作者：David Bennett and Richard DiAngelo

采用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，例如脈沖雷達應用，是當今數字控制和管理系統不斷面臨的挑戰，以跟上這些不斷提高的復雜水平。為了在這個市場上競爭，當今的控制系統必須非常靈活、可重復使用，并且易于適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據客戶的需求進行定制。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基于半導體的RF系統對更高功率的需求推動的。

這些高功率系統會產生大量熱量，從而影響放大器性能和平均故障間隔時間（MTBF）。這些系統所需的RF放大器MMIC價格昂貴;高功率器件。因此，客戶希望實時監控基于GaN PA的系統的性能和溫度。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，并且可以與任何RF放大器架構一起使用。數字電子產品可以根據客戶的需求進行定制。數字設計可以包括內置保護邏輯，以便在接近損壞閾值時禁用GaN RF放大器。這些關鍵特性在需要優化寬帶寬和溫度下的RF性能方面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。

當今的半導體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、提供故障檢測以及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設備。可重新編程的解決方案為當今高級RF放大器子系統的開發提供了所需的靈活性?？芍匦戮幊绦宰畲笙薅鹊亟档土穗娐钒逯匦略O計的風險，以及由于設計錯誤而導致的進度延遲。這些放大器系統具有相似但不同的要求，具體取決于應用。數字控制電子架構是為滿足應用要求而量身定制的，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

通信接口

各種模擬傳感器

硬件和軟件的重用是能夠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，并提供了重要的診斷工具，有助于調試系統問題。

圖1.典型的氮化鎵PA控制系統。

ADI RF放大器的大多數控制系統都采用了FPGA。這些器件用途廣泛，可以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能夠對命令和關鍵電路條件做出快速反應，以保護RF電子設備。邏輯函數和算法通常以硬件描述語言（HDL）實現，例如Verilog或VHDL。邏輯功能的執行由FPGA中的狀態機邏輯控制。狀態機根據輸入和輸出條件控制執行的操作順序。

放大器性能優化： 為了優化放大器性能，必須設置柵極電壓以達到數據手冊中放大器指定的電源電流。柵極電壓通過DAC調節，同時使用ADC監控功率放大器的電源電流。這些特性提供了快速校準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設計可用于對穩壓器和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 可以根據檢測到的故障情況關閉系統組件，或通過控制接口向計算機報告狀態，從而采取保護措施。FPGA可以通過關閉未使用時的電路（待機模式）來管理整體系統功耗。

溫度監控、熱管理：溫度是高功率放大器系統中射頻性能的關鍵因素。通過提供溫度監控功能，FPGA可以實現在整個溫度范圍內補償放大器的算法。此外，通過溫度監控，FPGA可用于控制風扇速度等冷卻系統，以最大程度地降低性能。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 可以控制射頻開關、移相器、數字衰減器和電壓可變衰減器（模擬衰減器）。幾乎任何模擬傳感器信號都可以使用ADC連接到FPGA。只要感興趣的信息可以轉換為數字格式并連接到FPGA，就可以監控和/或將感興趣的信息或信號應用于算法進行處理。

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?？梢蚤_發軟件腳本，以促進在整個系統集成和最終測試過程中實現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，以便在運行時用作補償算法的變量。除了工廠使用之外，這款功能強大的接口工具還可以在現場使用，以監控系統運行狀況，確定系統根本原因故障，并提供控制軟件的輕松現場升級。此接口的變體可以輕松用于物聯網 （IoT） 應用，有助于將智能帶入邊緣。

GaN RF功率放大器可用于連續波（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，因此它是本次討論的重點。脈沖射頻可用于通信、醫療和雷達應用，僅舉幾例。脈沖操作具有減少散熱的優點，有助于降低冷卻方案的要求，并最大限度地減少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。我們滿足這些苛刻要求的方法是利用數字控制系統對RF MMIC進行脈沖。現場可編程門陣列通常用于啟用/禁用RF MMIC，使用柵極或漏極脈沖技術，具體取決于系統要求。FPGA與RF MMIC的控制接口通常包括用于切換MMIC漏極電源的電路，或與柵極接口的某種形式的模擬或數模電路。根據開關速度和建立時間要求，電容器組可能需要在本地存儲能量，以便在對MMIC進行脈沖時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 提供脈沖信號的定時控制，并為射頻 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到一個或多個 RF MMIC 器件，同時保持緊密的時序關系。

圖2.典型的柵極控制方案。

圖3.典型的漏極開關方案。

總結

ADI公司繼續為客戶開發和現場使用復雜的RF功率放大器系統。

為了在這個市場上競爭，當今的控制系統必須非常靈活、可重復使用，并且易于適應各種RF放大器架構，這些架構可以根據客戶的需求進行定制。它們可以包括內置保護邏輯，以便在接近損壞閾值時禁用RF放大器，并在需要在寬帶寬和工作溫度下優化RF性能方面發揮關鍵作用。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，從而提供與競爭對手的技術差異化，從而利用當今的高功率進行有影響力的創新 功放管理系統。

在這些系統中實施的MMIC電源管理系統允許ADI與我們的客戶合作，為他們提供與自己的系統無縫集成的系統，從而使ADI能夠提升堆棧。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，隨著我們繼續創新當今基于GaN的高功率放大器管理系統，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。

審核編輯：郭婷