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    RF予算分析とは何ですか?

     

    RFバジェット分析の目的は、制限増幅器内のさまざまなテストポイントの広帯域周波数応答とRF電力レベルをチェックすることです。 The analysis must be completed to correct for the worst-case operating temperature, gain slope, and wide RF input power range.ワーストケースの動作温度、ゲインスロープ、広いRF入力電力範囲を補正するには、分析を完了する必要があります。

    では、RF予算分析とは誰が知っているのでしょうか。

    40 dBの制限ダイナミックレンジを持つ制限増幅器の基本的なレイアウトは、1つのゲインブロック増幅器またはLNAのカスケードです。 The ideal design uses only one or two dedicated amplifier devices to reduce power variation at different frequencies and minimize thermal/slope compensation requirements.理想的な設計では、XNUMXつまたはXNUMXつの専用アンプデバイスのみを使用して、さまざまな周波数での電力変動を低減し、熱/スロープ補償要件を最小限に抑えます。 Figure XNUMX shows the block diagram of the first initial limiting amplifiers before temperature correction and slope compensation.図XNUMXに、温度補正とスロープ補償前の最初の初期制限増幅器のブロック図を示します。

    図1.予備設計のブロック図
    最初に小さな利点があります。ブロードバンド制限アンプの設計を完了するための手法をお勧めします。
    1.制限電力ダイナミックレンジを管理し、RFオーバードライブ状態を排除する
    2.温度範囲内でパフォーマンスを最適化します
    3.最後に、パワーロールオフを修正し、小信号ゲインを平坦化します。
    4.最後の小さな修正が必要になる場合があります。つまり、周波数等化機能が設計に組み込まれた後、温度補償を再検討します。
    電力制限
    The main problem with the preliminary design shown in Figure 1 is that as the RF input power increases, RF overdrive is likely to occur at the output gain stage.図XNUMXに示す予備設計の主な問題は、RF入力電力が増加すると、出力ゲインステージでRFオーバードライブが発生する可能性があることです。 When the saturated output power of any gain stage exceeds the absolute maximum input of the next amplifier in the queue, RF overdrive will occur.ゲインステージの飽和出力電力がキュー内の次のアンプの絶対最大入力を超えると、RFオーバードライブが発生します。 In addition, the design is prone to VSWR-related ripples, and oscillations are likely to occur due to the high undamped gain in the small RF package.さらに、設計ではVSWR関連のリップルが発生しやすく、小型のRFパッケージではダンピングされていないゲインが高いため、発振が発生する可能性があります。
    RFオーバードライブを防ぎ、VSWRの影響を排除し、発振のリスクを減らすために、固定減衰器を各ゲインステージの間に追加して、電力とゲインを減らすことができます。 An RF absorber may also be required on the RF cover to eliminate oscillations.発振を排除するために、RFカバーにRF吸収体が必要になる場合もあります。 Sufficient attenuation is needed to reduce the maximum input power of each gain stage below the rated input power level of the MMIC.各ゲインステージの最大入力電力をMMICの定格入力電力レベルより低くするには、十分な減衰が必要です。 Sufficient attenuation must be included to accommodate the top input power margin, to accommodate temperature changes and differences between devices.温度変化やデバイス間の差異に対応するために、最大入力電力マージンに対応するには、十分な減衰を含める必要があります。 Figure 2 shows where the RF attenuator is needed in the limiting amplifier chain.図XNUMXは、制限増幅器チェーンのどこにRF減衰器が必要かを示しています。

    図2. RFオーバードライブ補正のブロック図
    ADIの広帯域リミッティングアンプHMC7891は、462つのHMC10ゲインステージを使用して、動作範囲を15 dBmに到達させます。 The absolute maximum input power is 18 dBm.絶対最大入力電力は17dBmです。 Each gain stage can tolerate a maximum RF input of 3 dBm.各ゲインステージは、XNUMXdBmの最大RF入力に耐えることができます。 Following the design steps outlined in the previous paragraph, an attenuator has been added between the two gain stages to ensure that the maximum amplifier input power level does not exceed XNUMX dBm.前の段落で概説した設計手順に従って、XNUMXつのゲインステージの間に減衰器が追加され、最大アンプ入力パワーレベルがXNUMX dBmを超えないようにしています。 Figure XNUMX shows the maximum power level at the input of each gain stage when a fixed attenuator is added to the design.図XNUMXは、固定減衰器が設計に追加されたときの各ゲインステージの入力での最大電力レベルを示しています。

