Jak zaprojektować układ sprzęgający do wzmacniacza mocy

Separatory RF są używane do oddzielania mocy DC i AC wzdłuż połączenia. Jest to urządzenie o 2 wejściach i 1 wyjściu, które wykorzystuje elementy reaktywne do zapewnienia przepływu mocy w różnych kierunkach. W poprzednim projekcie z układem wzmacniacza mocy RF, w projekcie znajduje się separator, który jest używany do dostarczania mocy DC do wzmacniacza, jednocześnie umożliwiając propagację mocy RF w kierunku zewnętrznego złącza SMA.

W tym artykule przedstawię, jak zaprojektować ten obwód i jakie są ważne parametry, aby zapewnić wysoką propagację mocy do komponentu obciążenia. Te urządzenia są dostępne zarówno jako moduły wysokiej mocy do dalekiego nadawania, ale mogą być również zbudowane jako małe obwody na PCB dla systemów RF o niższej mocy.

Co to jest Separator Bias?

Układ bias tee to prosty obwód, który wykorzystuje cewkę i kondensator do kierowania przepływu mocy AC i DC. Najprostszy typ bias tee to urządzenie z 2 wejściami; cewka jest używana do przekazywania mocy DC z jednego portu wejściowego, a kondensator służy do przekazywania mocy AC do wyjścia. W wcześniejszym przykładzie z naszym wzmacniaczem mocy RF, bias tee został użyty do dostarczenia mocy do wzmacniacza, jednocześnie przekazując moc wyjściową RF z tego samego pinu. Poniżej pokazano wcześniej użyty obwód.

Koncepcja jest prosta; indukcyjna impedancja cewki blokuje sygnał AC, podczas gdy kondensator blokuje przepływ sygnału DC do obciążenia w tym systemie. Sygnał DC to po prostu moc dostarczana do pinu VDD, która zasili wzmacniacz, a wewnętrzna elektronika wzmacniacza skieruje moc wejściową w wymagany sposób.

Stosunek impedancji w prostym bias tee

Bias tees są projektowane tak, aby osiągnąć określony stosunek impedancji. Stosunek impedancji w bias tee odnosi się do stosunku między impedancją na ścieżce DC a impedancją widzianą przez sygnał podczas jego przemieszczania się wzdłuż ścieżki wyjściowej. Ten stosunek impedancji musi być uwzględniony w projekcie bias tee w ramach następujących celów projektowych:

Impedancja patrząc na port DC powinna być znacznie większa niż impedancja patrząc na wyjście RF
Równoważny spadek impedancji na bias tee (zmierzony od RFOUT do strony wyjściowej kondensatora) musi odpowiadać impedancji linii transmisyjnej LO_OUT

W związku z tym, mamy dwie ważne definicje, które możemy użyć do obliczenia stosunku impedancji:

Wartości w powyższych dwóch równaniach to reaktancje cewki (L) i kondensatora (C) przy częstotliwości pracy obwodu. Typowa wartość dla stosunku impedancji może wynosić od n = 1 do n = 1000. Impedancja bias tee Z(tee) będzie dopasowana do impedancji linii transmisyjnej, zazwyczaj 50 omów na PCB. Mając dwie równania i dwie niewiadome, możemy łatwo rozwiązać te reaktancje.

Podane powyżej wartości są minimalnymi wartościami wymaganymi do osiągnięcia dopasowania impedancji. Jeśli użyjemy definicji reaktancji pojemnościowej i indukcyjnej w powyższym równaniu, otrzymamy następującą zależność między docelową częstotliwością pracy a pojemnością:

Ta zależność mówi nam, że możemy przesunąć pasmo przepustowe dla układu bias tee, regulując C dla docelowego stosunku impedancji, przy jednoczesnym utrzymaniu stałej wartości induktora L. Możemy również użyć tej samej relacji, ale z L po prawej stronie równania zamiast C.

