探索HMC980LP4E：高電流有源偏置控制器的卓越性能與應用

在電子工程領域，一款性能卓越的偏置控制器對于放大器的穩(wěn)定運行至關重要。今天，我們就來深入了解一下HMC980LP4E這款高電流有源偏置控制器，看看它究竟有哪些獨特之處。

文件下載：EVAL01-HMC980LP4E.pdf

一、產品概述

HMC980LP4E是一款能夠自動調整外部放大器柵極電壓以實現(xiàn)恒定漏極電流的有源偏置控制器。它采用集成控制器，可確保外部放大器安全地上電、斷電、禁用和啟用，為放大器的安全供電提供了有力保障。該控制器適用于偏置任何增強或耗盡型A類放大器，其漏極電壓范圍為5V至16.5V，漏極電流最高可達1.6A，提供了完整的偏置解決方案。

二、產品特性

（一）自動柵極電壓調整

HMC980LP4E具備自動柵極電壓調整功能，無需校準。它能在5V至16.5V的電源電壓范圍內工作，可偏置增強或耗盡模式設備，可調漏極電流高達1.6A，還能吸收或提供柵極電流。此外，它還具有可選的內部負電壓生成功能，能夠實現(xiàn)快速啟用/禁用，并提供TRIGOUT輸出用于菊花鏈連接。

（二）電源管理

該控制器支持上電和斷電排序，確保放大器的安全啟動和關閉。同時，它還具備過流/欠流報警功能，并帶有滯后特性，能及時提醒用戶放大器的電流異常情況。

（三）封裝優(yōu)勢

HMC980LP4E采用24引腳、4mm×4mm的LFCSP封裝，尺寸僅為16mm2，具有良好的散熱性能，且符合RoHS標準。

三、應用領域

HMC980LP4E的應用范圍十分廣泛，涵蓋了微波無線電、甚小孔徑終端（VSATs）、軍事和航天、測試儀器、光纖調制器驅動器偏置、有線電視激光驅動器偏置、蜂窩基站以及無線基礎設施設備等多個領域。

四、工作原理

（一）整體目標

為了實現(xiàn)放大器的穩(wěn)定性能，需要保持穩(wěn)定的漏極電流。HMC980LP4E通過內部反饋回路和精密外部電阻，自動調整柵極電壓，使相關放大器的漏極電流在溫度和工藝變化時保持恒定。

（二）關鍵控制環(huán)節(jié)

1. VGATE輸出控制回路：HMC980LP4E通過VGATE輸出調節(jié)偏置放大器的漏極電流。它會對通過放大器的漏極電流進行采樣，并自動調整VGATE引腳的電壓，以實現(xiàn)外部放大器的恒定漏極電流。這個控制回路能夠持續(xù)調整VGATE引腳電壓，以應對電源、溫度、工藝變化以及因老化導致的閾值漂移，從而確保漏極電流的一致性。
2. 負電壓發(fā)生器：HMC980LP4E集成了負電壓發(fā)生器，用于為耗盡模式放大器提供所需的負電壓。如果已有外部負電源或目標為增強模式設備，則可禁用負電壓發(fā)生器。
3. 二次柵極控制：該控制器還能生成第二個固定柵極電壓VG2，可通過連接到VDD的電阻分壓器進行調整，適用于需要第二個柵極電壓的放大器。
4. 外部放大器電源排序：為確保外部放大器的安全，HMC980LP4E提供自動上電排序功能。啟動時，先將VGATE降至VNEG，使外部放大器完全夾斷，再施加VDRAIN。當EN信號為高時，施加VDRAIN并啟用有源偏置回路。斷電和禁用時，按相反順序操作。
5. 過流/欠流報警：HMC980LP4E內置過流和欠流報警功能。當出現(xiàn)故障時，ALM引腳會輸出高電平，提示問題發(fā)生。該報警信號僅用于監(jiān)控，不影響控制器的正常運行。
6. 自我保護：控制器具備內置感應功能，可保護自身免受VDRAIN和VNEG引腳短路的影響。檢測到短路時，會禁用VDRAIN和VGATE輸出電壓，直到進行完整的電源循環(huán)或啟用/禁用循環(huán)。

