การวิเคราะห์งบประมาณ RF คืออะไร?

วัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์งบประมาณ RF คือการตรวจสอบการตอบสนองความถี่บรอดแบนด์และระดับพลังงาน RF ของจุดทดสอบที่แตกต่างกันในเครื่องขยายเสียงที่ จำกัด การวิเคราะห์จะต้องเสร็จสิ้นเพื่อแก้ไขอุณหภูมิในการทำงานกรณีที่เลวร้ายความชันที่เพิ่มขึ้นและช่วงกำลังอินพุต RF ที่กว้าง

ใครจะรู้ว่าการวิเคราะห์งบประมาณ RF คืออะไร?

เลย์เอาต์พื้นฐานของแอมพลิฟายเออร์แบบ จำกัด ที่มีช่วงไดนามิก จำกัด 40 เดซิเบลคือการเรียงซ้อนของแอมพลิฟายเออร์บล็อกกำไรสี่ตัวหรือ LNA การออกแบบในอุดมคติใช้อุปกรณ์แอมพลิฟายเออร์เฉพาะหนึ่งหรือสองเครื่องเพื่อลดการแปรผันของกำลังที่ความถี่ต่างกันและลดข้อกำหนดในการชดเชยความร้อน / ความลาดชัน รูปที่ 1 แสดงแผนภาพบล็อกของแอมพลิฟายเออร์ จำกัด เริ่มต้นตัวแรกก่อนการแก้ไขอุณหภูมิและการชดเชยความลาดชัน

รูปที่ 1. แผนภาพบล็อกของการออกแบบเบื้องต้น
ประการแรกมาเป็นประโยชน์เล็กน้อยขอแนะนำเทคนิคในการออกแบบเครื่องขยายสัญญาณ จำกัด บรอดแบนด์:
1. จัดการช่วงไดนามิกของพลังงานที่ จำกัด และกำจัดเงื่อนไข RF overdrive
2. เพิ่มประสิทธิภาพภายในช่วงอุณหภูมิ
3. สุดท้ายแก้ไขการปิดเครื่องและทำให้สัญญาณขนาดเล็กแบน
4. การแก้ไขเล็กน้อยสุดท้ายอาจจำเป็นนั่นคือหลังจากรวมฟังก์ชันการปรับสมดุลความถี่เข้ากับการออกแบบแล้วให้พิจารณาการชดเชยอุณหภูมิอีกครั้ง
ขีด จำกัด พลังงาน
ปัญหาหลักของการออกแบบเบื้องต้นที่แสดงในรูปที่ 1 คือเมื่อกำลังอินพุต RF เพิ่มขึ้น RF overdrive มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในขั้นตอนการขยายเอาต์พุต เมื่อกำลังเอาต์พุตอิ่มตัวของระยะเกนใด ๆ เกินอินพุตสูงสุดสัมบูรณ์ของแอมพลิฟายเออร์ถัดไปในคิว RF โอเวอร์ไดรฟ์จะเกิดขึ้น นอกจากนี้การออกแบบยังมีแนวโน้มที่จะเกิดระลอกคลื่นที่เกี่ยวข้องกับ VSWR และการสั่นมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากอัตราขยายที่ไม่ได้รับการกระแทกสูงในแพ็คเกจ RF ขนาดเล็ก
เพื่อป้องกัน RF overdrive กำจัดเอฟเฟกต์ VSWR และลดความเสี่ยงของการสั่นสามารถเพิ่มตัวลดทอนแบบคงที่ระหว่างแต่ละขั้นตอนการขยายเพื่อลดกำลังและอัตราขยาย อาจต้องใช้ตัวดูดซับ RF บนฝาครอบ RF เพื่อกำจัดการสั่น จำเป็นต้องมีการลดทอนที่เพียงพอเพื่อลดกำลังอินพุตสูงสุดของแต่ละขั้นตอนการรับที่ต่ำกว่าระดับกำลังอินพุตที่กำหนดของ MMIC ต้องมีการลดทอนที่เพียงพอเพื่อรองรับขอบกำลังอินพุตด้านบนเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ รูปที่ 2 แสดงตำแหน่งที่จำเป็นต้องใช้ตัวลดทอน RF ในห่วงโซ่เครื่องขยายเสียงที่ จำกัด

