O objetivo da análise de orçamento de RF é verificar a resposta de frequência de banda larga e o nível de potência de RF de diferentes pontos de teste no amplificador limitador. A análise deve ser concluída para corrigir o pior caso de temperatura operacional, inclinação de ganho e ampla faixa de potência de entrada de RF.
Então, quem sabe o que é análise de orçamento de RF?
O layout básico de um amplificador limitador com uma faixa dinâmica limitante de 40 dB é uma cascata de quatro amplificadores de bloco de ganho ou LNAs. O projeto ideal usa apenas um ou dois dispositivos amplificadores dedicados para reduzir a variação de potência em diferentes frequências e minimizar os requisitos de compensação térmica / inclinação. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos dos primeiros amplificadores limitadores iniciais antes da correção de temperatura e compensação de declive.
Figura 1. Diagrama de blocos do projeto preliminar
Primeiro vem um pequeno benefício, recomende uma técnica para completar o design do amplificador de limitação de banda larga:
1. Gerenciar a faixa dinâmica de limitação de potência e eliminar as condições de overdrive de RF
2. Otimize o desempenho dentro da faixa de temperatura
3. Finalmente, corrija a filtragem de energia e achatar o pequeno ganho de sinal
4. A última pequena correção pode ser necessária, ou seja, após a função de equalização de frequência ser incorporada ao projeto, reconsidere a compensação de temperatura
Limite de potência
O principal problema com o projeto preliminar mostrado na Figura 1 é que à medida que a potência de entrada de RF aumenta, é provável que ocorra overdrive de RF no estágio de ganho de saída. Quando a potência de saída saturada de qualquer estágio de ganho excede a entrada máxima absoluta do próximo amplificador na fila, ocorrerá overdrive de RF. Além disso, o design é propenso a ondulações relacionadas ao VSWR e é provável que ocorram oscilações devido ao alto ganho não amortecido no pequeno pacote de RF.
Para evitar overdrive de RF, eliminar os efeitos VSWR e reduzir o risco de oscilação, um atenuador fixo pode ser adicionado entre cada estágio de ganho para reduzir a potência e o ganho. Um absorvedor de RF também pode ser necessário na tampa de RF para eliminar oscilações. Atenuação suficiente é necessária para reduzir a potência de entrada máxima de cada estágio de ganho abaixo do nível de potência de entrada nominal do MMIC. Atenuação suficiente deve ser incluída para acomodar a margem superior de energia de entrada, para acomodar mudanças de temperatura e diferenças entre dispositivos. A Figura 2 mostra onde o atenuador de RF é necessário na cadeia de amplificação de limitação.
Figura 2. Diagrama de blocos de correção de overdrive de RF
O amplificador de limitação de banda larga da ADI HMC7891 usa quatro estágios de ganho HMC462 para permitir que a faixa operacional alcance 10 dBm. A potência de entrada máxima absoluta é de 15 dBm. Cada estágio de ganho pode tolerar uma entrada RF máxima de 18 dBm. Seguindo as etapas do projeto descritas no parágrafo anterior, um atenuador foi adicionado entre os dois estágios de ganho para garantir que o nível máximo de potência de entrada do amplificador não exceda 17 dBm. A Figura 3 mostra o nível de potência máxima na entrada de cada estágio de ganho quando um atenuador fixo é adicionado ao projeto.
Figura 3. Simulação da relação entre POUT e frequência, correção de overdrive de RF
O design é compensado termicamente para expandir a faixa de temperatura operacional. O requisito de faixa térmica geral para limitar as aplicações do amplificador é de -40 ° C a + 85 ° C. Com base na experiência, a fórmula de alteração de ganho de 0.01 dB / ° / nível pode ser usada para estimar a alteração de ganho de um projeto de amplificador de quatro níveis. O ganho aumenta conforme a temperatura diminui e vice-versa. Usando o ganho ambiente como linha de base, espera-se que o ganho total diminua em 2.4 dB a 85 ° C e aumente em 2.6 dB a –40 ° C.
Para compensar termicamente o projeto, um atenuador variável de temperatura Thermopad® disponível comercialmente pode ser inserido para substituir o atenuador fixo. A Figura 4 mostra os resultados do teste de um atenuador Thermopad de banda larga disponível comercialmente. Com base nos dados de teste do Thermopad e nas alterações de ganho estimadas, é óbvio que dois atenuadores Thermopad são necessários para compensar termicamente o projeto do amplificador limitador de quatro estágios.
Figura 4. Perda de termopad ao longo da temperatura
Decidir onde inserir o Thermopad é uma decisão importante. Como a perda do atenuador Thermopad aumentará, especialmente em condições de baixa temperatura, é uma boa prática evitar adicionar componentes próximos à extremidade de saída da cadeia de RF para manter um nível de potência de saída de limite alto. A localização ideal para o Thermopad é entre os três primeiros estágios do amplificador, que é o local destacado na Figura 5.
