包含高度集成和高度復雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的系統，如脈沖雷達應用，對于當今的數字控制和管理系統來說是一個持續的挑戰，以跟上這些不斷增長的水平、復雜。為了在這個市場中競爭，今天的控制系統必須非常靈活，可重復使用，并且能夠輕松適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據設計人員的需求進行定制。

 

這些復雜的管理系統需要創新的補償算法，內置測試（BIT）功能，本地和遠程通信接口，關鍵系統性能參數和環境條件的監控以及系統故障保護。這些系統的復雜性增加是由于對基于半導體的RF系統的更高功率的需求。

 

這些高功率系統產生大量熱量，這會對放大器性能和平均故障間隔時間（MTBF）產生影響。這些系統所需的RF放大器MMIC是昂貴的高功率器件。因此，客戶希望實時監控GaN PA系統的性能和溫度。這允許在損壞之前檢測即將發生的問題，以便他們可以采取必要的措施來防止它。通過適當的控制電子設計，實現可以非常靈活，可以與任何RF放大器架構一起使用。數字電子產品可根據客戶需求量身定制。數字設計可以包括內置保護邏輯，以在接近損壞閾值時禁用GaN RF放大器。這些關鍵特性對于在寬帶寬和溫度范圍內優化RF性能的需求起著至關重要的作用。它們有助于實現高水平的可測試性，可維護性，易于系統集成和校準，從而提供技術差異化。

 

今天的半導體RF放大器的復雜性和輸出功率不斷增加。為了優化性能，管理電源排序，提供故障檢測，并提供放大器系統監控和保護，可以使用可重新編程的現場可編程門陣列（FPGA）和/或微控制器來實現電子器件。可重編程解決方案提供了當今高級RF放大器子系統開發所需的靈活性。可重編程性最大限度地降低了電路板重新設計的風險，并且由于設計錯誤導致延遲計劃。這些放大器系統具有相似但不同的要求，這些要求取決于應用。數字控制電子架構專為滿足應用要求而定制，通常包括：

 

數字控制器

非易失性存儲器

模數轉換器（ADC）

數模轉換器（DAC）

數字輸入/輸出（I / O）

直流電源調節

通訊接口

各種模擬傳感器

 

重用硬件和軟件是快速有效地開發設計變體的關鍵。這些功能減少了工廠測試和校準的時間，并提供了一個重要的診斷工具，有助于調試系統問題。

用于射頻放大器的控制系統中的FPGA

 

ADI RF放大器的大多數控制系統都使用了FPGA。這些器件用途廣泛，可包括內部軟核或嵌入式處理器。FPGA可以實現多個并行功能，這些功能可以同時獨立運行。因此，FPGA能夠快速響應命令和關鍵電路條件，以保護RF電子器件。邏輯功能和算法通常以諸如Verilog或VHDL的硬件描述語言（HDL）來實現。邏輯功能的執行由FPGA內的狀態機邏輯控制。狀態機控制基于輸入和輸出條件執行的操作序列。

 

放大器性能的優化

 

為了優化放大器性能，必須設置柵極電壓，以在數據手冊中實現放大器指定的電源電流。使用DAC調節柵極電壓，同時使用ADC監控功率放大器的電源電流。這些功能提供了快速校準RF放大器柵極電壓的能力，而無需探測或修改RF電子器件。增強的電源排序，電源管理，電源監控：FPGA設計可用于對電壓調節器和RF放大器進行排序，以最大限度地降低上電電流，并監控和檢測放大器和電源故障。FPGA可以通過基于故障狀況的檢測來關閉系統組件來采取保護措施，或者通過控制接口將狀態報告給計算機。

 

溫度監控，熱管理

 

溫度是高功率放大器系統中RF性能的關鍵因素。通過監控溫度，FPGA可以實現在溫度范圍內補償放大器的算法。此外，通過溫度監控，FPGA可用于控制冷卻系統，如風扇速度，以最大限度地降低性能下降。該邏輯可以檢測潛在的破壞性熱條件并采取適當的措施。