รูปที่ 2. แผนภาพบล็อกการแก้ไข RF overdrive
แอมพลิฟายเออร์ จำกัด ย่านความถี่กว้างของ ADI HMC7891 ใช้ระยะขยาย HMC462 สี่ขั้นตอนเพื่อให้ช่วงการทำงานสูงถึง 10 dBm กำลังไฟฟ้าเข้าสูงสุดที่แน่นอนคือ 15 dBm แต่ละขั้นตอนการรับสามารถทนต่ออินพุต RF สูงสุด 18 dBm ทำตามขั้นตอนการออกแบบที่ระบุไว้ในย่อหน้าก่อนหน้านี้ได้มีการเพิ่มตัวลดทอนระหว่างสองขั้นตอนการขยายเพื่อให้แน่ใจว่าระดับกำลังอินพุตของเครื่องขยายเสียงสูงสุดไม่เกิน 17 dBm รูปที่ 3 แสดงระดับพลังงานสูงสุดที่อินพุตของแต่ละขั้นตอนการรับเมื่อเพิ่มตัวลดทอนคงที่ในการออกแบบ

รูปที่ 3. การจำลองความสัมพันธ์ระหว่าง POUT และความถี่การแก้ไข RF โอเวอร์ไดรฟ์

การออกแบบได้รับการชดเชยความร้อนเพื่อขยายช่วงอุณหภูมิในการทำงาน ข้อกำหนดช่วงความร้อนทั่วไปสำหรับการ จำกัด การใช้งานแอมพลิฟายเออร์คือ -40 ° C ถึง + 85 ° C จากประสบการณ์สามารถใช้สูตรการเปลี่ยนแปลงอัตราขยาย 0.01 dB / ° / ระดับเพื่อประมาณการเปลี่ยนแปลงอัตราขยายของการออกแบบเครื่องขยายเสียงสี่ระดับ การเพิ่มขึ้นจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงและในทางกลับกัน การใช้ค่าขยายโดยรอบเป็นพื้นฐานคาดว่าอัตราขยายรวมจะลดลง 2.4 dB ที่ 85 ° C และเพิ่มขึ้น 2.6 dB ที่ –40 ° C
เพื่อชดเชยการออกแบบด้วยความร้อนคุณสามารถใส่ตัวลดทอนอุณหภูมิThermopad®ที่มีวางจำหน่ายทั่วไปเพื่อแทนที่ตัวลดทอนแบบคงที่ รูปที่ 4 แสดงผลการทดสอบของตัวลดทอนเทอร์โมแพดแบบบรอดแบนด์ที่มีจำหน่ายทั่วไป จากข้อมูลการทดสอบของ Thermopad และการเปลี่ยนแปลงที่ได้รับโดยประมาณจะเห็นได้ชัดว่าจำเป็นต้องใช้ตัวลดทอน Thermopad สองตัวเพื่อชดเชยการออกแบบเครื่องขยายเสียงแบบ จำกัด สี่ขั้น

รูปที่ 4. การสูญเสียเทอร์โมแพดมากกว่าอุณหภูมิ
การตัดสินใจว่าจะใส่ Thermopad ที่ใดจึงเป็นการตัดสินใจที่สำคัญ เนื่องจากการสูญเสียตัวลดทอนเทอร์โมแพดจะเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำจึงควรหลีกเลี่ยงการเพิ่มส่วนประกอบใกล้กับปลายสายสัญญาณออกของห่วงโซ่ RF เพื่อรักษาระดับพลังงานเอาต์พุตที่มีขีด จำกัด สูง ตำแหน่งที่เหมาะสำหรับ Thermopad อยู่ระหว่างขั้นตอนของเครื่องขยายเสียงสามขั้นแรกซึ่งเป็นตำแหน่งที่ไฮไลต์ในรูปที่ 5

