具有关断和旁路功能的MMIC放大器

2021-11-02

具有关断和旁路功能的MMIC放大器

 TSS和TSY系列MMIC放大器具有多种性能特性组合，包括高动态范围和极低噪声系数以及从VHF到毫米波应用的宽带频率覆盖。这些产品系列还包括关断和旁路功能的附加特性。这些功能通常会导致客户质疑旁路和关机之间的区别、哪些产品具有哪些功能以及每种产品的优势。本文将解释这些功能的工作原理，并概述一些最常使用关闭和旁路功能的应用程序。

放大器关断功能和应用

就像听起来一样，关断功能为射频系统设计人员提供了在特定条件下关断射频放大器的能力。图 1 显示了具有关断功能的RF放大器的框图。该放大器包括用于上电和关断状态的附加控制信号。这是射频放大器的外部直流控制信号，用于控制射频放大器是通电还是断电。在上电模式下，RF放大器偏置电流完全打开，RF放大器按照数据表中定义的规格运行。在关断模式下，RF放大器的偏置电流被压缩到接近0安培的正常偏置电流的一小部分。

值得注意的是，在关断模式下，预计放大器不会用于有源信号链。由于放大器中没有电流，放大器没有增益和带宽，并且包含处于关断模式的放大器的信号路径无法再将信号从输入传递到输出。在关断模式下，放大器在活动（开启）时保持的50W匹配可能不再保持。因此，放大器的输入和输出端口变为高阻抗，这可能会导致信号路径不稳定。因此，当放大器处于关断模式时，需要以某种方式保持50W匹配。

图 1：具有关断功能的 RF放大器的简化示意图

作为关断功能应用的一个示例，单刀多掷开关可以将RF信号链连接到不同的RF增益模块，如图 2 所示。从所示的三个放大器中只会选择一个增益模块在任何给定的时间。最好关闭放大器组中所有未使用的放大器以节省系统中的DC功耗。典型的分立式RF放大器无法在不关闭电源的情况下降低DC功耗，这会导致仍然依赖相同电源的 RF 信号链中的有源电路出现问题。

因此，最好提供具有关闭DC功率耗散的附加能力的RF放大器。如果每个RF放大器都提供这种关断功能，则放大器组的DC功耗对于整个系统将显着降低。在图 2 中，顶部和底部放大器施加了关断控制信号，因此放大器的偏置电流 I BIAS等于0安培。中间放大器施加了上电控制信号，这导致I BIAS等于标称电流值I NOMINAL。    

图 2：关断功能在RF放大器组中的应用。

关断功能有助于节省功耗的另一个应用是在RF收发器的半双工或时分双工 (TDD) 操作模式下。对于 TDD 操作，发送器或接收器在任何给定时间都处于开启状态，但两者都不会同时开启。对于这种类型的收发器，可以在发射器处于活动状态时关闭接收放大器信号链，反之亦然。这将通过接收和发送操作的占空比减少总功耗。

图 3 显示了半双工操作的收发器功能框图。对于半双工接收模式，上电控制信号应用于低噪声放大器 (LNA) 和接收器信号链，关断控制信号应用于功率放大器 (PA) 和发射信号链。在接收模式下，对于半双工操作，只有接收信号链消耗直流功率。发射信号链关闭。同样，在半双工操作的发射模式下，只有发射信号链消耗直流功率。接收信号链关闭。

通过使用上电和关断控制信号，只对需要的信号路径上电，将未使用的信号路径直流功耗降至零。通过这种方式，可以通过半双工操作的占空比来降低收发器的直流电源。例如，如果接收和发送模式为50%占空比，则总功耗可降低50%。   

图 3：使用上电/关断功能进行半双工收发器操作以节省DC功耗。

放大器旁路功能和应用

旁路功能使RF系统设计人员能够去除RF信号链中的信号增益，而不管放大器是否用于有源信号路径。这种能力是通过将一组开关集成到放大器电路中来实现的。RF设计人员使用 DC控制信号在“直通模式”下通过RF放大器路由信号，或在“旁路模式”下“绕过”RF放大器。图 4 显示了具有旁路功能的RF放大器的简化框图。复合电路由一个 RF 放大器和 3 个开关组成。这 3 个开关是单刀双掷 (SPDT) 开关，开关的位置由开关的控制信号决定。在图 4 中，开关设置为在信号路径中包含 RF 增益模块。在图 5 中，开关设置为绕过它。 

图 4：具有旁路功能的RF放大器设置为将放大器包含在信号链中。

图 5：具有旁路功能的射频放大器设置为旁路信号链中的放大器。

RF放大器中的旁路功能可用于设计许多RF信号链。典型的RF信号链支持不同的增益配置，具体取决于对接收或发送的RF信号功率的要求。根据接收器的噪声系数 (NF) 和接收信号的功率电平，可能需要通过绕过 RF 接收器中的多个增益模块来降低信号链增益以避免压缩。

