ADPA1105：高性能GaN功率放大器的深度解析

在射頻功率放大器的領(lǐng)域中，氮化鎵（GaN）技術(shù)憑借其高功率密度、高效率等優(yōu)勢(shì)逐漸嶄露頭角。今天，我們就來(lái)深入探討一款高性能的GaN功率放大器——ADPA1105。

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一、產(chǎn)品概述

ADPA1105是一款工作在0.9 GHz至1.6 GHz寬帶范圍的氮化鎵功率放大器。在輸入功率 $P_{IN}=19 dBm$ 時(shí)，它能夠輸出典型值為46 dBm（相當(dāng)于40 W）的功率，同時(shí)在0.9 GHz至1.4 GHz頻段內(nèi)典型功率附加效率（PAE）可達(dá)60%。此外，它在0.9 GHz至1.4 GHz帶寬內(nèi)具有±0.5 dB的增益平坦度。這些特性使得ADPA1105非常適合用于脈沖應(yīng)用，如無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、雷達(dá)、公共移動(dòng)無(wú)線電以及通用放大等領(lǐng)域。它采用了32引腳、5 mm × 5 mm的LFSCP_CAV封裝，設(shè)計(jì)緊湊。

在雷達(dá)應(yīng)用中，氮化鎵功率放大器的優(yōu)勢(shì)十分顯著。與傳統(tǒng)的微波功率放大器相比，氮化鎵功率放大器具有更高的線性度和效率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的信號(hào)放大和低失真的信號(hào)傳輸。同時(shí)，GaN材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高的頻率響應(yīng)，使得雷達(dá)發(fā)射器的工作頻率范圍更廣，達(dá)到毫米波和亞毫米波的水平，從而提升雷達(dá)的探測(cè)精度和范圍。那么，ADPA1105在這些雷達(dá)應(yīng)用中又能具體發(fā)揮怎樣的作用呢？這值得我們進(jìn)一步探討。

二、詳細(xì)規(guī)格參數(shù)

（一）電氣規(guī)格

在不同的頻率范圍和測(cè)試條件下，ADPA1105展現(xiàn)出了不同的性能參數(shù)。

1. 0.9 GHz至1.4 GHz頻段：在環(huán)境溫度 $T{A}=25^{circ} C$，電源電壓 $(V{DD})=50 ~V$，靜態(tài)電流 $I{DQ}=400 ~mA$，脈沖寬度為100 μs，占空比為10%的條件下，小信號(hào)增益典型值為34.5 dB，增益平坦度為±0.5 dB，輸入回波損耗為16 dB，輸出回波損耗為9 dB。當(dāng)輸入功率 $P{IN}=19 dBm$ 時(shí)，輸出功率典型值為46 dBm，功率增益典型值為27 dB，PAE典型值為60%。
2. 1.4 GHz至1.6 GHz頻段：同樣在上述測(cè)試條件下，小信號(hào)增益典型值為32.5 dB，增益平坦度為±0.9 dB，輸入回波損耗為11 dB，輸出回波損耗為14 dB。輸入功率 $P_{IN}=19 dBm$ 時(shí)，輸出功率典型值仍為46 dBm，功率增益典型值為27 dB，PAE典型值為57%。

（二）絕對(duì)最大額定值

為了確保器件的安全和可靠運(yùn)行，我們需要了解其絕對(duì)最大額定值。ADPA1105的漏極偏置電壓（$V{DD1}$，$V{DD2}$）最大為55 V dc，柵極偏置電壓（$V{GG1}$，$V{GG2}$）范圍為?5 V至0 V dc，射頻輸入功率（$RF{IN}$）最大為30 dBm。脈沖寬度最大為500 μs，占空比最大為20%。在不同的脈沖寬度和占空比條件下，其最大脈沖功率耗散也有所不同。例如，在脈沖寬度為100 μs、占空比為10%，基極溫度（$T{BASE}$）為85°C時(shí)，最大脈沖功率耗散為54.5 W，且溫度每升高1°C需降額473 mW。

（三）熱阻

熱阻是衡量器件散熱性能的重要指標(biāo)。ADPA1105的熱性能與印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)和工作環(huán)境密切相關(guān)。在不同的脈沖寬度和占空比條件下，其結(jié)到外殼的熱阻（$theta{JC}$）不同。例如，在脈沖寬度為100 μs、占空比為10%時(shí)，$theta{JC}$為2.11 °C/W；脈沖寬度為200 μs、占空比為20%時(shí)，$theta_{JC}$為2.82 °C/W。在連續(xù)偏置條件下，熱阻會(huì)增加到6.5°C/W，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)格外注意散熱問(wèn)題，避免器件溫度過(guò)高影響性能和壽命。

