伪晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)是一种损耗器件，具有阻值接近0 欧姆的漏源通道。该特性允许器件在高开关频率下以高增益工作。然而，如果不采用适当的栅极和漏极偏置顺序，漏极通道的高导电性可能导致器件烧毁。在本文中，我们将探讨耗尽模式pHEMT或射频(RF)放大器的工作以及它们如何实际偏置。耗尽型场效应晶体管(fet)需要负栅极电压，并且必须仔细地顺序开/关。固定栅极电压电路和固定漏极电流电路将被提出并进行比较。我们还将仔细研究这些偏置电路的噪声和杂散如何影响射频性能。

介绍

图1显示了耗尽模式pHEMPT射频放大器的简化框图。通过该器件的射频信号路径是从栅极到漏极，具有交流耦合电容器，可将射频信号与漏极和栅极上的直流偏置电压解耦。主电源电压通过电感作用于FET晶体管的漏极。

耗尽模式器件的一个重要特性是，当栅极电压等于0 V时，漏源电阻接近0 欧姆。因此，要操作该器件，必须在栅极上施加负电压。在图1中，该电压通过片上电感施加。

这种偏置方法的一个缺点是两个电源不能同时接通。在栅极偏置电压之前施加漏极偏置电压会导致漏极电流的突然增加，从而迅速导致烧毁。因此，必须首先施加负的栅极偏置电压来掐断通道。当打开和关闭放大器时，应使用表1中的程序。

在实践中，可以跳过掐断步骤。例如，如果正常工作的最终栅极电压是已知的，则该电压可以立即施加，而无需经过截断步骤。

固定栅极电压偏置

图2显示了一个耗尽模式射频放大器的电源管理电路，它建立并维持一个固定的栅极电压。它使用开关稳压器，低差(LDO)稳压器和负载开关来开发漏极电压。门电压由ADP5600开发，它包含一个电压逆变器和一个LDO稳压器。漏极电流由负电压LDO调节器的反馈电阻设定。为了确保安全的功率排序，开关稳压器的使能(EN)引脚绑在负电压发生器的电源良好(PGOOD)信号上。这确保负栅极电压总是在漏极电压之前存在。

这种电路的主要缺点是它没有考虑到射频放大器的V(GATE)到I(DRAIN)关系的部分到部分变化。漏极电流的部分到部分的变化(假设栅极电压固定)可能会导致每个电路具有不同的漏极电流。漏极电流的变化通常会影响压缩(OP1dB)和三阶互调失真(OIP3)(增益也会受到影响，但影响程度较小)。这种方法的一个好处是漏极电流将根据RF输入和RF输出功率的变化而增大或减小。因此，如果射频输入功率低，则功耗将低，反之亦然。

主动偏置控制

主动偏置控制是另一种方法。这种技术不是固定栅极电压，而是固定漏极电流。在图3中，有源偏置控制器通过测量漏极电流和改变栅极电压来调节漏极电流，即使在不同的输入射频条件下也能保持电流固定。该电路由LT8608降压调节器和HMC920有源偏置控制器组成，可支持3 V至15 V的漏极电压和高达500 mA的总漏极电流。主动偏置控制是另一种方法。这种技术不是固定栅极电压，而是固定漏极电流。在图3中，有源偏置控制器通过测量漏极电流和改变门电压来调节漏极电流，即使在不同的输入射频条件下也能保持电流固定。该电路由LT8608降压调节器和HMC920有源偏置控制器组成，可支持3 V至15 V的漏极电压和高达500 mA的总漏极电流。

HMC920内部的高压大电流线性稳压器(LDOCC引脚)可以产生3 V至15 V的正电压，电流高达500 mA。其输出通过内部MOSFET开关连接到V(DRAIN)端口，该开关用于功率排序。为了设定功率放大器所需的漏极电压，必须使用公式1调整LDO稳压器的反馈电阻R5和R8:

