Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
SterControl
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?

ghost666 28 Kwi 2018 22:20 1980 0
  • Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Pytanie: Czy sygnał RF można wyłączyć w czasie 200 nanosekund?

    Odpowiedź: W aplikacjach takich jak radary impulsowe szybkie włączanie i wyłączanie wyjściowego wzmacniacza mocy (HPA) jest kluczowe podczas przechodzenia systemu z trybu nadawania do odbierania sygnałów. W typowych urządzeniach tego rodzaju celuje się w czas przejścia poniżej jednej mikrosekundy. Historycznie, tego rodzaju kontrolę implementuje się poprzez kontrolę drenu. Tego rodzaju architektura wymaga przełączania dużych prądów przy napięciu w zakresie od 28 V do 50 V. Tego rodzaju rozwiązania są dostępne komercyjnie i w pełni znane, jednakże układy realizujące taką topologię są duże i dosyć złożone. W dzisiejszych wieloantenowych systemach dąży się do minimalizacji wszystkich elementów toru nadawczo-odbiorczego, więc poszukuje się rozwiązań, które są mniejsze i prostsze niż przełączanie drenu we wzmacniaczu mocy.

    W poniższym artykule przedstawiono unikatowy i jednocześnie bardzo prosty układ pozwalający w alternatywny sposób szybko włączać i wyłączać HPA w układzie. Eliminuje on wszelkie dodatkowe elementy potrzebne do przełączania drenu wzmacniacza. Zmierzone czasy przełączania są mniejsze niż 200 ns, co daje dobry zapas względem wymaganej jednej mikrosekundy. Dodatkowo, zastosowana technika, pozwala na programową kontrolę prądu polaryzacji, co znacznie upraszcza projektowanie precyzyjnego wzmacniacza wyjściowego, który uwzględnia rozrzut produkcyjny układów HPA. W systemie dodatkowo zintegrowano zabezpieczenie wejścia bramki przed zbyt wysokim napięciem oraz kompensator jej przesterowania, mający umożliwić optymalizację czasu narastania impulsu w układzie.

    Typowa konfiguracja drenu do pracy impulsowej

    W typowej konfiguracji załączania i wyłączania HPA wykorzystuje się układ pokazany na rysunku 1. Szeregowy tranzystor FET załącza napięcie zasilania dla HPA. Konieczne jest implementowanie modułu, który odpowiedzialny będzie za konwersję sygnałów sterujących o poziomach logicznych do wysokonapięciowych sygnałów sterujących bramką tranzystora polowego.

    W układzie tym napotkać możemy co najmniej kilka problemów:
    * Przełączanie dużego prądu w zasilaniu wymaga toru o bardzo małej impedancji, pomiędzy drenem wzmacniacza a pojemnością w systemie zasilania.
    * Podczas wyłączania pojemność drenu sprawia, że pozostaje tam zgromadzony pewien ładunek, który koniecznie musi być rozładowany. Realizowane jest to z pomocą drugiego tranzystora polowego - Q2. Jego zastosowanie dodatkowo komplikuje układ, jako że system kontrolujący musi zadbać o to, by Q1 i Q2 nigdy nie były załączone w tym samym momencie.




    * W wielu przypadkach szeregowy tranzystor polowy w układzie to element z kanałem typu N. Sprawia to, że do otwarcia go potrzeba na jego bramce napięcia wyższego od napięcia zasilania wzmacniacza mocy.

    Oczywiście, mimo tych wad, tego rodzaju architektura jest już gruntownie przetestowana i sprawdzona. Jednakże postępująca miniaturyzacja układów sprawia, że poszukuje się alternatywnych, prostszych rozwiązań. Tego rodzaju rozwiązania skupiają się w dużej mierze na próbie eliminacji konieczności sterowania drenem.

    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.1. Tradycyjna konfiguracja do impulsowego sterowania pracą wzmacniacza mocy HPA w systemie RF.


    Alternatywne rozwiązania sterowania

    Celem układu sterowania bramką jest konwersja sygnału o poziomach logicznych na odpowiednie sygnały sterujące bramką HPA wykonanego z azotku galu (GaN). Potrzebne jest ujemne napięcie, by ustawić prąd polaryzacji i kolejne, także ujemne napięcie, by wyłączyć układ. Zatem układ sterujący powinien na wejściu przyjmować napięcie dodatnie, a na wyjściu dawać napięcie ujemne o zmiennym poziomie – zmiana poziomu logicznego na wejściu powinna przełączać pomiędzy dwoma dyskretnymi napięciami ujemnymi. Dodatkowo układ ten musi posiadać dostatecznie niską impedancję, by poradzić sobie z pojemnością bramki z krótkim czasem narastania i z minimalnym przesterowaniem wyjścia.

    Problemem, jeśli chodzi o ustawienie polaryzacji bramki, jest fakt, że nawet niewielka zmiana napięcia polaryzacji bramki może wywołać dużą zmianę wartości prądu płynącego przez wzmacniacz. To dodatkowo utrudnia konstrukcję takiego układu, jako że napięcie polaryzujące bramkę musi być bardzo stabilne i posiadać sztywne ograniczenia, by nie uszkodzić HPA. Osobną kwestią jest wariacja optymalnego napięcia polaryzacji bramki wynikająca z rozrzutu produkcyjnego wzmacniaczy. Jest to głównym powodem, dla którego warto w układzie stosować elementy umożliwiające programowalną zmianę napięcia polaryzacji bramki HPA.

    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.2. Schemat proponowanego rozwiązania do sterowania bramką HPA.