    図3.POUTと周波数の関係のシミュレーション、RFオーバードライブ補正

    設計は熱的に補償され、動作温度範囲を拡大します。 アンプアプリケーションを制限するための一般的な熱範囲要件は、-40°C〜 + 85°Cです。 経験に基づいて、0.01dB /°/レベルのゲイン変化式を使用して、2.4レベルアンプ設計のゲイン変化を推定できます。 温度が下がるとゲインが増加し、その逆も同様です。 ベースラインとして周囲ゲインを使用すると、合計ゲインは85°Cで2.6 dB減少し、–40°CでXNUMXdB増加すると予想されます。
    設計を熱的に補償するために、市販のThermopad®温度可変減衰器を挿入して、固定減衰器の代わりに使用できます。 図4に、市販の広帯域サーモパッド減衰器のテスト結果を示します。 サーモパッドのテストデータと推定ゲインの変化に基づいて、XNUMX段の制限増幅器の設計を熱的に補償するためにXNUMXつのサーモパッド減衰器が必要であることは明らかです。

    図4.温度によるサーモパッドの損失
    Deciding where to insert the Thermopad is an important decision.サーモパッドを挿入する場所を決定することは重要な決定です。 Because the loss of the Thermopad attenuator will increase, especially in low temperature conditions, it is a good practice to avoid adding components close to the output end of the RF chain in order to maintain a high limit output power level.特に低温状態では、サーモパッド減衰器の損失が増加するため、上限の出力電力レベルを維持するために、RFチェーンの出力端の近くにコンポーネントを追加しないことをお勧めします。 The ideal location for the Thermopad is between the first three amplifier stages, which is the location highlighted in Figure 5.サーモパッドの理想的な場所は、最初のXNUMXつのアンプ段の間です。これは、図XNUMXで強調表示されている場所です。

    図5.熱補償ブロック図
    ADIの熱補償HMC7891小信号性能のシミュレーション結果を図6に示します。周波数等化の前に、ゲイン変化は最大2.5dBに減少します。 これは、±1.5dBのゲイン変化の必要な範囲内です。

    図6.HMC7891がシミュレートした温度に対する小信号ゲイン
    周波数イコライゼーション
    This compensates for the natural gain roll-off in most broadband amplifiers.これにより、ほとんどのブロードバンドアンプの自然なゲインロールオフが補正されます。 There are various equalizer designs, including passive GaAs MMIC chips.パッシブGaAsMMICチップを含む、さまざまなイコライザー設計があります。 Passive MMIC equalizers are small in size and have no DC and control signal requirements, so they are very suitable for limiting amplifier design.パッシブMMICイコライザーはサイズが小さく、DCおよび制御信号の要件がないため、アンプの設計を制限するのに非常に適しています。 The number of frequency equalizers required depends on the uncompensated gain slope of the limiting amplifier and the response of the selected equalizer.必要な周波数イコライザーの数は、制限アンプの補償されていないゲインスロープと選択したイコライザーの応答によって異なります。 A design recommendation is to slightly overcompensate the frequency response to offset transmission line loss and connector loss, as well as package parasitics that have a greater impact on gain at higher frequencies.設計上の推奨事項は、オフセット伝送ライン損失とコネクタ損失、およびより高い周波数でのゲインに大きな影響を与えるパッケージ寄生に対して、周波数応答をわずかに過補償することです。 Figure 7 shows the test results of the custom ADI GaAs frequency equalizer.図XNUMXは、カスタムADI GaAs周波数イコライザーのテスト結果を示しています。

    図7.測定された周波数イコライザー損失
    ADIのHMC7891リミッティングアンプは、熱的に補償された小信号応答を補正するために8つの周波数イコライザーを必要とします。 Figure 7891 shows the simulation results of HMCXNUMX after thermal compensation and frequency equalization.図XNUMXに、熱補償と周波数等化後のHMCXNUMXのシミュレーション結果を示します。 Deciding where to insert the equalizer is critical to a successful design.イコライザーを挿入する場所を決定することは、設計を成功させるために重要です。 Before adding any equalizers, remember that an ideal limiting amplifier should evenly distribute the maximum amplifier compression between all gain stages to avoid excessive saturation.イコライザーを追加する前に、理想的なリミッティングアンプは、最大のアンプ圧縮をすべてのゲインステージに均等に分配して、過度の飽和を回避する必要があることを覚えておいてください。 In other words, in the worst case, each MMIC should compress equally.つまり、最悪の場合、各MMICは均等に圧縮されます。