这种情况的示例如图 6 所示。输入信号动态范围为 40 dB，最小信号电平为 -50 dBm，最大信号电平为 -10 dBm。两个RF放大器用于输入 P1dB = -1 dBm 和增益 = 20 dB。对于 -50 dBm 的输入信号电平，打开RF放大器，输出信号功率 = -50 dBm + 20 dB = – 30 dBm。这低于信号链中下一个RF放大器的输入 P1dB，并且 RF 信号链保持在线性区域。对于-10 dBm的输入功率电平，相比之下，第一个放大器未压缩，输出功率为-10 dBm + 20 dB = 10 dBm，大于下一个放大器的压缩点。为了避免这种情况，绕过第一个RF放大器，允许第二个 RF 放大器的输入功率为 -10 dBm，低于第二个RF放大器的 1 dB 压缩点，并且 RF 信号链保持未压缩。信号链中的旁路可以有效地扩展输入信号的动态范围，而不会影响信号链压缩点。

旁路也可用于适应高功率电平，而不会损坏信号路径中的RF放大器。在图 6 中，如果两个 RF放大器都被旁路，则在两个放大器都处于直通模式的情况下，输入信号功率可以增加 > 30 dBm，因为输入 P1dB 现在是旁路开关的压缩点，而不是射频放大器。

图 6：显示使用旁路模式以避免信号链压缩和损坏放大器的信号链示例。

因此，绕过RF信号链中的增益模块的能力为RF系统设计人员提供了一个额外的工具，以适应不同信号场景的不同固定增益设置。

在分立式 COTS 射频收发器中，图 4 和图 5 中的配置通常使用 3 个分立式 SPDT 开关组件和一个射频放大器组件来实现，占用大量电路板空间。将开关与放大器集成到同一芯片上有助于减小尺寸并释放空间。此外，旁路和关闭功能的需求并不相互排斥。在分立式设计中，旁路RF放大器在旁路模式下仍会消耗与在直通模式下相同的DC功率，除非它还包含前面描述的关断功能。因此，需要一种单组件解决方案，该解决方案集成了旁路功能和在旁路模式下关闭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，包括将关断和旁路功能结合到单个组件中的优势（图 7）。在旁路模式下，SPDT开关配置为旁路RF放大器，并且RF放大器偏置关闭。在此配置中，RF放大器的DC功耗接近 0 瓦，因此整体功耗仅是RF放大器上电时的一小部分。

图 7：包括旁路和关断功能的 Mini-Circuits 射频放大器。

具有关断和旁路功能的微型电路 MMIC放大器

Mini-Circuits的TSS和TSY系列MMIC放大器包括具有关断和旁路功能的型号。下面的表 1 列出了这些放大器产品及其相关的性能特征。最右边的一列指示产品是否具有关机或旁路功能。

型号	频率范围 (MHz)	增益 (dB)	NF (分贝)	P1dB (dBm)	OIP3 (dBm)	输入驻波比	输出电压驻波比	电压 (V)	电流 (mA)	特征
TSS-44+	22000-43500	17.6	3.2	6.9	12.7	1.37	1.28	4	22	关掉
TSS-183A+	5000-18000	14.2	4.4	17.9	28.9	1.37	1.28	5	145	关掉
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	关掉
TSS-23LN+	30-2000	21.5	1.2	24.1	36.4	1.92	1.67	3	139/74	关掉
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	关掉
TSS-13LN+	1-1000	22.8	1.1	24.5	39.2	1.28	1.32	3	142/72	关掉
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放大器具有关断和旁路功能。

关于带关断和旁路放大器的数据表的说明

RF 放大器的旁路和关断功能需要为产品定义两套性能规范。在这些产品的数据表中，为正常工作模式下的射频放大器提供了一组规格，当射频放大器通电时，另一组规格则用于关闭模式下的放大器。对于具有旁路功能的型号，当旁路开关关闭时，射频放大器打开时有一组单独的规范，以及旁路开关打开时和射频放大器关闭时的第二组规范.

TSS-53LNB+的这两组规格如图8所示。在旁路模式下，RF放大器的增益为如图4所示的三个级联开关的插入损耗。从图3中，放大器的增益为降低 20 dB 至 -1 dB。此外，在旁路模式下，OIP3增加 > 10 dBm，并且1 dB压缩点比在直通模式下高得多。   

图 8：Mini-Circuits TSS-53LNB+数据表中放大器在直通模式 (ON) 和旁路模式下的规格。

结论

Mini-Circuits 开发了一个独特的MMIC放大器系列，通过增加关断和旁路功能开辟了许多应用。希望您现在对关机和旁路功能、这些功能之间的差异以及可以在系统设计级别利用每个功能的应用程序有了更好的了解。