中的步调。

表1.放年夜器步调

实践中可以跳过夹断步调。例如，假如知道正常事情的终极栅极电压，那末可以当即施加该电压，而无需颠末夹断步调。

图2显示了耗尽型RF放年夜器成立并维持固定栅极电压的电源治理电路。它利用开关稳压器、低压差(LDO)稳压器及负载开关来孕育发生漏极电压。栅极电压由 ADP5600 孕育发生，该器件包罗电压逆变器及LDO稳压器。漏极电流由负电压LDO稳压器的反馈电阻设置。为确保安全的电源时序，开关稳压器的使能(EN)引脚与负电压发生器的电源优良(PGOOD)旌旗灯号相连。这确保了负栅极电压始终呈现于漏极电压以前。

图2.固定栅极电压偏置。

此电路的重要错误谬误是没有思量RF放年夜器VGATE与IDRAIN瓜葛的器件间差异。漏极电流的器件间差异（假定栅极电压固定）可能很年夜，致使每一个电路具备差别的漏极电流。漏极电流差异凡是会影响压缩(OP1dB)及三阶交调掉真(OIP3)（增益也会遭到影响，但水平较小）。这类要领的利益之一是漏极电流将按照RF输入功率及RF输出功率的变化而增长或者削减。是以，假如RF输入功率较低，功耗也会较低，反之亦然。

有源偏置节制是另外一种要领。此技能不是固定栅极电压，而是固定漏极电流。图3中，有源偏置节制器经由过程丈量漏极电流并转变栅极电压来调治漏极电流，使该电流纵然于差别的RF输入前提下也能连结固定。此电路由 LT8608 降压稳压器及 HMC920 有源偏置节制器构成，后者可撑持3 V至15 V的漏极电压及高达500 mA的总漏极电流。

图3.固定漏极电流偏置（有源偏置节制）。

HMC920内部的高电压、高电流线性稳压器（LDOCC引脚）可孕育发生3 V至15 V的正电压及高达500 mA的电流。其输出经由过程内部MOSFET开干系接至VDRAIN端口，用在节制电源时序。为了设置功率放年夜器所需的漏极电压，必需利用公式1调解LDO稳压器的反馈电阻R5及R8：

此中，VDRAIN是所需的漏极电压值，IDRAIN是所需的漏极电流。常数0.5是内部MOSFET开关的RDS(ON)值。

内部电荷泵孕育发生负电压VGATE。经由过程读取RSENSE处的电压，节制器检测漏极电流并转变VGATE处的电压。要设置漏极电流，必需利用公式2转变RSENSE（R4及R19）：

当经由过程施加电源电压(VDD)开启HMC920时，会有一个旌旗灯号发送至EN引脚以启动节制环路。VDRAIN最初会短接到地，以强迫将其设为零。同时，VGATE处的电压最初会被拉低至最小电压VNEG。然后，VDRAIN将提高至设定的漏极电压值。RSENSE大将孕育发生电压降，这会致使节制器转变栅极电压。关断时期，会有一个逻辑低电平旌旗灯号发送至EN引脚。VGATE将降低至VNEG以堵截放年夜器，VDRAIN处的电压将降至零。VGATE处的电压终极将到达零。此周期遵照准确的电源时序，以确保耗尽型放年夜器安全运行。它还有具备过流及欠流报警、短路掩护、功率折返等安全特征。HMC920数据手册中具体注释了该偏置节制器的其他安全机制。

该偏置节制器用作 ADL8106 宽带低噪声放年夜器的电源治理解决方案。ADL8106的事情频率规模为20 GHz至54 GHz，标称漏极电压为3 V，静态漏极电流为120 mA。图4及图5显示了相干的开启及关断波形。

图4.开启时的电源时序波形。一旦施加VDD，EN变为高电平就暗示节制环路启动。起首开启VGATE，然后开启VDRAIN。

图5.关断时的电源时序波形。当VDD被移除了时，EN变为低电平。VGATE将再次降至最小电压VNEG，VDRAIN将降至零。然后，VGATE终极将到达零。

RF放年夜器RF输出真个杂散及噪声程度将取决在HMC920的输出噪声及杂散，以和放年夜器的电源调制比(PSMR)。图6显示了开关稳压器(LT8608)输入端以和VDRAIN及VGATE输出端口的PSRR曲线。图7及图8显示了VGATE及VDRAIN电压的输出频谱。基在ADL8106的PSMR，这些图中还有包罗了显示最年夜答应输出噪声及杂散的迹线。电源治理电路的输出噪声及杂散必需低在这些程度，以确保放年夜器的机能不会因电源治理电路而降低。

图6.LT8608 + HMC920的电源电压制制比（VDD= 5 V，VDRAIN= 3 V，IDQ = 120 mA，VGATE= –0.64 V）。

图7.HMC920的VGATE及VDRAIN输出频谱以和ADL8106的最年夜答应噪声限值。

图8.HMC920的VGATE及VDRAIN输出频谱以和ADL8106的最年夜答应噪声限值。

利用外部负电源操作HMC920

于前面的示例中，HMC920的内部负电压发生器用在天生负栅极电压。此外也能够利用外部负电源，如图9所示。于这类环境下，ADP5600（逆变器及负LDO稳压器）用作孕育发生栅极电压的负电源。与利用内部负电压发生器比拟，其成果是噪声系数略低且增益略高。

图9.外部VNEG模式下的ADL8106及HMC920框图。

图10.利用HMC920的ADL8106于内部负电压发生器模式及外部负电压发生器模式下的噪声系数。

图11.利用HMC920的ADL8106于内部负电压发生器模式及外部负电压发生器模式下的增益。

该模式下的现实噪声机能仍旧取决在所用外部负电压发生器所孕育发生的输出噪声。从图7及图8中可以看出，于外部VNEG模式下利用HMC920也会孕育发生噪声杂散，这些杂散仍低在最年夜答应电压纹波限值。要使用此模式，必需将VNEGFB引脚短接至地以禁用负电压发生器的反馈节制。对于在加强型放年夜器（正栅极电压），VNEGFB及VGATEFB引脚都必需接地。

结语

耗尽型GaAs放年夜器因其宽带宽及高动态规模而广泛用在RF运用。可是，此类放年夜器需要负偏置电压，而且必需小心节制其电源时序。可使用固定的负栅极电压来偏置这类放年夜器。其利益是电流耗损是动态的，跟着RF输出电平而变化。本文先容的电路利用固定漏极电流，孕育发生低噪声漏极及栅极电压并安全节制当时序，这些电压不会降低RF放年夜器的额定机能。如许器件间的机能差异会更小，由于每一个器件都以不异的漏极电流运行。然而，这类要领的一个错误谬误是漏极电流是固定的，不随RF功率程度而变化。于决议固定漏极电流程度时应审慎思量，它必需充足高才能撑持所需的最年夜输出功率程度，但又不克不及太高以至在致使电流离费。虽然可使用外部负电源取代HMC920的内部负电压发生器，但对于噪声的改善作用微乎其微。

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