（四）靜電放電（ESD）額定值

ADPA1105是靜電放電敏感器件，其人體模型（HBM）的ESD耐受閾值為250 V，屬于1A類。因此，在處理該器件時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，以避免因靜電放電導(dǎo)致器件性能下降或功能喪失。

電子工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)靜電放電問(wèn)題，可從多個(gè)方面入手。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，要考慮靜電放電的影響，采用合適的設(shè)計(jì)與材料進(jìn)行防護(hù)。例如，在電子計(jì)價(jià)秤設(shè)計(jì)中，可采用封閉式設(shè)計(jì)增強(qiáng)其抗靜電放電的能力。在固件、軟件和線路板方面，也需要采取相應(yīng)的對(duì)策。在電路設(shè)計(jì)上，要遵循一定的指南。同時(shí)，在制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中也有諸多注意事項(xiàng)，如確保操作者保持足夠的接地，使用靜電消除器排出靜電等。那么在ADPA1105的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，我們?cè)撊绾尉唧w落實(shí)這些應(yīng)對(duì)措施呢？

三、引腳配置與功能描述

ADPA1105采用32引腳封裝，不同的引腳具有不同的功能。

1. 接地引腳（GND）：引腳1、6、8、9、16、17、19、24、25、32為接地引腳，必須連接到射頻和直流地。
2. 未連接引腳（NC）：引腳2、3、7、12、13、18、22、23、26、27、29、30為未連接引腳，雖然這些引腳內(nèi)部未連接，但在器件特性測(cè)試時(shí)，它們都被外部連接到射頻和直流地。
3. 射頻輸入引腳（RFIN）：引腳4、5為射頻輸入引腳，采用交流耦合方式，并匹配到50 Ω。
4. 柵極控制引腳（VGG1、VGG2）：引腳10為第一級(jí)柵極偏置控制引腳，引腳14為第二級(jí)柵極偏置控制引腳，用于控制各級(jí)的柵極偏置電壓，從而調(diào)節(jié)漏極電流。
5. 檢測(cè)引腳（VDET、VREF）：引腳11為檢測(cè)二極管引腳，用于測(cè)量射頻輸出功率。通過(guò)外部串聯(lián)電阻施加直流偏置電壓，結(jié)合VREF引腳，（$V{REF}$ - $V{DET}$）的電壓差是一個(gè)與射頻輸出功率成比例的溫度補(bǔ)償直流電壓。引腳15為參考二極管引腳，用于對(duì)VDET的射頻輸出功率測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
6. 射頻輸出引腳（RFOUT）：引腳20、21為射頻輸出引腳，同樣采用交流耦合方式，并匹配到50 Ω。
7. 電源引腳（VDD1、VDD2）：引腳28為第二級(jí)漏極偏置電源引腳，引腳31為第一級(jí)漏極偏置電源引腳，為放大器提供電源。

四、典型性能特性

通過(guò)一系列的圖表，我們可以直觀地了解ADPA1105在不同條件下的性能表現(xiàn)。

（一）增益與頻率特性

小信號(hào)增益和回波損耗隨頻率的變化曲線展示了其在不同頻率下的增益穩(wěn)定性和輸入輸出匹配情況。在不同溫度和電源電壓條件下，小信號(hào)增益也會(huì)有所變化。例如，隨著溫度的升高，小信號(hào)增益可能會(huì)有所下降。

（二）輸出功率與頻率特性

輸出功率在不同輸入功率水平和溫度條件下隨頻率的變化曲線，反映了其在不同工況下的功率輸出能力。當(dāng)輸入功率增加時(shí)，輸出功率也會(huì)相應(yīng)增加，但在不同頻率下的增加幅度可能不同。

（三）功率附加效率（PAE）與頻率特性

PAE隨頻率的變化曲線顯示了其在不同頻率下的效率表現(xiàn)。在不同輸入功率水平、溫度和電源電壓條件下，PAE也會(huì)發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，在合適的工作條件下，ADPA1105能夠保持較高的PAE，從而提高能源利用效率。

五、工作原理

ADPA1105由兩級(jí)級(jí)聯(lián)增益級(jí)組成，其射頻輸入（RFIN）和射頻輸出（RFOUT）端口為單端且直流阻斷，端口阻抗在0.9 GHz至1.6 GHz工作頻率范圍內(nèi)標(biāo)稱值為50 Ω，可直接插入50 Ω系統(tǒng)，無(wú)需外部阻抗匹配組件或交流耦合電容。 通過(guò)向$V{DD1}$和$V{DD2}$引腳施加脈沖偏置電壓，分別對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)增益級(jí)的漏極進(jìn)行偏置；向$V{GG1}$和$V{GG2}$引腳施加負(fù)直流電壓，分別對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)增益級(jí)的柵極進(jìn)行偏置，以控制各級(jí)的漏極電流。在推薦的直流偏置條件下，當(dāng)輸入功率為19 dBm時(shí)，在1.5 GHz頻率下可實(shí)現(xiàn)典型的46 dBm脈沖射頻輸出功率和60%的PAE。 此外，通過(guò)定向耦合將部分射頻輸出信號(hào)傳輸至二極管，用于檢測(cè)射頻輸出功率。對(duì)二極管施加直流偏置后，二極管對(duì)射頻功率進(jìn)行整流，將其轉(zhuǎn)換為直流電壓在VDET引腳輸出。通過(guò)VREF引腳的對(duì)稱二極管電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，（$V{REF}$ - $V{DET}$）的差值即為與射頻輸出成比例的溫度補(bǔ)償信號(hào)。

