具有關斷和旁路功能的MMIC放大器

2021-11-02

具有關斷和旁路功能的MMIC放大器

 TSS和TSY系列MMIC放大器具有多種性能特性組合，包括高動態范圍和極低噪聲系數以及從VHF到毫米波應用的寬帶頻率覆蓋。這些產品系列還包括關斷和旁路功能的附加特性。這些功能通常會導致客戶質疑旁路和關機之間的區別、哪些產品具有哪些功能以及每種產品的優勢。本文將解釋這些功能的工作原理，并概述一些最常使用關閉和旁路功能的應用程序。

放大器關斷功能和應用

就像聽起來一樣，關斷功能為射頻系統設計人員提供了在特定條件下關斷射頻放大器的能力。圖 1 顯示了具有關斷功能的RF放大器的框圖。該放大器包括用于上電和關斷狀態的附加控制信號。這是射頻放大器的外部直流控制信號，用于控制射頻放大器是通電還是斷電。在上電模式下，RF放大器偏置電流完全打開，RF放大器按照數據表中定義的規格運行。在關斷模式下，RF放大器的偏置電流被壓縮到接近0安培的正常偏置電流的一小部分。

值得注意的是，在關斷模式下，預計放大器不會用于有源信號鏈。由于放大器中沒有電流，放大器沒有增益和帶寬，并且包含處于關斷模式的放大器的信號路徑無法再將信號從輸入傳遞到輸出。在關斷模式下，放大器在活動（開啟）時保持的50W匹配可能不再保持。因此，放大器的輸入和輸出端口變為高阻抗，這可能會導致信號路徑不穩定。因此，當放大器處于關斷模式時，需要以某種方式保持50W匹配。

圖 1：具有關斷功能的 RF放大器的簡化示意圖

作為關斷功能應用的一個示例，單刀多擲開關可以將RF信號鏈連接到不同的RF增益模塊，如圖 2 所示。從所示的三個放大器中只會選擇一個增益模塊在任何給定的時間。最好關閉放大器組中所有未使用的放大器以節省系統中的DC功耗。典型的分立式RF放大器無法在不關閉電源的情況下降低DC功耗，這會導致仍然依賴相同電源的 RF 信號鏈中的有源電路出現問題。

因此，最好提供具有關閉DC功率耗散的附加能力的RF放大器。如果每個RF放大器都提供這種關斷功能，則放大器組的DC功耗對于整個系統將顯著降低。在圖 2 中，頂部和底部放大器施加了關斷控制信號，因此放大器的偏置電流 I BIAS等于0安培。中間放大器施加了上電控制信號，這導致I BIAS等于標稱電流值I NOMINAL。    

圖 2：關斷功能在RF放大器組中的應用。

關斷功能有助于節省功耗的另一個應用是在RF收發器的半雙工或時分雙工 (TDD) 操作模式下。對于 TDD 操作，發送器或接收器在任何給定時間都處于開啟狀態，但兩者都不會同時開啟。對于這種類型的收發器，可以在發射器處于活動狀態時關閉接收放大器信號鏈，反之亦然。這將通過接收和發送操作的占空比減少總功耗。

圖 3 顯示了半雙工操作的收發器功能框圖。對于半雙工接收模式，上電控制信號應用于低噪聲放大器 (LNA) 和接收器信號鏈，關斷控制信號應用于功率放大器 (PA) 和發射信號鏈。在接收模式下，對于半雙工操作，只有接收信號鏈消耗直流功率。發射信號鏈關閉。同樣，在半雙工操作的發射模式下，只有發射信號鏈消耗直流功率。接收信號鏈關閉。

通過使用上電和關斷控制信號，只對需要的信號路徑上電，將未使用的信號路徑直流功耗降至零。通過這種方式，可以通過半雙工操作的占空比來降低收發器的直流電源。例如，如果接收和發送模式為50%占空比，則總功耗可降低50%。   

圖 3：使用上電/關斷功能進行半雙工收發器操作以節省DC功耗。

放大器旁路功能和應用

旁路功能使RF系統設計人員能夠去除RF信號鏈中的信號增益，而不管放大器是否用于有源信號路徑。這種能力是通過將一組開關集成到放大器電路中來實現的。RF設計人員使用 DC控制信號在“直通模式”下通過RF放大器路由信號，或在“旁路模式”下“繞過”RF放大器。圖 4 顯示了具有旁路功能的RF放大器的簡化框圖。復合電路由一個 RF 放大器和 3 個開關組成。這 3 個開關是單刀雙擲 (SPDT) 開關，開關的位置由開關的控制信號決定。在圖 4 中，開關設置為在信號路徑中包含 RF 增益模塊。在圖 5 中，開關設置為繞過它。 

圖 4：具有旁路功能的RF放大器設置為將放大器包含在信號鏈中。

圖 5：具有旁路功能的射頻放大器設置為旁路信號鏈中的放大器。

RF放大器中的旁路功能可用于設計許多RF信號鏈。典型的RF信號鏈支持不同的增益配置，具體取決于對接收或發送的RF信號功率的要求。根據接收器的噪聲系數 (NF) 和接收信號的功率電平，可能需要通過繞過 RF 接收器中的多個增益模塊來降低信號鏈增益以避免壓縮。