Na przykład, jeśli wzięlibyśmy powyższe wartości i zwiększyli pojemność o czynnik N, częstotliwość pracy, przy której spodziewalibyśmy się zobaczyć maksymalne dostarczanie mocy do obciążenia, musiałaby zmniejszyć się o czynnik √N, aby utrzymać ten sam stosunek impedancji. Mogłoby to zmodyfikować dopasowanie impedancji na wyjściu; mimo że moglibyśmy mieć pewne odbicie i niedopasowanie impedancji, układ bias tee przesuwa swoje pasmo przepustowe tak, że moc obciążenia może być zwiększona.

Kalkulator LC Bias Tee

Możesz użyć poniższej aplikacji kalkulatora, aby określić wartości L i C do użycia w układzie bias tee. Wymaga to, aby projektant wprowadził pożądany stosunek impedancji oraz docelową impedancję. Podana tutaj częstotliwość to oczekiwana częstotliwość, przy której obserwujemy maksimum w paśmie przepustowym bias tee.

Filtracja wyższego rzędu

```Co by się stało, gdybyśmy umieścili bardziej złożoną sekcję filtrującą po stronie DC? Jest to również możliwe dzięki umieszczeniu obwodu filtrującego. Pokazany powyżej etap DC mógłby mieć bardziej złożoną sekcję filtrującą pomiędzy portem zasilania a punktem rozgałęzienia na sieci wyjściowej RF. Na przykład moglibyśmy umieścić filtr dolnoprzepustowy dwukierunkowy wyższego rzędu pomiędzy portem wejściowym DC a punktem rozgałęzienia.

To wyglądałoby mniej więcej jak układ poniżej. Tutaj umieściłem równoległe obwody RL jako elementy filtrujące, które zasadniczo ograniczają prąd przy wyższych częstotliwościach pochodzących z zasilacza. Jeśli poszukasz w internecie, zobaczysz inne przykłady obwodów RLC używanych jako filtry dolnoprzepustowe wzdłuż połączenia DC.

W tym układzie impedancja cewki + etap filtru RF jest dobrana tak, aby osiągnąć określony stosunek impedancji względem linii 50 omów i docelowego stosunku impedancji. Również często można zobaczyć kondensator wychodzący z terminala VDD. Dlaczego chcielibyśmy zastosować to podejście dla etapu filtru? Istnieją trzy możliwe powody:

• Ponieważ jest to filtr wyższego rzędu, spadek charakterystyki przy wysokich częstotliwościach będzie bardziej stromy
• W oparciu o poprzedni punkt, sekcja filtrująca mogłaby filtrować szumy z źródła prądu stałego
• Tee mogłoby mieć konsekwentnie wysoki stosunek impedancji na szerszym paśmie przepustowym

W powyższym przykładzie, na wejściu prądu stałego używany jest filtr wyższego rzędu. Głównym wyzwaniem tutaj jest to, że topologia filtra blokującego może mieć pewne tętnienia w paśmie przepustowym jako funkcję częstotliwości, co skutkuje tym, że impedancja tee również może mieć pewne tętnienia w paśmie przepustowym. Dlatego ważne jest, aby symulować działanie sekcji filtrującej, co można zrobić w symulacji SPICE.

Przykład: Symulacja SPICE z LC Bias Tee

W tej sekcji pokażę wyniki symulacji dla prostszego LC bias tee pokazanego na powyższych schematach dla naszego projektu modułu wzmacniacza mocy. Jak zostało pierwotnie zaprojektowane, pokazane powyżej bias tee będzie działać zgodnie z założeniami przy szerokopasmowej operacji, a dopasowanie impedancji będzie prawie dokładnie 50 omów. Jednakże, nie jest zoptymalizowane pod kątem dostarczania mocy do obciążenia 50 omów z powodu działania filtrującego bias tee spowodowanego wysokim stosunkiem impedancji.

Schemat poniżej pokazuje początkowy obwód, który zostanie użyty do symulacji układu bias tee.

W tej symulacji przyjrzymy się symulacji AC dla tego układu, gdzie interesuje nas napięcie wyjściowe, prąd wpływający do strony RF oraz moc dostarczana do RLOAD. Chcemy również wiedzieć, jaka jest impedancja patrząc przez wejście RF. Idealnie, powinna być ona jak najbliżej 50 omów. Początkowe wyniki AC są pokazane poniżej.