รูปที่ 5. แผนภาพบล็อกการชดเชยความร้อน
ผลการจำลองการชดเชยความร้อนของ ADI ประสิทธิภาพของสัญญาณขนาดเล็ก HMC7891 แสดงในรูปที่ 6 ก่อนการปรับสมดุลความถี่การเปลี่ยนแปลงอัตราขยายจะลดลงเหลือสูงสุด 2.5 dB อยู่ในช่วงที่กำหนดของการเปลี่ยนแปลงอัตราขยาย± 1.5 dB

รูปที่ 6. HMC7891 จำลองสัญญาณขนาดเล็กที่ได้รับเหนืออุณหภูมิ
การปรับสมดุลความถี่
สิ่งนี้จะชดเชยการโรลออฟที่เป็นธรรมชาติในแอมพลิฟายเออร์บรอดแบนด์ส่วนใหญ่ มีการออกแบบอีควอไลเซอร์ที่หลากหลายรวมถึงชิป GaAs MMIC แบบพาสซีฟ Passive MMIC อีควอไลเซอร์มีขนาดเล็กและไม่มีข้อกำหนดเกี่ยวกับ DC และสัญญาณควบคุมดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการ จำกัด การออกแบบเครื่องขยายเสียง จำนวนอีควอไลเซอร์ความถี่ที่ต้องการขึ้นอยู่กับความชันของอัตราขยายที่ไม่ได้ชดเชยของเครื่องขยายเสียงที่ จำกัด และการตอบสนองของอีควอไลเซอร์ที่เลือก ข้อเสนอแนะในการออกแบบคือการชดเชยการตอบสนองความถี่เล็กน้อยเพื่อชดเชยการสูญเสียสายส่งและการสูญเสียตัวเชื่อมต่อรวมถึงปรสิตบรรจุภัณฑ์ที่มีผลกระทบมากขึ้นต่ออัตราขยายที่ความถี่สูงขึ้น รูปที่ 7 แสดงผลการทดสอบของอีควอไลเซอร์ความถี่ ADI GaAs ที่กำหนดเอง

รูปที่ 7. การสูญเสียอีควอไลเซอร์ความถี่ที่วัดได้
แอมพลิฟายเออร์ จำกัด HMC7891 ของ ADI ต้องการอีควอไลเซอร์ความถี่สามตัวเพื่อแก้ไขการตอบสนองของสัญญาณขนาดเล็กที่ชดเชยความร้อน รูปที่ 8 แสดงผลการจำลองของ HMC7891 หลังจากการชดเชยความร้อนและการปรับสมดุลความถี่ การตัดสินใจว่าจะใส่อีควอไลเซอร์ไว้ที่ใดจึงมีความสำคัญต่อการออกแบบที่ประสบความสำเร็จ ก่อนที่จะเพิ่มอีควอไลเซอร์ใด ๆ โปรดจำไว้ว่าแอมพลิฟายเออร์ที่ จำกัด ในอุดมคติควรกระจายการบีบอัดแอมพลิฟายเออร์สูงสุดอย่างเท่าเทียมกันระหว่างระยะการขยายทั้งหมดเพื่อหลีกเลี่ยงความอิ่มตัวมากเกินไป กล่าวอีกนัยหนึ่งในกรณีที่เลวร้ายที่สุด MMIC แต่ละรายการควรบีบอัดเท่า ๆ กัน