Figura 5. Diagrama de blocos de compensação térmica
O resultado da simulação do desempenho do pequeno sinal de compensação térmica HMC7891 da ADI é mostrado na Figura 6. Antes da equalização de frequência, a mudança de ganho é reduzida a um máximo de 2.5 dB. Isso está dentro da faixa necessária de alteração de ganho de ± 1.5 dB.
Figura 6. HMC7891 simulou pequeno ganho de sinal de temperatura
Equalização de frequência
Isso compensa a redução do ganho natural na maioria dos amplificadores de banda larga. Existem vários designs de equalizador, incluindo chips GaAs MMIC passivos. Os equalizadores passivos da MMIC são pequenos em tamanho e não têm requisitos de sinal de controle e CC, portanto, são muito adequados para limitar o projeto de amplificadores. O número de equalizadores de frequência necessários depende do declive de ganho não compensado do amplificador de limitação e da resposta do equalizador selecionado. Uma recomendação de projeto é supercompensar ligeiramente a resposta de frequência para compensar a perda da linha de transmissão e a perda do conector, bem como parasitas de pacote que têm um impacto maior no ganho em frequências mais altas. A Figura 7 mostra os resultados do teste do equalizador de frequência ADI GaAs personalizado.
Figura 7. Perda do equalizador de frequência medida
O amplificador limitador HMC7891 da ADI requer três equalizadores de frequência para corrigir a resposta de sinal pequeno compensado termicamente. A Figura 8 mostra os resultados da simulação de HMC7891 após a compensação térmica e equalização de frequência. Decidir onde inserir o equalizador é fundamental para um design de sucesso. Antes de adicionar qualquer equalizador, lembre-se de que um amplificador limitador ideal deve distribuir uniformemente a compressão máxima do amplificador entre todos os estágios de ganho para evitar saturação excessiva. Em outras palavras, no pior caso, cada MMIC deve ser compactado igualmente.
Figura 8. HMC7891 simulação de equalização de frequência pequeno ganho de sinal sobre a temperatura
No estágio de projeto atual mostrado na Figura 5, um equalizador conectado em série com o atenuador Thermopad pode ser adicionado na entrada do dispositivo para substituir o atenuador fixo na saída do dispositivo. Por que você fez isso? Quatro razões
1. Adicionar um equalizador à entrada do amplificador limitador reduzirá a potência do primeiro estágio de ganho. Portanto, a compressão do nível 1 é reduzida. A redução na compressão do estágio de ganho é equivalente à redução na limitação da faixa dinâmica. Além disso, devido à inclinação de atenuação do equalizador, a faixa dinâmica de limitação é dispersa na faixa de frequência. Quanto mais baixa a frequência, mais reduzida é a faixa dinâmica. Para compensar a redução da faixa dinâmica de limitação, a potência de entrada de RF deve ser aumentada. No entanto, devido à inclinação do equalizador, um aumento desigual na potência de entrada aumentará o risco de overdrive do estágio de ganho do amplificador. É possível adicionar um equalizador na entrada do aparelho, mas este não é o local ideal.
2. Adicionar um equalizador conectado em série com o Thermopad reduzirá a compressão dos amplificadores subsequentes. Isso resultará em uma distribuição desigual da compressão do amplificador entre os estágios de ganho, reduzindo a limitação da faixa dinâmica geral. Não é recomendado conectar o equalizador em série com o atenuador Thermopad.
3. Usar um ou mais equalizadores em vez de atenuadores fixos mudará apenas o nível de compressão do amplificador de estágio de saída. Para minimizar essa variação e evitar overdrive de RF, a perda do equalizador deve ser aproximadamente igual ao valor de atenuação fixa removido do sistema. Além disso, conforme mencionado acima, adicionar um equalizador antes do estágio de ganho resultará em uma dispersão da faixa dinâmica e da frequência limitantes. Para minimizar esse efeito, substitua o mínimo possível de equalizadores.
4. O equalizador pode ser adicionado à saída do dispositivo. A equalização de saída reduzirá a potência de saída, mas não produzirá limitação de dispersão da faixa dinâmica. A equalização de saída produz uma inclinação de potência de saída ligeiramente positiva, mas essa inclinação é compensada pelo empacotamento de alta frequência e perdas do conector.
O layout do amplificador limitador de quatro estágios acabado é mostrado na Figura 9.
Figura 9. Diagrama de blocos de equalização de frequência
A Figura 10 mostra a potência de saída e os resultados da simulação de temperatura do ADI HMC7891. O projeto final alcançou uma faixa dinâmica limite de 40 dB. Sob todas as condições operacionais, a mudança simulada de potência de saída no pior caso foi de 3 dB.
Figura 10. A relação entre o PSAT simulado de HMC7891 e a frequência dentro da faixa de temperatura
