Comment concevoir un Bias Tee pour un amplificateur de puissance

Les dérivateurs RF sont utilisés pour séparer l'alimentation DC et AC le long d'une interconnexion. Il s'agit d'un dispositif à 2 entrées et 1 sortie qui utilise des éléments réactifs pour fournir un flux de puissance dans différentes directions. Dans un projet précédent avec une disposition d'amplificateur de puissance RF, il y a un dérivateur dans la conception qui est utilisé pour fournir de l'énergie DC à l'amplificateur tout en permettant également à la puissance RF de se propager vers le connecteur de sortie SMA.

Dans cet article, je vais décrire comment concevoir ce circuit et quels sont les paramètres importants pour assurer une propagation de puissance élevée dans votre composant de charge. Ces dispositifs sont disponibles à la fois comme modules de haute puissance pour la diffusion à longue portée, mais ils peuvent être construits comme de petits circuits sur un PCB pour des systèmes RF de faible puissance.

Qu'est-ce qu'un Dérivateur ?

Un bias tee est un circuit simple qui utilise un inducteur et un condensateur pour diriger le flux de puissance AC et DC. Le type le plus simple de bias tee est un dispositif à 2 entrées ; un inducteur est utilisé pour faire passer la puissance DC d'un port d'entrée, et un condensateur est utilisé pour faire passer la puissance AC vers la sortie. Dans l'exemple précédent avec notre amplificateur de puissance RF, un bias tee a été utilisé pour fournir de l'énergie à l'amplificateur, tout en faisant passer la puissance de sortie RF depuis la même broche. Le circuit qui a été utilisé précédemment est montré ci-dessous.

Le concept est simple ; l'impédance inductive de l'inducteur bloque le signal AC, tandis que le condensateur bloque le signal DC de passer à la charge dans ce système. Le signal DC est simplement la puissance fournie à la broche VDD, qui alimentera l'amplificateur, et le circuit interne de l'amplificateur acheminera la puissance d'entrée de la manière requise.

Rapport d'Impédance dans un Bias Tee Simple

Les bias tees sont conçus de manière à ce que nous tentions d'atteindre un rapport d'impédance particulier. Le rapport d'impédance dans un bias tee fait référence au rapport entre l'impédance le long du chemin DC et l'impédance vue par le signal lorsqu'il se déplace le long du chemin de sortie. Ce rapport d'impédance doit être inclus dans la conception du bias tee selon les objectifs de conception suivants :

L'impédance en regardant dans le port DC devrait être beaucoup plus grande que l'impédance en regardant dans la sortie RF
La chute d'impédance équivalente à travers le bias tee (mesurée de RFOUT au côté de sortie du condensateur) doit correspondre à l'impédance de la ligne de transmission LO_OUT

Par conséquent, nous avons deux définitions importantes que nous pouvons utiliser pour calculer le rapport d'impédance :

Les valeurs dans les deux équations ci-dessus sont les réactances de l'inducteur (L) et du condensateur (C) à la fréquence de fonctionnement du circuit. Une valeur typique pour le rapport d'impédance pourrait varier de n = 1 à n = 1000. L'impédance du bias tee Z(tee) sera adaptée à l'impédance de la ligne de transmission, normalement 50 Ohms sur un PCB. Nous avons deux équations et deux inconnues, donc nous pouvons facilement résoudre ces réactances.

Les valeurs ci-dessus sont les valeurs minimales requises pour converger vers une adaptation d'impédance. Si nous utilisons la définition de la réactance capacitive et inductive dans l'équation ci-dessus, nous avons la relation suivante entre la fréquence de fonctionnement cible et la capacité :

Cette relation nous indique que nous pouvons décaler la bande passante pour le bias tee en ajustant C pour un rapport d'impédance cible tout en maintenant la valeur de l'inductance L constante. Nous pouvons également utiliser la même relation mais avec L sur le côté droit de l'équation au lieu de C.

