Управление питанием усилителей мощности GaN MMIC для импульсного радиолокатора
Системы, которые включают высокоинтегрированные высокоуровневые высокочастотные (RF) усилители мощности GaN (PA), такие как импульсные радиолокационные приложения, представляют собой постоянную проблему для современных цифровых систем управления и управления, чтобы идти в ногу с этими постоянно растущими уровнями утонченность. Чтобы конкурировать на этом рынке, современные системы управления должны быть чрезвычайно гибкими, многоразовыми и легко адаптируемыми к различным архитектурам радиочастотного усилителя, которые могут быть адаптированы для удовлетворения потребностей дизайнера.
Эти сложные системы управления требуют инновационных алгоритмов компенсации, встроенных тестов (BIT), локальных и удаленных коммуникационных интерфейсов, мониторинга критических параметров производительности системы и условий окружающей среды, а также системной защиты. Повышенная сложность этих систем обусловлена спросом на более высокую мощность из полупроводниковых радиочастотных систем.
Эти системы высокой мощности создают огромное количество тепла, которое влияет на производительность усилителя и среднее время между отказами (MTBF). РЧ-усилители MMIC, необходимые для этих систем, являются дорогостоящими устройствами высокой мощности. В результате клиенты хотят контролировать производительность и температуру систем на основе GaN PA в режиме реального времени. Это позволяет обнаруживать надвигающиеся проблемы до повреждения, чтобы они могли предпринять необходимые действия для предотвращения этого. При правильной конструкции электроники управления реализация может быть чрезвычайно гибкой и может использоваться с любой архитектурой радиочастотного усилителя. Цифровая электроника может быть адаптирована к потребностям заказчика. Цифровой дизайн может включать встроенную логику защиты для отключения усилителей GaN RF по мере приближения порогов срабатывания. Эти ключевые функции играют критическую роль в необходимости оптимизации производительности радиочастоты в широких полосах пропускания и температурах. Они обеспечивают высокий уровень тестируемости, ремонтопригодность, простоту системной интеграции и калибровку, тем самым обеспечивая технологическую дифференциацию.
Сегодняшние полупроводниковые радиочастотные усилители продолжают увеличиваться по сложности и выходной мощности. Чтобы оптимизировать производительность, управлять секвенсией питания, обеспечивать обнаружение неисправностей и обеспечивать мониторинг и защиту системы усилителя, электроника может быть реализована с использованием программируемых программируемых вентильных матриц (ПЛИС) и / или микроконтроллеров. Репрограммируемое решение обеспечивает гибкость, необходимую для современного развития современных подсистем усилителя RF. Перепрограммируемость сводит к минимуму риски перепроектирования печатной платы и задержки планирования из-за ошибок проектирования. Эти системы усилителей имеют одинаковые, но разные требования, зависящие от приложения. Архитектура цифровой управляющей электроники адаптирована к требованиям приложения и обычно состоит из:
- Цифровой контроллер
- Энергонезависимая память
- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
- Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
- Цифровой вход / выход (I / O)
- Кондиционирование постоянного тока
- Интерфейсы связи
- Различные аналоговые датчики
Повторное использование аппаратного и программного обеспечения имеет ключевое значение для быстрого и эффективного разработки вариантов проектирования. Эти функции сокращают время заводских испытаний и калибровки и обеспечивают важный диагностический инструмент, который помогает в отладке системных проблем.
Рисунок 1. Типичная система управления GaN PA
ПЛИС в системах управления для УЧ-усилителей
Большинство систем управления для усилителей ADI RF использовали ПЛИС. Эти устройства очень универсальны и могут включать в себя внутренние мягкие ядра или встроенные процессоры. FPGA могут реализовывать несколько параллельных функций, которые могут работать одновременно и независимо. Поэтому FPGA имеет возможность быстро реагировать на команды и критические условия цепи для защиты радиочастотной электроники. Логические функции и алгоритмы обычно реализуются на языке описания аппаратных средств (HDL), таких как Verilog или VHDL. Выполнение логических функций контролируется логикой состояний в FPGA. Государство-машина управляет последовательностью операций, выполняемых на основе входных и выходных условий.
Оптимизация производительности усилителя
Чтобы оптимизировать производительность усилителя, необходимо установить напряжение затвора для достижения указанного тока источника питания в листе данных. Напряжение затвора настраивается с помощью ЦАП, контролируя ток источника питания усилителя с помощью АЦП. Эти функции обеспечивают возможность быстрой калибровки напряжения затвора радиочастотного усилителя без необходимости зондирования или изменения радиочастотной электроники. Расширенное управление питанием, управление питанием, мониторинг питания: конструкция ПЛИС может быть реализована для стабилизации регуляторов напряжения и радиочастотных усилителей, чтобы минимизировать ток включения питания, а также контролировать и обнаруживать неисправности усилителя и источника питания. FPGA может принимать защитные меры, отключая системные компоненты на основе обнаружения неисправности или состояния отчета через интерфейс управления на компьютере. FPGA может управлять общим рассеиванием мощности системы, отключая схемы, которые активно не используются (режим ожидания).
Контроль температуры, тепловое управление
Температура является критическим фактором для высокочастотных характеристик в системах с усилителем высокой мощности. Наличие обеспечения для контроля температуры позволяет FPGA реализовать алгоритмы, которые компенсируют усилители по температуре. Кроме того, с контролем температуры FPGA может использоваться для управления системами охлаждения, такими как скорость вентилятора, чтобы минимизировать ухудшение производительности. Логика может обнаружить потенциально опасные термические условия и предпринять соответствующие действия.
