ADPA1120：8GHz - 12GHz GaN功率放大器的深度解析

在雷達(dá)系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域，功率放大器的性能往往對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。今天要給大家詳細(xì)介紹的是Analog Devices公司推出的ADPA1120功率放大器，它在8GHz至12GHz頻段表現(xiàn)出色，下面我們就來(lái)深入了解一下。

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一、產(chǎn)品概述

ADPA1120是一款工作在8GHz - 12GHz頻段的氮化鎵（GaN）功率放大器，飽和輸出功率（$P{out}$）可達(dá)36.5dBm （4.5W），在9.5GHz至11.5GHz頻段，輸入功率（$P{IN}$ ）為1dBm時(shí)，功率附加效率（PAE）典型值為47%，功率增益典型值為35.5dB。其RF輸入和輸出端口內(nèi)部匹配且交流耦合，采用32引腳、5mm × 5mm的LFCSP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C。

二、產(chǎn)品特性

2.1 內(nèi)部匹配與集成設(shè)計(jì)

ADPA1120內(nèi)部匹配，交流耦合，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，它集成了溫度補(bǔ)償?shù)腞F功率檢測(cè)器，能更準(zhǔn)確地檢測(cè)輸出功率，并且在不同溫度環(huán)境下都能保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有沒(méi)有遇到過(guò)因?yàn)楣β蕶z測(cè)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題呢？

2.2 優(yōu)異的電氣性能

• 增益表現(xiàn)：在9.5GHz - 11.5GHz頻段，小信號(hào)增益典型值為38.5dB，功率增益典型值為35.5dB，能有效放大輸入信號(hào)。不同頻段下的增益特性有所差異，在8GHz - 9.5GHz頻段，小信號(hào)增益典型值為39dB；在11.5GHz - 12GHz頻段，小信號(hào)增益典型值為35.5dB。
• 功率輸出：在9.5GHz - 11.5GHz頻段，輸入功率為1dBm時(shí)，輸出功率典型值為36.5dBm，且在不同頻段都能保證一定的輸出功率水平。
• 效率優(yōu)勢(shì)：在9.5GHz - 11.5GHz頻段，輸入功率為1dBm時(shí)，PAE典型值為47%，能有效降低功耗。不同頻段下的PAE也有所不同，在8GHz - 9.5GHz頻段，PAE典型值為50%；在11.5GHz - 12GHz頻段，PAE典型值為42%。

2.3 供電與封裝

• 供電要求：供電電壓為20V，靜態(tài)電流為50mA，在10%占空比下工作。
• 封裝形式：采用32引腳、5mm × 5mm的LFCSP封裝，體積小巧，適合高密度集成設(shè)計(jì)。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

ADPA1120適用于多種雷達(dá)系統(tǒng)，如氣象雷達(dá)、海洋雷達(dá)和軍事雷達(dá)等。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，需要高功率、高增益和高效率的功率放大器來(lái)保證雷達(dá)系統(tǒng)的性能。大家在實(shí)際項(xiàng)目中，是否使用過(guò)類(lèi)似的功率放大器呢？

四、電氣規(guī)格

五、引腳配置與功能描述

5.1 引腳配置

5.2 接口原理圖

文檔中還給出了各個(gè)引腳的接口原理圖，如GND、RFIN、VGG1 - 2、VGG3、VGG4、RFOUT、VDD1 - 2、VDD3、VDD4、VREF/VDET等引腳的接口原理圖，這些原理圖對(duì)于我們正確設(shè)計(jì)外圍電路非常有幫助。大家在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要仔細(xì)參考這些原理圖，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。

六、典型性能特性

文檔中給出了大量的典型性能特性曲線，包括小信號(hào)增益與頻率、不同溫度下的小信號(hào)增益與頻率、不同電源電壓下的小信號(hào)增益與頻率、輸入回波損耗與頻率、輸出回波損耗與頻率、輸出功率與頻率、功率增益與頻率、功率附加效率與頻率、功率耗散與輸入功率、反向隔離與頻率等關(guān)系曲線。通過(guò)這些曲線，我們可以更直觀地了解ADPA1120在不同條件下的性能表現(xiàn)。大家在使用這些曲線時(shí)，要注意曲線的測(cè)試條件，確保與實(shí)際應(yīng)用情況相符。

七、工作原理

7.1 增益級(jí)結(jié)構(gòu)

ADPA1120由四級(jí)級(jí)聯(lián)增益級(jí)組成，通過(guò)在VDD1 - 2、VDD3和VDD4引腳施加正偏置電壓，為第一、二、三、四級(jí)增益級(jí)的漏極提供偏置；在VGG1 - 2、VGG3和VGG4引腳施加負(fù)直流電壓，控制各級(jí)的漏極電流。