Początkowa symulacja ujawnia dość dobre wyniki. Pasmo przenoszenia jest bardzo szerokie dla tego układu bias tee, a dopasowanie impedancji wydaje się być niezwykle precyzyjne aż do częstotliwości pracy obwodu wynoszącej 6,3 GHz. Chociaż wydaje się, że docelowa impedancja została osiągnięta, nie obserwujemy maksymalnej dostawy mocy do obciążenia przy pożądanej częstotliwości. Dzieje się tak, ponieważ 6,3 GHz znajduje się w obszarze spadku dla pasma przenoszenia.

Załóżmy teraz, że ustawiamy stosunek impedancji na 1:1 dla tego obwodu. Wymagałoby to użycia dławika o indukcyjności 1,2 nH i kondensatora o pojemności 0,5 pF. Wyniki z tą zaktualizowaną konfiguracją symulacji są pokazane poniżej.

Stąd widzimy, że pasmo przepustowe przesunęło się na wyższe częstotliwości, ale niekoniecznie otrzymujemy więcej mocy z tee dostarczanej do RLOAD. Widzimy również, że impedancja nie zbiega się z docelową aż do znacznie wyższej częstotliwości (około 10 GHz). Więc nadal nie osiągnęliśmy idealnego projektu.

W końcu, zobaczmy co się stanie, jeśli zwiększymy parametry do L = 6 nH i C = 1 pF (równe stosunkowi impedancji 3,14 przy około 6,45 GHz). W tym przypadku uzyskujemy znacznie lepsze dopasowanie do docelowej impedancji, chociaż moc dostarczana do obciążenia jest nieco niższa. Chociaż pasmo przepustowe przesunęło się znacznie wyżej, impedancja, na którą ten obwód jest nastawiony przy 6,45 GHz, wynosi około 77,4 oma, co może wyjaśniać niższą dostawę mocy w tym obwodzie.

Przegląd parametrów mógłby pomóc określić najlepszą równowagę między L i C w pewnym zakresie. Inną symulacją, którą moglibyśmy przeprowadzić, jest symulacja analizy przejściowej. Powie nam to, co dzieje się z tee, gdy obwód jest początkowo doprowadzany do swojej roboczej mocy. Spróbuj zrobić to sam, ponieważ jest to dość proste i powinno zilustrować potencjalne pułapki związane z używaniem filtrów wyższego rzędu po stronie DC obwodu.

Czy na tym obrazku jest coś nie tak? Okazuje się, że tak! W szczególności, są dwa punkty, które nie są uwzględnione w tej symulacji:

1. W częstotliwościach GHz, na których będzie działać ten system, kondensator i cewka mogą mieć pewne pasożytnicze (ESR/ESL na kondensatorze i EPC na cewce)
2. Układ zasilający wspiera propagację fal, więc połączenia między komponentami są faktycznie liniami transmisyjnymi.

Na podstawie punktu #2, oraz pomysłu, że wyjście z wzmacniacza może być wewnętrznie zakończone na 50 omów, impedancja układu zasilającego jest czasami ustawiana bardzo nisko. Może to być w porządku, dopóki układ jest umieszczony bardzo blisko wyjściowego pinu na wzmacniaczu mocy. Jednakże, znacznie bardziej preferowane jest używanie dopasowania impedancji na całej długości połączenia, aby próbować maksymalizować transfer mocy do obciążenia.

Symulacje SPICE nie są zbyt dobre w symulowaniu propagacji na liniach transmisyjnych między komponentami oraz poza układem bias tee. Dlatego symulacja SPICE pokazana powyżej używa obciążenia 50 omów do reprezentowania impedancji wejściowej patrząc na obciążenie w naszym przykładowym module wzmacniacza mocy. Gdybyśmy mieli sytuację, gdzie obciążenie jest umieszczone blisko wyjścia układu bias tee, wtedy z pewnością możemy zastosować podejście obwodowe, które jest idealizowane w pokazanym tutaj przykładzie symulacji SPICE.

Po wybraniu komponentów do twojego bias tee, upewnij się, że używasz kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer® do zaprojektowania twojej płytki obwodu. Altium Designer to wiodąca na rynku platforma CAD, która zawiera również łatwy w użyciu symulator SPICE w edytorze schematów. Kiedy skończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie twoich projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.