    図8.HMC7891シミュレーション周波数イコライゼーション温度に対する小信号ゲイン
    5つの理由
    1.制限アンプの入力にイコライザーを追加すると、最初のゲインステージの電力が減少します。 Therefore, the compression of level 1 is reduced.したがって、レベルXNUMXの圧縮は減少します。 The reduction in gain stage compression is equivalent to the reduction in limiting dynamic range.ゲインステージの圧縮の減少は、ダイナミックレンジの制限の減少と同等です。 In addition, due to the attenuation slope of the equalizer, the limiting dynamic range is dispersed in the frequency range.さらに、イコライザーの減衰スロープにより、制限ダイナミックレンジは周波数範囲に分散されます。 The lower the frequency, the more the dynamic range is reduced.周波数が低いほど、ダイナミックレンジが減少します。 To compensate for the reduced limiting dynamic range, the RF input power must be increased.制限された制限ダイナミックレンジを補正するには、RF入力電力を増やす必要があります。 However, due to the slope of the equalizer, an uneven increase in input power will increase the risk of overdrive of the amplifier gain stage.ただし、イコライザーのスロープにより、入力電力が不均一に増加すると、アンプのゲイン段がオーバードライブするリスクが高まります。 It is possible to add an equalizer to the input of the device, but this is not the ideal location.デバイスの入力にイコライザーを追加することは可能ですが、これは理想的な場所ではありません。
    2.サーモパッドと直列に接続されたイコライザーを追加すると、後続のアンプの圧縮が減少します。 This will result in uneven distribution of amplifier compression between gain stages, reducing the overall limiting dynamic range.これにより、ゲインステージ間でアンプの圧縮が不均一に分散され、全体的な制限ダイナミックレンジが減少します。 It is not recommended to connect the equalizer in series with the Thermopad attenuator.イコライザーをサーモパッドアッテネーターと直列に接続することはお勧めしません。
    3.固定減衰器の代わりにXNUMXつまたは複数のイコライザーを使用すると、出力段増幅器の圧縮レベルのみが変更されます。 To minimize this variation and avoid RF overdrive, the equalizer loss should be roughly equal to the fixed attenuation value removed from the system.この変動を最小限に抑え、RFオーバードライブを回避するには、イコライザーの損失を、システムから削除された固定減衰値とほぼ同じにする必要があります。 In addition, as mentioned above, adding an equalizer before the gain stage will result in a dispersion of the limiting dynamic range and frequency.また、前述のとおり、ゲインステージの前にイコライザーを追加すると、ダイナミックレンジと周波数の制限が分散されます。 To minimize this effect, replace as few equalizers as possible.この影響を最小限に抑えるには、できるだけ少ないイコライザーを交換してください。
    4.イコライザーをデバイスの出力に追加できます。 Output equalization will reduce the output power, but will not produce limiting dynamic range dispersion.出力イコライゼーションは出力パワーを低減しますが、ダイナミックレンジの分散を制限することはありません。 Output equalization produces a slightly positive output power slope, but this slope is offset by high-frequency packaging and connector losses.出力イコライゼーションはわずかに正の出力電力スロープを生成しますが、このスロープは高周波パッケージングとコネクタ損失によって相殺されます。
    完成した9段リミッティングアンプのレイアウトを図XNUMXに示します。

    図9.周波数等化のブロック図
    Figure 10 shows the output power and temperature simulation results of ADI HMC7891.図40に、ADI HMC3の出力電力と温度のシミュレーション結果を示します。 The final design achieved a limiting dynamic range of XNUMX dB.最終的な設計では、XNUMX dBの制限ダイナミックレンジが達成されました。 Under all operating conditions, the simulated worst-case output power change was XNUMX dB.すべての動作条件下で、シミュレートされたワーストケースの出力電力変化はXNUMXdBでした。

    図10. HMC7891のシミュレートされたPSATと温度範囲内の周波数の関係

     

     

     

     

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