7.2 RF端口特性

其RF輸入和輸出端口為單端、交流耦合，在8GHz - 12GHz工作頻率范圍內(nèi)，端口阻抗標(biāo)稱(chēng)值為50Ω，可直接插入50Ω系統(tǒng)，無(wú)需外部阻抗匹配元件和交流耦合電容。

7.3 功率檢測(cè)

通過(guò)將部分RF輸出信號(hào)定向耦合到二極管，檢測(cè)RF $P{out}$。當(dāng)二極管通過(guò)電阻外部直流偏置時(shí)，將RF功率整流為直流電壓，在VDET引腳輸出。VREF引腳提供未耦合到RF功率的參考直流電壓，$V{REF}$ - $V{DET}$提供與RF $P{out}$成比例的溫度補(bǔ)償檢測(cè)電壓。

7.4 低溫特性

在 -40°C時(shí)，小信號(hào)增益顯著下降，因?yàn)槠骷媒咏?a target="_blank">晶體管夾斷電壓，低溫下夾斷電壓向正方向偏移，需要更正向的柵極電壓來(lái)開(kāi)啟晶體管并使電流流動(dòng)。但在大信號(hào)水平下，性能符合預(yù)期。

7.5 偏置設(shè)置

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)是通過(guò)將漏極電流設(shè)置為標(biāo)稱(chēng)值$I{DQ}$（50mA）獲得的。確定初始$I{DQ}$后，后續(xù)測(cè)試和操作中保持柵極電壓恒定。與保持標(biāo)稱(chēng)$I_{DQ}$恒定相比，長(zhǎng)期操作中保持柵極電壓恒定可提供更一致的RF性能。

八、應(yīng)用信息

8.1 基本連接

操作ADPA1120的基本連接如圖所示。在VDD1 - 2、VDD3和VDD4引腳施加14V - 20V的電源電壓，使用指定的電容和電阻值對(duì)VGG1 - 2、VGG3、VGG4、VDD1 - 2、VDD3和VDD4引腳進(jìn)行去耦。通過(guò)在VGGx引腳施加 -3V至 -1V的電壓設(shè)置偏置電平，可支持連續(xù)和脈沖操作，脈沖操作可通過(guò)脈沖柵極電壓或漏極電壓實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。

8.2 推薦偏置序列

• 上電：連接所有GND引腳到地；將VGG1 - 2、VGG3和VGG4引腳電壓設(shè)置為 -4V；將VDD1 - 2、VDD3和VDD4引腳電壓設(shè)置為20V；將VGG1 - 2、VGG3和VGG4引腳電壓從 -3V增加到 -1V，達(dá)到標(biāo)稱(chēng)50mA的$I_{DQ}$；向RFIN引腳施加RF信號(hào)。
• 斷電：關(guān)閉RF信號(hào)；將VGG1 - 2、VGG3和VGG4引腳電壓降低到 -4V；將VDD1 - 2、VDD3和VDD4引腳電壓設(shè)置為0V；將VGG1 - 2、VGG3和VGG4引腳電壓設(shè)置為0V。

8.3 脈沖操作

• 漏極脈沖：在功率放大器的柵極引腳施加負(fù)電壓，同時(shí)將漏極引腳電壓在0V和20V之間脈沖。電源需具有快速瞬態(tài)響應(yīng)，以最小化電壓降。
• 柵極脈沖：在功率放大器的柵極引腳施加脈沖負(fù)電壓，同時(shí)保持漏極引腳電壓恒定。電源同樣需具有快速瞬態(tài)響應(yīng)。

8.4 熱管理

適當(dāng)?shù)臒峁芾韺?duì)于實(shí)現(xiàn)指定性能和額定使用壽命至關(guān)重要。ADPA1120可支持連續(xù)和脈沖操作，脈沖偏置可提供更好的熱管理，以保持安全的通道溫度（$T{CHAN}$）。$T{CHAN}$與平均故障間隔時(shí)間密切相關(guān)。

九、訂購(gòu)指南

綜上所述，ADPA1120是一款性能優(yōu)異、應(yīng)用靈活的GaN功率放大器。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇工作條件和偏置方式，注意熱管理，確保其性能的穩(wěn)定發(fā)揮。希望大家通過(guò)本文對(duì)ADPA1120有更深入的了解，在項(xiàng)目中能夠更好地應(yīng)用這款產(chǎn)品。大家在使用過(guò)程中如果遇到什么問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)交流。