這種情況的示例如圖 6 所示。輸入信號動態范圍為 40 dB，最小信號電平為 -50 dBm，最大信號電平為 -10 dBm。兩個RF放大器用于輸入 P1dB = -1 dBm 和增益 = 20 dB。對于 -50 dBm 的輸入信號電平，打開RF放大器，輸出信號功率 = -50 dBm + 20 dB = – 30 dBm。這低于信號鏈中下一個RF放大器的輸入 P1dB，并且 RF 信號鏈保持在線性區域。對于-10 dBm的輸入功率電平，相比之下，第一個放大器未壓縮，輸出功率為-10 dBm + 20 dB = 10 dBm，大于下一個放大器的壓縮點。為了避免這種情況，繞過第一個RF放大器，允許第二個 RF 放大器的輸入功率為 -10 dBm，低于第二個RF放大器的 1 dB 壓縮點，并且 RF 信號鏈保持未壓縮。信號鏈中的旁路可以有效地擴展輸入信號的動態范圍，而不會影響信號鏈壓縮點。

旁路也可用于適應高功率電平，而不會損壞信號路徑中的RF放大器。在圖 6 中，如果兩個 RF放大器都被旁路，則在兩個放大器都處于直通模式的情況下，輸入信號功率可以增加 > 30 dBm，因為輸入 P1dB 現在是旁路開關的壓縮點，而不是射頻放大器。

圖 6：顯示使用旁路模式以避免信號鏈壓縮和損壞放大器的信號鏈示例。

因此，繞過RF信號鏈中的增益模塊的能力為RF系統設計人員提供了一個額外的工具，以適應不同信號場景的不同固定增益設置。

在分立式 COTS 射頻收發器中，圖 4 和圖 5 中的配置通常使用 3 個分立式 SPDT 開關組件和一個射頻放大器組件來實現，占用大量電路板空間。將開關與放大器集成到同一芯片上有助于減小尺寸并釋放空間。此外，旁路和關閉功能的需求并不相互排斥。在分立式設計中，旁路RF放大器在旁路模式下仍會消耗與在直通模式下相同的DC功率，除非它還包含前面描述的關斷功能。因此，需要一種單組件解決方案，該解決方案集成了旁路功能和在旁路模式下關閉RF放大器直流功率耗散的附加功能。

Mini-Circuits 的 MMIC 放大器包含旁路功能，包括將關斷和旁路功能結合到單個組件中的優勢（圖 7）。在旁路模式下，SPDT開關配置為旁路RF放大器，并且RF放大器偏置關閉。在此配置中，RF放大器的DC功耗接近 0 瓦，因此整體功耗僅是RF放大器上電時的一小部分。

圖 7：包括旁路和關斷功能的 Mini-Circuits 射頻放大器。

具有關斷和旁路功能的微型電路 MMIC放大器

Mini-Circuits的TSS和TSY系列MMIC放大器包括具有關斷和旁路功能的型號。下面的表 1 列出了這些放大器產品及其相關的性能特征。最右邊的一列指示產品是否具有關機或旁路功能。

型號	頻率范圍 (MHz)	增益 (dB)	NF (分貝)	P1dB (dBm)	OIP3 (dBm)	輸入駐波比	輸出電壓駐波比	電壓 (V)	電流 (mA)	特征
TSS-44+	22000-43500	17.6	3.2	6.9	12.7	1.37	1.28	4	22	關掉
TSS-183A+	5000-18000	14.2	4.4	17.9	28.9	1.37	1.28	5	145	關掉
TSS-53LNB+	500-5000	21.7	1.4	20.6	33.9	1.46	1.33	5	82	旁路
TSS-53LNB3+	500-5000	18.4	1.5	14.9	25	1.63	1.26	3	42	旁路
TSS-23HLN+	30-2000	21.8	1.4	28.5	42.6	1.92	1.67	8	236	關掉
TSS-23LN+	30-2000	21.5	1.2	24.1	36.4	1.92	1.67	3	139/74	關掉
TSY-172LNB+	30-1700	13.1	1.4	17.5	24.7	1.9	1.5	2.7	7.7	旁路
TSS-13HLN+	1-1000	23	1.4	28.4	42.9	1.43	1.37	8	234	關掉
TSS-13LN+	1-1000	22.8	1.1	24.5	39.2	1.28	1.32	3	142/72	關掉
TSY-13LNB+	30-1000	14.7	1.2	17.1	26.4	1.5	1.3	2.7	7.7	旁路

表 1： TSS和TSY系列 MMIC放大器具有關斷和旁路功能。

關于帶關斷和旁路放大器的數據表的說明

RF 放大器的旁路和關斷功能需要為產品定義兩套性能規范。在這些產品的數據表中，為正常工作模式下的射頻放大器提供了一組規格，當射頻放大器通電時，另一組規格則用于關閉模式下的放大器。對于具有旁路功能的型號，當旁路開關關閉時，射頻放大器打開時有一組單獨的規范，以及旁路開關打開時和射頻放大器關閉時的第二組規范.

TSS-53LNB+的這兩組規格如圖8所示。在旁路模式下，RF放大器的增益為如圖4所示的三個級聯開關的插入損耗。從圖3中，放大器的增益為降低 20 dB 至 -1 dB。此外，在旁路模式下，OIP3增加 > 10 dBm，并且1 dB壓縮點比在直通模式下高得多。   

圖 8：Mini-Circuits TSS-53LNB+數據表中放大器在直通模式 (ON) 和旁路模式下的規格。

結論

Mini-Circuits 開發了一個獨特的MMIC放大器系列，通過增加關斷和旁路功能開辟了許多應用。希望您現在對關機和旁路功能、這些功能之間的差異以及可以在系統設計級別利用每個功能的應用程序有了更好的了解。