รูปที่ 8. HMC7891 การจำลองความถี่อีควอไลเซอร์สัญญาณขนาดเล็กที่ได้รับมากกว่าอุณหภูมิ
ในขั้นตอนการออกแบบปัจจุบันที่แสดงในรูปที่ 5 สามารถเพิ่มอีควอไลเซอร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวลดทอนเทอร์โมแพดที่อินพุตของอุปกรณ์เพื่อแทนที่ตัวลดทอนคงที่ที่เอาต์พุตของอุปกรณ์ ทำไมคุณถึงทำเช่นนี้? สี่เหตุผล
1. การเพิ่มอีควอไลเซอร์ให้กับอินพุตของแอมพลิฟายเออร์ที่ จำกัด จะลดกำลังของระยะเกนแรก ดังนั้นการบีบอัดของระดับ 1 จะลดลง การลดการบีบอัดระยะขยายจะเทียบเท่ากับการลดการ จำกัด ช่วงไดนามิก นอกจากนี้เนื่องจากความชันของการลดทอนของอีควอไลเซอร์ช่วงไดนามิกที่ จำกัด จะกระจายไปในช่วงความถี่ ยิ่งความถี่ต่ำเท่าใดไดนามิกเรนจ์ก็จะยิ่งลดลง เพื่อชดเชยช่วงไดนามิก จำกัด ที่ลดลงต้องเพิ่มกำลังอินพุต RF อย่างไรก็ตามเนื่องจากความลาดเอียงของอีควอไลเซอร์การเพิ่มกำลังอินพุตที่ไม่สม่ำเสมอจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการโอเวอร์ไดรฟ์ของระยะขยายของเครื่องขยายเสียง เป็นไปได้ที่จะเพิ่มอีควอไลเซอร์ลงในอินพุตของอุปกรณ์ แต่นี่ไม่ใช่ตำแหน่งที่เหมาะ
2. การเพิ่มอีควอไลเซอร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมด้วย Thermopad จะช่วยลดการบีบอัดของแอมป์ที่ตามมา ซึ่งจะส่งผลให้การกระจายการบีบอัดของแอมพลิฟายเออร์ไม่สม่ำเสมอระหว่างระยะเกนลดช่วงไดนามิกที่ จำกัด โดยรวม ไม่แนะนำให้เชื่อมต่ออีควอไลเซอร์แบบอนุกรมกับตัวลดทอนเทอร์โมแพด
3. การใช้อีควอไลเซอร์หนึ่งตัวหรือมากกว่าแทนตัวลดทอนคงที่จะเปลี่ยนระดับการบีบอัดของแอมพลิฟายเออร์สเตจเอาท์พุตเท่านั้น เพื่อลดรูปแบบนี้ให้น้อยที่สุดและหลีกเลี่ยง RF overdrive การสูญเสียอีควอไลเซอร์ควรจะเท่ากับค่าการลดทอนคงที่ที่ลบออกจากระบบ นอกจากนี้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นการเพิ่มอีควอไลเซอร์ก่อนระยะการขยายจะส่งผลให้เกิดการกระจายของช่วงไดนามิกและความถี่ที่ จำกัด เพื่อลดเอฟเฟกต์นี้ให้เปลี่ยนอีควอไลเซอร์ให้น้อยที่สุด
4. สามารถเพิ่มอีควอไลเซอร์ลงในเอาต์พุตของอุปกรณ์ได้ การทำให้เท่าเทียมกันของเอาต์พุตจะลดกำลังขับ แต่จะไม่ทำให้เกิดการกระจายช่วงไดนามิกที่ จำกัด การปรับสมดุลเอาต์พุตทำให้เกิดความลาดชันของกำลังเอาต์พุตที่เป็นบวกเล็กน้อย แต่ความลาดชันนี้ถูกชดเชยด้วยการสูญเสียบรรจุภัณฑ์ความถี่สูงและการสูญเสียตัวเชื่อมต่อ
เค้าโครงเครื่องขยายเสียงแบบ จำกัด สี่ขั้นตอนที่เสร็จสิ้นแล้วแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9. แผนภาพบล็อกของการปรับสมดุลความถี่
รูปที่ 10 แสดงกำลังเอาต์พุตและผลการจำลองอุณหภูมิของ ADI HMC7891 การออกแบบขั้นสุดท้ายมีช่วงไดนามิก จำกัด ที่ 40 dB ภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมดการเปลี่ยนแปลงกำลังเอาต์พุตกรณีเลวร้ายที่สุดที่จำลองไว้คือ 3 dB