    Układ pokazany na rysunku 2 spełnia wszystkie powyższe wymagania. Wzmacniacz operacyjny (op-amp) U1 skonfigurowany jest do pracy jako wzmacniacz odwracający, zasilany napięciem asymetrycznym. Na wejście nieodwracające podane jest napięcie z precyzyjnego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC), które ustala napięcie polaryzacji bramki HPA. Wejście odwracające podłączone jest do wyjścia sterującego impulsami RF.

    Gdy na wejściu sterującym pojawi się stan wysoki, to na wyjściu wzmacniacza pojawia się ujemne napięcie zasilania. W momencie, gdy jest tam stan niski, to op-amp na swoje wyjście podaje niewielkie ujemne napięcie, zależne od konfiguracji oporników w systemie i kodu podanego na wejście przetwornika DAC.

    Jako op-amp trzeba wykorzystać szybki układ (o dużej prędkości narastania napięcia na wyjściu). Warto, aby wzmacniacz ten był typu rail-to-rail. Oczywiście nie można też zapominać o prądzie wyjściowym, który musi być dostatecznie duży, by wysterować bramkę wzmacniacza.

    Jeśli chodzi o dobór elementów, to warto skorzystać z poniższych wytycznych:
    * R1 i R2 konfigurują wzmocnienie op-ampa.
    * R3 oraz R4, wraz z ustawieniami przetwornika DAC decydują o napięciu na wejściu nieodwracającym wzmacniacza.
    * C1 i R3 formują filtr dolnoprzepustowy, którego celem jest usuwanie szumu.
    * R5 i R6 formują dzielnik napięcia -5 V, co pełni niezwykle istotną role zabezpieczającą wzmacniacz mocy.
    * Niepożądanym efektem jest spowalnianie przez R5 odpowiedzi impulsowej układu z uwagi na pojemność bramki. Problem ten kompensowany jest z pomocą kondensatora C3.
    * C2 dobierany jest tak, aby ograniczać wszystkie przesterowania układu na zboczu narastającym impulsu sterującego bramką.

    Zmierzone wyniki działania układu

    Wykorzystano układ testowy – pokazany na rysunku 3 – do sprawdzenia jak działa tego rodzaju układ. Wykorzystano w tym celu płytkę ewaluacyjną z precyzyjnym wzmacniaczem operacyjnym, precyzyjny przetwornik DAC i wzmacniacz mocy RF. Układ z jednej strony podłączono do generatora, a z drugiej do oscyloskopu. Impulsy sterujące generowane były z laboratoryjnego generatora impulsów.

    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.3. Zestaw testowy.


    W poniższej tabeli zapisano wartości poszczególnych elementów w systemie:

    ElementWartość lub numer części
    U1LT1803
    R11
    R22.7
    R31
    R45
    R52.2
    R63
    C10.47 µF
    C210 pF
    C3180 pF
    DACLTC2666
    HPAHMC1114


    Na rysunku 4 pokazano pomiar czasu załączania sygnału RF z wykorzystaniem opisywanego systemu. Podziałka czasu na oscylogramie wynosi 500 ns. Czas narastania sygnału wyznaczono na poniżej 200 ns; w systemach, gdzie czas ten mierzony jest od rozpoczęcia impulsu bramkującego do końca narastania sygnału RF, wyniesie on trochę więcej, około 300 ns. Niezależnie od tego, jest on istotnie poniżej jednej mikrosekundy, o jakich mówi się w wymaganiach.


    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.4.Zmierzone wyniki czasu narastania sygnału RF na HPA.

    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.5.Zmierzone wyniki czasu wyłączania sygnału RF na HPA.


    Czas wyłączania sygnału na wzmacniaczu pokazano na rysunku 5. Tutaj także skala wynosi 500 ns i czas opadania sygnału zamyka się w około 200 ns, będąc istotnie poniżej wymaganej jednej mikrosekundy.

    Projekt płytki drukowanej

    Jak wskazywano powyżej, wykorzystanie tego rodzaju, prostszej metody kontroli bramki HPA w celu pracy impulsowej, powinno zaowocować mniejszym układem na PCB. Na rysunku 6 zaprezentowano przykładowy projekt płytki drukowanej, dla opisywanego powyżej układu.

    Wzmacniacz operacyjny został umieszczony nieopodal toru RF, prowadzącego do wzmacniacza mocy. Precyzyjny DAC, połączony z układem, znajduje się poza pokazanym fragmentem – najpewniej w sekcji kontrolnej, gdyż wielokanałowy przetwornik tego rodzaju z pewnością steruje poziomem napięcia polaryzacji kilku wzmacniaczy.

    Jak widać na przedstawionym rysunku, miejsce potrzebne na płytce drukowanej, by dodać tego rodzaju funkcjonalność, jest naprawdę niewielkie.

    Rzadko zadawane pytania: jak szybko wyłącza sygnał RF?
    Rys.6. Rysunek ścieżek płytki wraz z wymiarami poszczególnych bloków elementów.


    Podsumowanie

    Przedstawiony powyżej unikatowy układ pozwala na szybkie sterowanie załączaniem i wyłączaniem sygnału RF na wzmacniaczu mocy. Czas załączania i wyłączania sygnału radiowego jest istotnie krótszy niż wymagany czas. Podstawowe cechy układu:

    * Czas przełączania poniżej 200 ns
    * Kompatybilność z dowolnymi układami logicznymi.
    * Programowalne napięcie polaryzacji, pozwalające uwzględnić rozrzut produkcyjny elementów.
    * Zabezpieczenie konfigurujące na sztywno maksymalne napięcie polaryzacji układu.
    * Kompensacja czasu narastania i przesterowania sygnału.
    * Możliwość stosowania w gęstych układach wielokanałowych.
    * Miniaturyzacja i uproszczenie sterowania HPA.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-148.html


    Fajne! Ranking DIY
  • SterControl