【導(dǎo)讀】“龜兔賽跑”這個(gè)故事給我們的啟發(fā)是“有時(shí)保持穩(wěn)定和進(jìn)行周全地策劃是有意義的”。消費(fèi)者對(duì)無線數(shù)據(jù)的高帶寬和高速度需求日益迫切，這給半導(dǎo)體制造商帶來了巨大的挑戰(zhàn)，他們需要設(shè)計(jì)出滿足上述要求的系統(tǒng)——這與兔子專注于最快達(dá)到終點(diǎn)很像。然而，烏龜告訴我們，確保系統(tǒng)堅(jiān)實(shí)可靠從而穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)也同樣重要。
由于無線電單元和有源天線等通信設(shè)備主要位于室外，因此，確保無論在何種環(huán)境因素下內(nèi)部元件都能可靠運(yùn)行至關(guān)重要。與龜兔賽跑這則伊索寓言相似，系統(tǒng)必須具有高性能（如兔子），同時(shí)又要堅(jiān)固耐用（如烏龜?shù)臍ぃ拍鼙Ｗo(hù)內(nèi)部電路免受外部故障條件的影響。確保實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的一種方法是使用模擬多路復(fù)用器來保護(hù)內(nèi)部功率放大器 (PA) 級(jí)。
為什么是PA級(jí)？
放大器集成電路 (IC) 使用來自電源的電力來增加輸入信號(hào)的功率。通過使用放大器，您可以將微弱的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)大的輸出信號(hào)。例如，PA用于驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備的負(fù)載，例如耳機(jī)、揚(yáng)聲器、伺服器和射頻發(fā)射器。
就射頻發(fā)射器而言，射頻PA在大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO) 天線系統(tǒng)中放大低電平射頻信號(hào)。傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO包含八個(gè)發(fā)射器和八個(gè)接收器 (8T8R) 射頻通道，用于放大天線信號(hào)。相比之下，現(xiàn)代5G系統(tǒng)將擁有最高64T64R通道，可提高下載/上傳數(shù)據(jù)速率和吞吐量。在一個(gè)遠(yuǎn)程無線電單元中擁有如此多通道需要保護(hù)每個(gè)通道免受外部故障條件的影響。為保護(hù)系統(tǒng)免受這些故障條件的影響，一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法是在每個(gè)通道使用一個(gè)2:1模擬開關(guān)，如圖1所示。
從圖1可以看出，根據(jù)無線電單元中的發(fā)射通道和接收通道數(shù)量，這里有多個(gè)PA級(jí)。要使這些PA正常工作，需要向每個(gè)FET的柵極施加偏置電壓 (V-BIAS)。
遺憾的是，V-BIAS容易受到外部故障條件的影響，例如超過標(biāo)稱安全值的過流、過壓或過熱事件。在這種情況下，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或微控制器可檢測(cè)故障條件并立即向多路復(fù)用器發(fā)送選擇邏輯信號(hào)，從而斷開V-BIAS信號(hào)路徑。如果沒有V-BIAS信號(hào)，PA級(jí)將關(guān)閉，從而保護(hù)通道免受故障條件的影響。最終，2:1模擬開關(guān)會(huì)在發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉PA級(jí)，同時(shí)為低電平射頻信號(hào) (RF-IN) 提供安全的接地路徑。此外，由于每個(gè)發(fā)射路徑有2-4個(gè)增益級(jí)（具體取決于射頻應(yīng)用，如圖2所示），需要柵極側(cè)保護(hù)的功率放大器的數(shù)量會(huì)顯著增加。
保護(hù)LDMOS功率放大器
模擬開關(guān)（例如TMUX1247等具有1.8V邏輯控制的單通道2:1通用模擬多路復(fù)用器）可以在最高125°C的溫度下安全地執(zhí)行此功能。此外，由于它們支持1.8V邏輯，因此可由1.8V現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或微控制器 (MCU) 直接控制，而無需電平轉(zhuǎn)換器。請(qǐng)閱讀應(yīng)用手冊(cè)《使用1.8V邏輯多路復(fù)用器和開關(guān)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)》，詳細(xì)了解這些器件的1.8V邏輯。
保護(hù)GaN功率放大器
對(duì)于GaN射頻功率放大器，需要柵極電壓來夾斷器件，以便在施加漏極電壓時(shí)沒有電流沖過器件。在柵極偏置之前施加任何漏極電壓都會(huì)損壞器件。由于GaN PA本質(zhì)上是耗盡型器件，因此所需的柵極偏置為負(fù)。TMUX4157N 2:1單通道開關(guān)支持-4V至-12V的負(fù)電壓，可在施加負(fù)電壓時(shí)保護(hù)您的功率放大器免受故障事件的影響，具有成本效益。此外，TMUX4157N的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間和通過開關(guān)的高連續(xù)電流使其非常適合大規(guī)模 MIMO、無線電通信或雷達(dá)應(yīng)用，這些應(yīng)用的系統(tǒng)需要在兩個(gè)不同的電壓輸入之間快速切換。
增加設(shè)計(jì)靈活性
為最終級(jí)解決方案選擇LDMOS和GaN功率放大器或模塊可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐诼O效率、線性度、視頻帶寬等方面進(jìn)行權(quán)衡。TMUX6219（2:1 SPDT單通道開關(guān)）可實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)周期。因?yàn)樗С諫aN和LDMOS柵極所需的夾斷電壓，從而簡(jiǎn)化了BOM，并為選擇LDMOS或GaN功率放大器增加了更多時(shí)間。TMUX6219可以使用單電源（4.5V至36V）、雙電源（±4.5V至±18V）或非對(duì)稱電源（例如VDD=8V和VSS=-12V）供電。
有許多解決方案可以保護(hù)您的射頻功率放大器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更靈活的BOM和開發(fā)周期。保護(hù)射頻通道至關(guān)重要，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)通道發(fā)生故障會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞整個(gè)射頻系統(tǒng)。雷達(dá)系統(tǒng)每單元中有多達(dá)64個(gè)通道或約1000條傳輸線。因此，保護(hù)等級(jí)對(duì)于可靠的高帶寬、高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。因此，如果在考慮可靠性和保護(hù)性能時(shí)像烏龜一樣保持沉著踏實(shí)的心態(tài)，您將能夠滿足下一代網(wǎng)絡(luò)的需求。
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