【導讀】“龜兔賽跑”這個故事給我們的啟發(fā)是“有時保持穩(wěn)定和進行周全地策劃是有意義的”。消費者對無線數(shù)據(jù)的高帶寬和高速度需求日益迫切，這給半導體制造商帶來了巨大的挑戰(zhàn)，他們需要設計出滿足上述要求的系統(tǒng)——這與兔子專注于最快達到終點很像。然而，烏龜告訴我們，確保系統(tǒng)堅實可靠從而穩(wěn)定地實現(xiàn)目標也同樣重要。
由于無線電單元和有源天線等通信設備主要位于室外，因此，確保無論在何種環(huán)境因素下內(nèi)部元件都能可靠運行至關重要。與龜兔賽跑這則伊索寓言相似，系統(tǒng)必須具有高性能（如兔子），同時又要堅固耐用（如烏龜?shù)臍ぃ拍鼙Ｗo內(nèi)部電路免受外部故障條件的影響。確保實現(xiàn)保護功能的一種方法是使用模擬多路復用器來保護內(nèi)部功率放大器 (PA) 級。
為什么是PA級？
放大器集成電路 (IC) 使用來自電源的電力來增加輸入信號的功率。通過使用放大器，您可以將微弱的輸入信號轉(zhuǎn)換成強大的輸出信號。例如，PA用于驅(qū)動輸出設備的負載，例如耳機、揚聲器、伺服器和射頻發(fā)射器。
就射頻發(fā)射器而言，射頻PA在大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO) 天線系統(tǒng)中放大低電平射頻信號。傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO包含八個發(fā)射器和八個接收器 (8T8R) 射頻通道，用于放大天線信號。相比之下，現(xiàn)代5G系統(tǒng)將擁有最高64T64R通道，可提高下載/上傳數(shù)據(jù)速率和吞吐量。在一個遠程無線電單元中擁有如此多通道需要保護每個通道免受外部故障條件的影響。為保護系統(tǒng)免受這些故障條件的影響，一種簡單且經(jīng)濟高效的方法是在每個通道使用一個2:1模擬開關，如圖1所示。
從圖1可以看出，根據(jù)無線電單元中的發(fā)射通道和接收通道數(shù)量，這里有多個PA級。要使這些PA正常工作，需要向每個FET的柵極施加偏置電壓 (V-BIAS)。
遺憾的是，V-BIAS容易受到外部故障條件的影響，例如超過標稱安全值的過流、過壓或過熱事件。在這種情況下，現(xiàn)場可編程門陣列或微控制器可檢測故障條件并立即向多路復用器發(fā)送選擇邏輯信號，從而斷開V-BIAS信號路徑。如果沒有V-BIAS信號，PA級將關閉，從而保護通道免受故障條件的影響。最終，2:1模擬開關會在發(fā)生故障時關閉PA級，同時為低電平射頻信號 (RF-IN) 提供安全的接地路徑。此外，由于每個發(fā)射路徑有2-4個增益級（具體取決于射頻應用，如圖2所示），需要柵極側(cè)保護的功率放大器的數(shù)量會顯著增加。
保護LDMOS功率放大器
模擬開關（例如TMUX1247等具有1.8V邏輯控制的單通道2:1通用模擬多路復用器）可以在最高125°C的溫度下安全地執(zhí)行此功能。此外，由于它們支持1.8V邏輯，因此可由1.8V現(xiàn)場可編程門陣列或微控制器 (MCU) 直接控制，而無需電平轉(zhuǎn)換器。請閱讀應用手冊《使用1.8V邏輯多路復用器和開關簡化設計》，詳細了解這些器件的1.8V邏輯。
保護GaN功率放大器
對于GaN射頻功率放大器，需要柵極電壓來夾斷器件，以便在施加漏極電壓時沒有電流沖過器件。在柵極偏置之前施加任何漏極電壓都會損壞器件。由于GaN PA本質(zhì)上是耗盡型器件，因此所需的柵極偏置為負。TMUX4157N 2:1單通道開關支持-4V至-12V的負電壓，可在施加負電壓時保護您的功率放大器免受故障事件的影響，具有成本效益。此外，TMUX4157N的快速轉(zhuǎn)換時間和通過開關的高連續(xù)電流使其非常適合大規(guī)模 MIMO、無線電通信或雷達應用，這些應用的系統(tǒng)需要在兩個不同的電壓輸入之間快速切換。
增加設計靈活性
為最終級解決方案選擇LDMOS和GaN功率放大器或模塊可能具有挑戰(zhàn)性，因為要在漏極效率、線性度、視頻帶寬等方面進行權衡。TMUX6219（2:1 SPDT單通道開關）可實現(xiàn)更短的設計周期。因為它支持GaN和LDMOS柵極所需的夾斷電壓，從而簡化了BOM，并為選擇LDMOS或GaN功率放大器增加了更多時間。TMUX6219可以使用單電源（4.5V至36V）、雙電源（±4.5V至±18V）或非對稱電源（例如VDD=8V和VSS=-12V）供電。
有許多解決方案可以保護您的射頻功率放大器，同時實現(xiàn)更靈活的BOM和開發(fā)周期。保護射頻通道至關重要，因為其中一個通道發(fā)生故障會嚴重損壞整個射頻系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)每單元中有多達64個通道或約1000條傳輸線。因此，保護等級對于可靠的高帶寬、高速系統(tǒng)的設計至關重要。因此，如果在考慮可靠性和保護性能時像烏龜一樣保持沉著踏實的心態(tài)，您將能夠滿足下一代網(wǎng)絡的需求。
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