六、應(yīng)用信息

（一）基本連接

在操作ADPA1105時(shí)，需要注意基本的連接方式。將20 V至50 V的電源電壓施加到$V{DD1}$和$V{DD2}$引腳，并使用指定電容值進(jìn)行去耦。在連接到引腳28和引腳31的兩個(gè)1000 pF電源去耦電容上串聯(lián)3.9 Ω電阻。將$V{GG1}$和$V{GG2}$引腳連接在一起，并按照指定方式驅(qū)動(dòng)。雖然NC引腳內(nèi)部未連接，但在器件特性測(cè)試時(shí)將它們連接到地可提供一定的散熱效果。 外部偏置通過(guò)兩個(gè)上拉至5 V的715 Ω電阻提供給片上射頻檢測(cè)電路，會(huì)產(chǎn)生約12 mA的電流消耗。可以使用配置為差分放大器的運(yùn)算放大器來(lái)計(jì)算（$V{REF}$ - $V{DET}$）的差值，以獲得與射頻輸出功率成比例的溫度補(bǔ)償電壓。

（二）脈沖模式操作

由于ADPA1105不能支持連續(xù)工作，因此必須在脈沖模式下運(yùn)行?？梢酝ㄟ^(guò)脈沖柵極電壓或漏極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖模式操作。

1. 柵極脈沖模式：將$V_{DD}$保持在固定電平（標(biāo)稱值為 +50 V），將柵極電壓在?4 V（關(guān)）和大約?2.3 V（開）之間脈沖。可以通過(guò)調(diào)整精確的開啟電平來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的靜態(tài)漏極電流。
2. 漏極脈沖模式：對(duì)$V_{DD}$電壓進(jìn)行脈沖開關(guān)操作，同時(shí)將柵極電壓保持在0 V至?4 V之間的固定負(fù)電平。在這種模式下，由于需要開關(guān)高電流和高電壓，電路中需要使用金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和MOSFET開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，并且需要大電容作為局部電荷存儲(chǔ)，以在脈沖開啟期間提供穩(wěn)定的漏極電流。

（三）熱管理

適當(dāng)?shù)臒峁芾韺?duì)于實(shí)現(xiàn)ADPA1105的指定性能和額定工作壽命至關(guān)重要。脈沖偏置是限制平均功率耗散和保持安全通道溫度的必要手段。通道溫度與器件的平均故障間隔時(shí)間密切相關(guān)。 在連續(xù)偏置情況下，器件的通道溫度會(huì)上升并最終穩(wěn)定在一個(gè)穩(wěn)態(tài)值。而在低占空比脈沖偏置情況下，通道溫度表現(xiàn)為一系列指數(shù)上升和下降的脈沖，最終也會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。通過(guò)對(duì)不同脈沖寬度和占空比下的瞬態(tài)熱測(cè)量，我們得到了相應(yīng)的熱阻數(shù)值。較窄的脈沖寬度和/或較低的占空比可以提高器件的可靠性。需要注意的是，即使在短暫的連續(xù)偏置情況下，熱阻也會(huì)顯著增加，可能導(dǎo)致通道溫度急劇上升，因此必須格外小心，確保器件不超過(guò)最大可靠通道溫度200°C。

七、外形尺寸與訂購(gòu)指南

ADPA1105采用32引腳的LFCSP_CAV封裝，尺寸為5 mm × 5 mm，封裝高度為1.25 mm。在訂購(gòu)時(shí)，有不同的型號(hào)可供選擇，如ADPA1105ACGZN和ADPA1105ACGZN - R7，它們均為RoHS合規(guī)部件，引腳鍍層為鎳鈀金（NiPdAu）。此外，還有ADPA1105 - EVALZ評(píng)估板可供選擇，方便用戶進(jìn)行測(cè)試和開發(fā)。

綜上所述，ADPA1105是一款性能優(yōu)異的GaN功率放大器，在雷達(dá)等脈沖應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要充分了解其各項(xiàng)參數(shù)和特性，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和熱管理，以確保其性能的穩(wěn)定發(fā)揮。希望本文能對(duì)電子工程師們?cè)谑褂肁DPA1105時(shí)有所幫助。你在使用類似功率放大器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。