Par exemple, si nous prenions les valeurs ci-dessus et augmentions la capacité par un facteur N, la fréquence de fonctionnement où nous nous attendrions à voir une livraison de puissance maximale dans la charge devrait diminuer par un facteur √N afin de maintenir le même rapport d'impédance. Cela pourrait modifier l'adaptation d'impédance à la sortie ; même si nous pourrions avoir une certaine réflexion et un désaccord d'impédance, le bias tee décale sa bande passante de telle sorte que la puissance de charge peut être augmentée.

Calculateur de Bias Tee LC

Vous pouvez utiliser l'application de calcul ci-dessous pour déterminer les valeurs de L et C à utiliser dans un bias tee. Cela nécessite que le concepteur saisisse un rapport d'impédance souhaité et une impédance cible. La fréquence indiquée ici est la fréquence attendue où nous voyons le maximum dans la bande passante du bias tee.

Filtrage d'ordre supérieur

```Que se passerait-il si nous placions une section de filtrage plus complexe du côté DC ? Cela est également possible avec le placement d'un circuit de filtrage. L'étape DC montrée ci-dessus pourrait avoir une étape de filtrage plus complexe entre le port d'alimentation d'entrée et le point de branchement sur le réseau de sortie RF. Par exemple, nous pourrions placer un filtre passe-bas bidirectionnel d'ordre supérieur entre le port DC d'entrée et le point de branchement.

Cela ressemblerait à quelque chose comme le circuit ci-dessous. Ici, j'ai placé des circuits RL parallèles comme éléments de filtrage qui limitent essentiellement le courant à des fréquences plus élevées provenant de l'alimentation. Si vous cherchez sur internet, vous verrez d'autres exemples de circuits RLC utilisés comme filtres passe-bas le long de la connexion DC.

Dans ce circuit, l'impédance de l'inducteur + l'étape de filtrage RF est dimensionnée pour atteindre un rapport d'impédance particulier par rapport à la ligne de 50 Ohms et l'objectif de rapport d'impédance. Il est également courant de voir un condensateur partant de la borne VDD. Pourquoi voudrions-nous adopter cette approche pour l'étape de filtrage ? Il y a trois raisons possibles :

• Étant donné qu'il s'agit d'un filtre d'ordre supérieur, il y aura une atténuation plus marquée à haute fréquence
• En se basant sur le point précédent, la section de filtrage pourrait filtrer le bruit provenant de la source DC
• Le té pourrait avoir un rapport d'impédance constamment élevé sur une bande passante plus large

Dans l'exemple ci-dessus, un filtre d'ordre supérieur est utilisé sur le port d'entrée DC. Le principal défi avec cela est que la topologie du filtre de blocage pourrait avoir une certaine ondulation de la bande passante en fonction de la fréquence, et en conséquence, l'impédance du té pourrait également avoir une certaine ondulation de la bande passante. Par conséquent, il est important de simuler le fonctionnement de la section de filtrage, ce qui peut être fait dans une simulation SPICE.

Exemple : Simulation SPICE Avec un Té de Polarisation LC

Dans cette section, je vais montrer quelques résultats de simulation pour le té de polarisation LC plus simple montré dans les schémas ci-dessus pour notre projet de module d'amplificateur de puissance. Tel qu'il a été conçu à l'origine, le té de polarisation montré ci-dessus fonctionnera comme prévu avec une opération large bande, et l'adaptation d'impédance sera presque exactement de 50 Ohms. Cependant, il n'est pas optimisé pour la livraison de puissance à une charge de 50 Ohms en raison de l'action de filtrage du té de polarisation due au rapport d'impédance élevé.

Le schéma ci-dessous montre le circuit initial qui sera utilisé pour simuler le bias tee.