數字和模擬I / O：FPGA可以控制RF開關，移相器，數字衰減器和電壓可變衰減器（模擬衰減器IC）。幾乎所有模擬傳感器信號都可以通過ADC與FPGA連接。只要感興趣的信息可以被置于數字格式并連接到FPGA，就可以監視和/或將感興趣的信息或信號應用于算法以進行處理。

 

控制，計算機接口，圖形用戶界面（GUI）

 

這些可能是管理系統最重要的方面，因為它們可以輕松訪問放大器系統提供的所有控制，傳感器和診斷數據。可以開發GUI以將所有控制和狀態信息格式化為易于使用的人機界面。可以開發軟件腳本以在整個系統集成和最終測試中促進極高的生產測試覆蓋率，校準和故障分析。測試數據可以寫入計算機文件或從計算機文件中讀取，校準數據可以存儲到NVRAM中，以便在運行期間用作補償算法的變量。除了工廠使用之外，這個功能強大的界面工具可以在現場使用，以監控系統運行狀況，確定系統根本原因故障，并提供簡單的現場升級控制軟件。

 

GaN RF功率放大器用于連續波（CW）模式和脈沖模式應用。從控制的角度來看，脈沖操作更具挑戰性，因此這是本次討論的重點。脈沖RF可以用于通信，醫療和雷達應用，僅舉幾個例子。脈沖操作具有降低散熱的優點，有助于降低對冷卻方案的要求，并最大限度地降低系統外部直流電源要求。然而，增加的脈沖重復頻率（PRF）與更低的占空比和更快的建立時間要求相結合，繼續推動最新技術的發展。我們針對這些苛刻要求的方法是利用數字控制系統來脈沖RF MMIC。現場可編程門陣列通常用于根據系統要求使用柵極或漏極脈沖技術來啟用/禁用RF MMIC。FPGA與RF MMIC的控制接口通常包括將電源切換到MMIC漏極的電路，或者與柵極接口的某種形式的模擬或數字到模擬電路。根據開關速度和建立時間要求，當脈沖MMIC時，可能需要電容器組本地存儲能量以實現最有效的直流偏置。

 

圖2和圖3顯示了可用于脈沖RF應用的通用典型電路。FPGA提供脈沖信號的時序控制，并為RF MMIC提供同步狀態監控和保護。FPGA可以接收單個脈沖信號并將其分配給一個或多個RF MMIC器件，同時保持緊密的時序關系。

 

在高功率脈沖應用中柵極脈沖的好處是不需要高直流開關。然而，柵極脈沖可能因柵極電壓必須精確且控制良好以優化RF性能而變得復雜。MMIC表征數據通常在單個靜態柵極偏置條件下執行 - 其中MMIC性能最佳。MMIC通常不具有脈沖操作的特征。當柵極電壓在夾斷狀態和導通狀態之間切換MMIC時，一些MMIC表現出不穩定性。漏極脈沖可能更寬容，并且可能需要更少的MMIC表征數據。必須仔細檢查每個脈沖應用的要求，以確定最佳脈沖方法和電路。任何MMIC脈沖應用，柵極或漏極脈沖，

 

圖2.典型的門控制方案。

 

圖3.典型的漏極開關方案。

 

總結

 

為了在這個市場中競爭，今天的控制系統必須非常靈活，可重復使用，并且能夠輕松適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據客戶的需求進行定制。它們可以包含內置保護邏輯，以便在接近損壞閾值時禁用RF放大器，并在需要優化寬帶寬和工作溫度下的RF性能方面發揮關鍵作用。它們提供高水平的可測試性，可維護性，易于系統集成和校準 - 從而提供與競爭對手的技術差異，從而通過當今的高功率放大器管理系統進行有效創新。

 

在這些系統中實施的MMIC電源管理系統使ADI能夠通過允許ADI與我們的半導體客戶合作為其提供與其自身系統無縫集成的系統來提升堆棧。對這些類型的半導體RF放大器系統的需求持續增長。隨著這些系統的復雜性不斷增加，保護和控制這些系統所需的數字控制電子設備的復雜性也將繼續增長，因為我們將繼續在當今的高功率GaN基放大器管理系統上進行創新。