Цифровой и аналоговый ввод-вывод: FPGA может управлять ВЧ-переключателями, фазовращателями, цифровыми аттенюаторами и переменными аттенюаторами напряжения (аналоговые аттенюаторы). Почти любой аналоговый сигнал датчика может быть сопряжен с ПЛИС с использованием АЦП. Пока интересующая информация может быть помещена в цифровой формат и подключена к ПЛИС, информация или сигнал, представляющий интерес, могут контролироваться и / или применяться к алгоритму обработки.
Управление, компьютерные интерфейсы, графический интерфейс пользователя (GUI)
Это, пожалуй, самые важные аспекты системы управления, поскольку они обеспечивают легкий доступ ко всем данным по управлению, датчику и диагностике, доступным из системы усилителя. Графический интерфейс может быть разработан для форматирования всей информации о контроле и статусе в простой пользовательский интерфейс. Сценарии программного обеспечения могут быть разработаны для обеспечения чрезвычайно высокого уровня тестирования, калибровки и анализа отказов при тестировании всей системы и окончательной проверки. Тестовые данные могут быть записаны в компьютерные файлы или прочитаны из компьютерных файлов, а данные калибровки могут быть сохранены в NVRAM для использования во время выполнения в качестве переменных для алгоритмов компенсации. Помимо использования на заводе этот мощный инструмент интерфейса может использоваться в полевых условиях для мониторинга состояния системы, определения сбоев в работе системы и обеспечения легкого обновления программного обеспечения для управления полетом. Варианты этого интерфейса могут легко поддаваться интернет-приложениям Things (IoT), помогая довести интеллект до края.
Усилители мощности GaN RF используются как в режиме непрерывной волны (CW), так и в режимах импульсного режима. Импульсная операция более сложна с контрольной точки зрения, поэтому в центре внимания этой дискуссии. Импульсная радиочастота может использоваться для связи, медицинских и радиолокационных приложений, чтобы назвать несколько. Импульсная работа имеет преимущество уменьшения тепловой диссипации, что облегчает менее жесткие схемы охлаждения и минимизирует требования к внешним потребностям постоянного тока в системах. Однако увеличенные частоты повторения импульсов (PRF) в сочетании с более низкими рабочими циклами и более высокими требованиями к времени отсрочки продолжают продвигать новейшие технологии. Наш подход к этим требовательным требованиям состоял в том, чтобы использовать цифровые системы управления для импульсов RF MMIC. Полевые программируемые логические решетки обычно используются для включения / выключения RF MMIC с использованием технологий импульсов затвора или дренажа в зависимости от системных требований. Интерфейс управления FPGA для RF MMIC обычно состоит из схем для переключения мощности на дренаж MMIC или аналоговой или аналого-аналоговой схемы, которая взаимодействует с затвором. В зависимости от скорости переключения и требований времени установления, банки конденсаторов могут потребоваться для хранения энергии локально для наиболее эффективного смещения постоянного тока при импульсном перемещении MMIC.
Рисунок 2 и Рисунок 3 иллюстрируют типичные типичные схемы, которые могут использоваться для импульсных радиочастотных приложений. FPGA обеспечивает синхронизацию импульсного сигнала, а также обеспечивает синхронизированный мониторинг состояния и защиту RF MMIC. FPGA может принимать один импульсный сигнал и распространять его на одно или несколько RF MMIC-устройств, сохраняя при этом близкое соотношение времени.
Преимущество импульсных импульсов в импульсных приложениях большой мощности заключается в том, что не требуется переключение высокого постоянного тока. Однако пульсация затвора может быть осложнена требованием, чтобы напряжение затвора было точным и хорошо контролировалось для оптимизации характеристик радиочастоты. Данные характеризации MMIC обычно выполняются в одном статическом состоянии смещения затвора, где лучше всего работает MMIC. MMIC обычно не характеризуются импульсной работой. Некоторые MMIC обнаруживают нестабильность, когда напряжение затвора переключает MMIC между состоянием выключения и включенным состоянием. Дренажное пульсирование может быть более прощающим и может потребовать меньше данных о характеристиках MMIC. Требования каждого импульсного приложения должны быть тщательно пересмотрены для определения оптимальной методики импульсов и схемы. Любое импульсное приложение MMIC, либо импульсное, либо импульсное, или дренажное, должно оцениваться с использованием предполагаемого MMIC, который будет использоваться в конструкции.
Рисунок 2. Типичная схема управления затвором
Рисунок 3. Типичная схема переключения стока
Резюме
Чтобы конкурировать на этом рынке, современные системы управления должны быть чрезвычайно гибкими, многоразовыми и легко адаптируемыми к различным архитектурам радиочастотного усилителя, которые могут быть адаптированы для удовлетворения потребностей заказчика. Они могут включать встроенную логику защиты для отключения радиочастотных усилителей по мере приближения к порогам повреждения и играть критически важную роль в необходимости оптимизации характеристик радиочастоты в широких полосах пропускания и рабочих температурах. Они обеспечивают высокий уровень тестируемости, ремонтопригодность, простоту системной интеграции и калибровку, тем самым обеспечивая технологическую дифференциацию от конкурентов, которые успешно внедряются с современными системами управления усилителем мощности.
Системы управления питанием MMIC, реализованные в этих системах, позволили ADI продвинуться вверх по стеку, позволив ADI сотрудничать с нашими клиентами, чтобы предоставить им системы, которые легко интегрируются с их собственными системами. Потребность в этих типах полупроводниковых радиочастотных усилителей продолжает расти. По мере того как сложность этих систем продолжает увеличиваться, сложность цифровой управляющей электроники, необходимой для защиты и управления этими системами, также будет продолжать расти по мере того, как мы продолжим внедрять инновации на современных мощных системах управления усилителями на основе GaN.
Эта статья была в соавторстве Дэвидом Беннеттом и Ричардом Дианджело.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.