Pour cette simulation, nous examinerons une simulation en courant alternatif pour le tee, où nous sommes intéressés par la tension de sortie, le courant entrant du côté RF, et la puissance délivrée à RLOAD. Nous voulons également savoir quelle est l'impédance en regardant à travers l'entrée RF. Idéalement, cela devrait être aussi proche que possible de 50 Ohms. Les résultats initiaux en courant alternatif sont montrés ci-dessous.

Cette simulation initiale révèle de très bons résultats. La bande passante est très large pour ce bias tee, et l'adaptation d'impédance semble extrêmement précise jusqu'à la fréquence de fonctionnement du circuit de 6,3 GHz. Bien que l'impédance cible semble avoir été atteinte, nous ne voyons pas une livraison maximale de puissance à la charge à la fréquence souhaitée. Cela est dû au fait que 6,3 GHz se trouve dans l'affaiblissement de la bande passante.

Supposons maintenant que nous réglons le rapport d'impédance à 1:1 pour ce circuit. Cela nécessiterait un inducteur de 1,2 nH et un condensateur de 0,5 pF. Les résultats avec cette configuration de simulation mise à jour sont montrés ci-dessous.

D'ici, nous voyons que la bande passante s'est déplacée vers des fréquences plus élevées, mais cela ne signifie pas nécessairement que nous obtenons plus de puissance du tee délivrée à RLOAD. Nous voyons également que l'impédance ne converge vers la cible qu'à une fréquence beaucoup plus élevée (environ 10 GHz). Nous n'avons donc toujours pas abouti à un design parfait.

Enfin, voyons ce qui se passe si nous augmentons les paramètres à L = 6 nH et C = 1 pF (équivalent à un rapport d'impédance de 3.14 à environ 6.45 GHz). Dans ce cas, nous obtenons une bien meilleure correspondance avec l'impédance cible, bien que la puissance délivrée à la charge soit quelque peu inférieure. Bien que la bande passante se soit déplacée beaucoup plus haut, l'impédance que ce circuit cible à 6.45 GHz est d'environ 77.4 Ohms, ce qui pourrait expliquer la livraison de puissance inférieure dans ce circuit.

Un balayage des paramètres pourrait aider à déterminer le meilleur équilibre entre L et C dans une certaine plage. L'autre simulation que nous pourrions effectuer est une simulation d'analyse transitoire. Cela nous dira ce qui arrive au tee lorsque le circuit est initialement monté à sa puissance de fonctionnement. Essayez de le faire vous-même car c'est assez simple, et cela devrait illustrer les pièges potentiels de l'utilisation de filtrage d'ordre supérieur sur le côté DC du circuit.

Y a-t-il quelque chose qui ne va pas avec cette image ? Il s'avère que oui ! En particulier, il y a deux points qui ne sont pas pris en compte dans cette simulation :

1. Aux fréquences GHz où ce système va fonctionner, le condensateur et l'inducteur pourraient avoir des parasitiques (ESR/ESL pour le condensateur et EPC pour l'inducteur)
2. Le bias tee supporte la propagation des ondes, donc les connexions entre les composants sont en réalité des lignes de transmission.

Sur la base du point n°2, et de l'idée que la sortie d'un amplificateur pourrait être terminée en interne à 50 Ohms, l'impédance du bias tee est parfois réglée très bas. Cela pourrait être acceptable tant que le tee est placé très près de la broche de sortie sur l'amplificateur de puissance. Cependant, il est beaucoup plus préférable d'utiliser l'adaptation d'impédance à travers l'interconnexion pour essayer de maximiser le transfert de puissance dans la charge.

Les simulations SPICE ne sont pas très efficaces pour simuler la propagation sur les lignes de transmission entre les composants et en sortie du bias tee. Par conséquent, la simulation SPICE présentée ci-dessus utilise une charge de 50 Ohms pour représenter l'impédance d'entrée vue dans la charge dans notre exemple de module d'amplificateur de puissance. Si nous avions une situation où la charge est placée près de la sortie du bias tee, alors nous pouvons certainement adopter l'approche de circuit qui est idéalisée dans l'exemple de simulation SPICE montré ici.

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