其中V(DRAIN)是期望漏极电压值，I(DRAIN)是期望漏极电流。0.5常数是内部MOSFET开关的RDS(ON)值。

内部电荷泵产生V(GATE)的负电压。通过将电压设为R(SENSE)，控制器检测漏极电流并改变电压atV(GATE)。要设置漏极电流，R(SENSE) (R4和R19)必须使用公式2进行改变:

当HMC920通过施加电源电压(V(DD))接通时，将向EN引脚发送信号以启动控制回路。V(DRAIN)最初被短接到地以迫使其为零。同时，V(GATE)处的电压最初被拉至V(NEG)处的最小电压。在此之后，V(DRAIN)将增加到所设置的漏极电压值。在R(SENSE)上产生电压降，这将导致控制器改变栅极电压。在关断期间，一个逻辑低信号将被发送到EN引脚。V(GATE)将降至V(NEG)以切断放大器，V(DRAIN)处的电压将降至零。V(GATE)处的电压最终将达到零。这个周期遵循适当的功率顺序，以确保耗尽模式放大器的安全运行。它还具有过电流和欠电流报警，短路保护和电源折叠式等安全功能。偏置控制器的其他安全机制在HMC920数据表中有详细说明。

该偏置控制器是ADL8106宽带低噪声放大器的电源管理解决方案。ADL8106工作频率为20 GHz至54 GHz，标称漏极电压为3 V，静态漏极电流为120 mA。图4和图5显示了相关的打开和关闭波形。

噪声和杂散抑制

射频放大器射频输出端的杂散和噪声水平将取决于HMC920的输出噪声和杂散以及放大器的电源调制比(PSMR)。图6显示了开关稳压器(LT8608)输入和V(DRAIN)和V(ATE)输出端口的PSRR图。图7和图8显示了V(GATE)和V(DRAIN)电压的输出频谱。基于ADL8106的PSMR，图中还包含了显示最大允许输出噪声和杂散的走线。电源管理电路的输出噪声和杂散必须低于这些水平，以确保放大器的性能不受电源管理电路的影响。有关该参数的理论、测量和计算的更深入解释，请参阅优化信号链的电力系统系列文章。

使用外部负极电源操作HMC920

在前面的示例中，HMC920的内部负电压发生器用于产生负栅极电压。外部负极电源也可以使用，如图9所示。在这种情况下，ADP5600(逆变器和负LDO稳压器)用作栅极电压的负电源。与使用内部负电压发生器相比，这一结果的噪声系数略低，增益更高。

这种模式下的实际噪声性能仍然取决于所使用的外部负电压发生器产生的输出噪声。从图7和图8可以看出，在外部V(NEG)模式下使用HMC920也会产生噪声杂散，噪声杂散仍然低于最大允许电压纹波限制。为了利用这种模式，必须通过将V(NEGFB)引脚分选到地来禁用负电压发生器的反馈控制。对于增强型放大器(正栅极电压)，V(NEGFB)和V(GATEFB)引脚都必须连接到地。

结论

耗尽型砷化镓放大器以其宽带宽和高动态范围的特点在射频领域得到了广泛的应用。但它们需要负偏置电压，必须仔细排序。一个固定的负栅极电压可以用来使放大器偏置。这样做的好处是，电流消耗是动态的，并随RF输出电平的变化而变化。这里介绍的电路使用固定漏极电流，并产生低噪声漏极和门极电压，这些电压是安全排序的，并且不会降低射频放大器的指定性能。这将导致更严格的器件间性能，因为每个器件都在相同的漏极电流下工作。然而，这种方法的一个缺点是漏极电流是固定的，并且不随射频功率水平缩放。在确定固定漏极电流电平时应谨慎考虑，该电平必须足够高，以支持所需的最大输出功率电平，但又不能太高，否则会导致电流损耗。虽然外部负电源可用于覆盖HMC920的内部负电压发生器，但由此产生的噪声改善是微不足道的。