利用小信号 S 参数设计 HMC454ST89 应用电路
一,器件基本特性的描述
HMC454ST89 是具有高动态范围的 0.5 瓦单片微波放大器.其主要材料是 GaAs InGaP HBT,工作频段是 400MHz 到 2.5GHz.该器件采用标准的工业级 SOT89 封装,增益的典型 值在 0.8GHz 到 1.0GHz 是 17.8dB;在 1.8GHz 到 2.2GHz 是 12.5dB.直流+5V 供电时,通 过采用少量外围器件,OIP3 指标能够被显著的优化——在 1.9GHz 达到+40dBm;在 2.0GHz 达到+42dBm.出色的 OIP3 特性和 PAE 特性使得 HMC454ST89 成为一种理想的驱动放大 器.其主要应用领域包括:蜂窝移动通信,无线本地环(WLL),ISM 等等.
二,器件应用中需要考虑的问题
不断发展的无线通信市场对半导体器件的制造商提出了日益严格的需求——体积小,成本 低,功能多样.很多新的器件是针对某些特定的频带设计的,"窄带特性"限制了它们的适应 性.很多情况下,客户总是希望购买的器件,只要通过外围少量的调整,就能够满足多种应 用.例如,市场上有数以百计已经匹配好的放大器,这些放大器来自不同的厂家,并且只能够 覆盖某些分离的频段."应用方便"是这些放大器的特点,因为用户只需要在 PCB 板上设计 焊盘就行了.然而在很多时候,系统要求放大器工作在通用的无线通信频带之外.这时候,电 路设计人员就必须选用分立的半导体器件——晶体管.这种封装好的晶体管需要同时设计"匹 配网络"和"偏置网络".对于经验丰富的射频工程师来讲,他们往往能够很容易完成"匹配 网络"的设计,从而放大器在指定的频带内达到期待中的响应特性.然而,在晶体管应用电路 设计中,"偏置网络"的设计往往会考虑不充足.这一疏漏通常导致了晶体管的自激,或者增 益的温度不稳定性.理想的解决方法就是在晶体管中集成偏置网络,从而不需要在外围进行设 计.Hittite Microwave 公司最新推出的放大器——HMC454ST89 就是按照这种思路设计的, 它的频带宽度是 400MHz 到 2.5GHz 以上.这款放大器在内部集成了"镜像电流"偏置网 络,既提供了稳定的偏置,又保证了增益随温度的稳定性. 在 HMC454ST89 数据资料中匹配网络设计的目标是达到最佳 OIP3 值.这种设计方法不 同于常用的小信号设计方法.因为设计的依据是通过"Load-Pull"试验而获取的大信号 S 参 数.然而,获得"Load-Pull"数据是一项费时,费力的工作,而且很难得到完全精确的测试 结果.如果不需要放大器工作在最佳的 OIP3 或者 P1dB 情况下,就可以使用小信号 S 参数设 计匹配网络.通常情况下,匹配网络的两种设计方法会带来 OIP3 值的 3dB 差异.在这篇应用 文档中,将介绍应用于三种频段的匹配网络的设计方法.设计依据是由 HMC454ST89 评估板 获取的小信号"De-embedded"S 参数.小信号设计之后的放大器将测试 PSAT,P1dB, OIP3,ACPR,并且与大信号 S 参数设计结果进行比较.
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三,从评估板获得 De-embedded 的 S 参数方法介绍
设计匹配电路的第一步是要获得精确的器件模型,或者参考点在器件封装管脚的 S 参 数.利用任何一种矢量网络分析仪可以很容易获得参考点位于评估板 SMA 接头的 S 参数.然 而,要获得参考点位于器件封装管脚的 S 参数就比较困难.基本上讲,有三种方法能够达到 这种目的——1)用夹具直接测量;2)使用矢网扩展断口测量;3)使用标准的短路,开路, 负载,传输(SOLT)较准件,以及精确的评估板模型. 第一种测量方法需要特殊的测试装备,例如:专用探头,专用的夹具.如果不用考虑专用 探头的造价以及专用夹具的开发时间,那么,这种方法值得采用,毕竟它能够得到最精确的测 量结果. 第二种测量方法利用了大多数矢网的端口扩展功能.矢网的校正参考点能够通过仪器的内 部计算转移到器件的管脚.这一方法的应用前提是假定仪器的校正参考点和器件的管脚之间是 完全理想的传输线.遗憾的是测试通路的物理损耗以及不连续性造成这一方法没有实用的价 值. 第三种测量方法是利用仿真软件,例如:Eagleware Genesys,对测试架进行 De-embed 处理.矢网首先利用标准的 SOLT 组件(短路,开路,附载,直通)进行校正,从而将测试 的 参 考 点 设 置 到 射 频 电 缆 的 末 端 , 也 就 是 评 估 板 SMA 接 头 与 射 频 电 缆 的 连 接 处 . 用 GENESYS 打开直接测试评估板得到的 S 参数文件,并进行评估板的 De-embed 处理,从而 得到参考点在器件封装管脚的 S 参数.下面将进一步说明如何利用 HMC454ST89 评估板 107753-2 进行 De-embed 处理. 图 1 是 HMC454ST89 的评估板.器件的偏置网络被去除,同时用 0 欧姆的贴片电阻连接 50 欧姆传输线与 SMA 接头.利用外加的 T 型宽带偏置设备给 HMC454ST89 进行+5V 的直流 供电.

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