パワーアンプ用バイアスTの設計方法

RFバイアスTは、インターコネクトに沿ってDCとACの電力を分離するために使用されます。これは2入力1出力のデバイスであり、異なる方向に沿って電力の流れを提供するために反応要素を使用します。以前のプロジェクトでのRFパワーアンプレイアウトでは、設計にバイアスTがあり、アンプにDC電力を供給すると同時にRF電力が出力SMAコネクタに向かって伝播するのを可能にします。

この記事では、この回路の設計方法と、負荷コンポーネントに高電力を伝播させるための重要なパラメータについて概説します。これらのデバイスは、長距離放送用の高電力モジュールとして利用可能ですが、低電力RFシステム用にPCB上に小さな回路として構築することもできます。

バイアスTとは何ですか？

バイアス・ティーは、インダクタとキャパシタを使用してACおよびDC電力の流れを制御する単純な回路です。最も単純なタイプのバイアス・ティーは2入力デバイスであり、インダクタは一方の入力ポートからDC電力を通過させ、キャパシタはAC電力を出力に通過させるために使用されます。以前のRFパワーアンプリファイアの例では、バイアス・ティーがアンプリファイアに電力を供給するために使用され、同時に同じピンからRF出力電力を通過させました。以前使用された回路は以下に示されています。

この概念は単純です。インダクタの誘導性インピーダンスがAC信号をブロックし、キャパシタがこのシステムの負荷へのDC信号の通過をブロックします。DC信号は単にアンプリファイアを動力するためにVDDピンに供給される電力であり、アンプリファイアの内部回路が必要な方法で入力電力をルーティングします。

単純なバイアス・ティーにおけるインピーダンス比

バイアスTは、特定のインピーダンス比を目指して設計されています。バイアスTにおけるインピーダンス比とは、DC経路に沿ったインピーダンスと、出力経路に沿って信号が移動する際に見られるインピーダンスとの比率を指します。このインピーダンス比は、以下の設計目標の下でバイアスTの設計に含める必要があります：

DCポートを見たインピーダンスは、RF出力を見たインピーダンスよりもはるかに大きくなければなりません
バイアスTを通過する同等のインピーダンス降下（RFOUTからコンデンサの出力側まで測定）は、伝送線LO_OUTと一致する必要があります

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したがって、インピーダンス比を計算するために使用できる2つの重要な定義があります：

上記の2つの方程式の値は、回路の動作周波数でのインダクタ（L）とキャパシタ（C）のリアクタンスです。インピーダンス比の典型的な値は、n = 1からn = 1000の範囲であることがあります。バイアスTのインピーダンスZ(tee)は、通常PCB上で50オームである伝送線インピーダンスに一致させられます。2つの方程式と2つの未知数があるので、これらのリアクタンスを簡単に解くことができます。

上記の値は、インピーダンスマッチに収束するために必要な最小値です。上記の方程式で容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの定義を使用すると、目標動作周波数とキャパシタンスの間に以下の関係があります：

この関係は、インダクタンス値Lを一定に保ちながら、目標インピーダンス比に対してCを調整することで、バイアスティーのパスバンドをシフトできることを示しています。同じ関係を使用して、方程式の右辺にCの代わりにLを使用することもできます。

例えば、上記の値を取り、キャパシタンスをN倍に増加させた場合、最大電力を負荷に供給すると予想される動作周波数は、同じインピーダンス比を維持するために√Nの因子で減少する必要があります。これにより出力でのインピーダンスマッチが変更されるかもしれませんが、反射やインピーダンスの不一致があるかもしれませんが、バイアスティーはそのパスバンドをシフトして、負荷電力を増加させることができます。

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LCバイアスティーカリキュレータ

以下の計算機アプリケーションを使用して、バイアスティーで使用するL値とC値を決定できます。これには、設計者が望ましいインピーダンス比と目標インピーダンスを入力する必要があります。ここで与えられた周波数は、バイアスティーのパスバンドで最大値を見ると予想される周波数です。

高次フィルタリング

DC側にもっと複雑なフィルターセクションを配置したらどうなるでしょうか？これもフィルター回路の配置で可能です。上に示したDCステージは、入力電源ポートとRF出力ネットの分岐点の間にもっと複雑なフィルターステージを持つことができます。例えば、入力DCポートと分岐点の間に高次の双方向ローパスフィルターを配置することができます。

これは下の回路のようになります。ここでは、電源から来る高周波数の電流を本質的に制限するフィルタリング要素として、並列RL回路を配置しました。インターネットを見渡すと、DC接続に沿ってローパスフィルターとして使用されるRLC回路の他の例を見ることができます。

この回路では、インダクター + RFフィルターステージのインピーダンスは、50オームのラインおよびインピーダンス比の目標に対して特定のインピーダンス比に達するようにサイズが設定されています。また、VDD端子からキャパシターが出ているのをよく見かけます。なぜこのアプローチをフィルターステージに採用したいのでしょうか？3つの可能な理由があります：

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• 高次フィルターであるため、高周波数でのロールオフが急になります
• 前述の点に基づき、フィルターセクションはDCソースからのノイズをフィルタリングできる可能性があります
• ティーは、より広いパスバンドで一貫して高いインピーダンス比を持つことができます

上記の例では、DC入力ポートに高次フィルターが使用されています。これにおける主な課題は、ブロッキングフィルターのトポロジーが周波数の関数としてパスバンドリップルを持つ可能性があり、その結果、ティーインピーダンスもパスバンドリップルを持つ可能性があることです。したがって、フィルターセクションの動作をシミュレートすることが重要であり、これはSPICEシミュレーションで行うことができます。

例：LCバイアスティーを使用したSPICEシミュレーション

このセクションでは、私たちのパワーアンプモジュールプロジェクトのために上記の回路図で示されたよりシンプルなLCバイアスティーのシミュレーション結果をいくつか示します。元々の設計通り、上記で示されたバイアスティーは広帯域動作で意図した通りに動作し、インピーダンスマッチングはほぼ正確に50オームになります。しかし、バイアスティーのフィルタリング作用により、高インピーダンス比のため、50オーム負荷への電力供給には最適化されていません。

以下の回路図は、バイアスティーのシミュレーションに使用される初期回路を示しています。

このシミュレーションでは、ティーのACシミュレーションを見ていきます。ここでは、出力電圧、RF側への電流、およびRLOADへの供給電力に興味があります。また、RF入力を横切って見たときのインピーダンスがどのようになっているかも知りたいです。理想的には、これが可能な限り50オームに近いことが望ましいです。初期AC結果は以下に示されています。

この初期シミュレーションはかなり良い結果を示しています。このバイアスティーのパスバンドは非常に広く、6.3 GHzの回路の動作周波数まで、インピーダンスマッチングが非常に正確に見えます。目標インピーダンスに達したように見えますが、望ましい周波数での負荷への最大電力供給は見られません。これは、6.3 GHzがパスバンドのロールオフにあるためです。

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今、この回路のインピーダンス比を1:1に設定したとします。これには、1.2 nHのインダクターと0.5 pFのキャパシターが必要になります。この更新されたシミュレーション構成での結果は以下に示されています。

ここから、通過帯域が高周波数に移動したことがわかりますが、RLOADに供給される電力が必ずしも増えるわけではありません。また、インピーダンスが目標値に収束するまでには、はるかに高い周波数（約10 GHz）が必要であることもわかります。したがって、まだ完璧な設計には至っていません。

最後に、L = 6 nH、C = 1 pF（約6.45 GHzでのインピーダンス比が3.14に等しい）にパラメータを増やした場合に何が起こるかを見てみましょう。この場合、目標インピーダンスに対するマッチングは大幅に改善されますが、負荷に供給される電力はやや低くなります。通過帯域がかなり高く移動したにもかかわらず、この回路が6.45 GHzで目指しているインピーダンスは約77.4オームであり、これが回路の電力供給が低下する理由を説明しているかもしれません。

LとCの間で最適なバランスを決定するために、パラメータスイープが役立つかもしれません。実行できる別のシミュレーションは、過渡解析シミュレーションです。これにより、回路が最初に動作電力に達したときにT字型回路に何が起こるかがわかります。これは非常に簡単なので、自分で試してみてください。これにより、回路のDC側で高次フィルタリングを使用する際の潜在的な落とし穴が示されるはずです。

この写真に何か問題はありますか？実は、問題があります！特に、このシミュレーションでは考慮されていない2点があります：

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1. このシステムが動作するGHz周波数では、キャパシタとインダクタにはいくつかの寄生要素（キャパシタのESR/ESLやインダクタのEPC）が存在する可能性があります。
2. バイアスティーは波の伝播をサポートしているため、コンポーネント間の接続は実際には伝送線です。

ポイント＃2と、アンプの出力が内部的に50オームに終端される可能性があるという考えに基づいて、バイアスティーのインピーダンスは時々非常に低く設定されます。これは、ティーがパワーアンプの出力ピンに非常に近い場所に配置されている限り、問題ないかもしれません。しかし、負荷への電力伝達を最大化しようとするために、相互接続全体でインピーダンスマッチングを使用する方がはるかに望ましいです。

SPICEシミュレーションは、コンポーネント間やバイアスティーの外部への伝送線上での伝搬をシミュレートするのにあまり得意ではありません。したがって、上記で示されたSPICEシミュレーションでは、例示されたパワーアンプリファイヤーモジュールにおける負荷への入力インピーダンスを見るために、50オームの負荷を使用しています。もし、負荷がバイアスティーの出力に近い場所に配置される状況があれば、ここに示されたSPICEシミュレーションの例で理想化されている回路アプローチを確実に取ることができます。

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