五、電氣規(guī)格

六、引腳配置與功能描述

HMC980LP4E共有24個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

1. VDD（引腳1、2）：電源電壓引腳，施加的電壓需高于VDRAIN輸出的預期電壓，以考慮內部MOSFET的串聯(lián)電阻壓降。上電時需先給VDIG（引腳9）供電，再給VDD供電，并使用4.7μF和10nF的并聯(lián)電容進行去耦。
2. S0、S1（引腳3、4）：控制引腳，用于設置VDD到VDRAIN MOSFET的 (R_{DS_ON}) ，有內部上拉電阻連接到VDIG。
3. EN（引腳5）：啟用引腳，當EN引腳電壓高于1.4V時，偏置控制回路啟用；低于1V時，回路禁用。
4. ALM（引腳6）：過流/欠流報警輸出引腳，當漏極電流超過上限或低于下限閾值時，提供參考VDIG的高電平信號。
5. CP_VDD（引腳7）：負電壓發(fā)生器的電源電壓引腳，連接到VDD并使用100pF電容去耦。
6. CP_OUT（引腳8）：負電壓發(fā)生器電荷泵輸出引腳，需要1μF飛跨電容、10μF儲能電容和兩個二極管才能正常工作。
7. VDIG（引腳9）：HMC980LP4E數(shù)字部分的電源電壓引腳，連接3.3V至5V的電源，上電順序為先VDIG，再VDD或VNEG，并使用4.7μF和10nF的并聯(lián)電容去耦。
8. VREF（引腳10）：內部低壓差（LDO）穩(wěn)壓器的1.44V參考電壓輸出引腳，用于改變VNEG和VGATE引腳的電壓。
9. VNEGFB（引腳11）：負電壓發(fā)生器輸出的反饋引腳，懸空時激活負電壓發(fā)生器，接地時禁用，也可通過外部電阻調整VNEG。
10. VGATEFB（引腳12）：用于調節(jié)VGATE閾值的反饋引腳，偏置耗盡模式放大器時懸空，偏置增強模式放大器時接地，也可用于調整VGATE閾值電壓。
11. VG2_CONT（引腳13）：控制電壓輸入引腳，用于設置第二個柵極輸出引腳VG2的電平，通過VDD和地之間的電阻分壓器設置電壓。
12. VG2（引腳14）：第二個柵極控制輸出引腳，用于驅動需要多個柵極電壓的放大器的二次柵極電壓，電壓固定，不由偏置回路控制器控制，范圍為1V至VDD - 1.3V。
13. VNEG（引腳15）：芯片的負電源電壓輸入引腳，啟用負電壓發(fā)生器時由CP_OUT引腳供電，禁用時連接外部電壓，上電順序為先VDIG，再VDD，最后VNEG，并使用10μF電容去耦。
14. VGATE（引腳16）：受控放大器的柵極電壓輸出控制引腳，連接到外部放大器的柵極或基極，為保證穩(wěn)定性，需在外部放大器的柵極或基極端與地之間盡可能靠近放大器處連接2.2μF電容。
15. VDRAIN（引腳17、18）：漏極電壓輸出引腳，連接到受控放大器的電源端子，使用至少10nF電容接地去耦，盡可能靠近外部放大器的VDRAIN或VDD引腳。
16. TRIGOUT（引腳19）：觸發(fā)輸出信號引腳，當有源偏置回路穩(wěn)定在目標漏極電流時，生成參考VDIG的高電平信號，可用于觸發(fā)下一個HMC980LP4E設備開啟。
17. ISENSE（引腳20）：放大器漏極電流設置引腳，通過連接電阻 (R_{SENSE}) 到地來調整受控放大器的漏極電流，建議使用高精度電阻以確保最佳偏置精度。
18. ALML（引腳21）：低電流報警設置引腳，連接到ISET的精密電阻確定ALM輸出變高的欠流限制，若不使用報警功能，需將ALML短路到ISET。
19. ISET（引腳22）：偏置電流設置引腳，ISET引腳到地的總外部電阻必須始終在5kΩ的1%以內，使用ALM功能時，需額外連接電阻從ALML到地，使ISET到地的總電阻為5kΩ；不使用時，將ALML和ALMH連接到ISET，并連接5kΩ電阻到地。
20. ALMH（引腳23）：高電流報警設置引腳，連接到ISET的精密電阻確定ALM輸出變高的過流限制，若不使用報警功能，需將ALMH短路到ISET。
21. FIXBIAS EPAD（引腳24）：偏置調整引腳，連接10kΩ精密電阻到地以確保最佳偏置精度；暴露焊盤連接到具有低熱阻和電阻抗的接地平面。

七、應用信息

（一）控制耗盡模式RF放大器

可使用內部VNEG或外部負電壓來偏置耗盡模式放大器。需要注意的是，HMC980LP4E需要至少兩個獨立的電源軌：VDIG（3.3V至5V）為內部邏輯電路供電，電流約為3.5mA；VDD（5V至16.5V）為RF放大器和部分內部電路供電，電流最高可達1.6A。

（二）電源排序

為確保HMC980LP4E控制電路安全且按正確順序上電，需先給VDIG供電，再給VDD供電，若使用外部負電壓，最后給VNEG供電。所有電源電壓就緒后，可通過使能EN引腳來開始偏置RF放大器。

（三）漏極電壓輸出

VDD通過內部MOSFET開關連接到VDRAIN輸出，通過上電排序控制，確保在柵極電壓下拉且外部放大器夾斷后再向RF放大器的漏極施加電壓。

（四）設置目標漏極電流

使用連接在ISENSE引腳到地的精密電阻 (R{SENSE}) 來設置RF放大器的目標漏極電流，計算公式為 (R{SENSE }(Omega)=frac{150}{I_{D R A I N}}) 。

（五）MOSFET串聯(lián)電阻

由于內部MOSFET的有限 (R{DS ON}) ，VDD和VDRAIN之間存在小的電壓降，VDD需設置為 (VDD (V)=V{D R A I N}+I{D R A I N} × R{D S{-} O N}) ，其中 (R{DS ON}) 可通過S0和S1引腳的邏輯電平設置。

（六）啟用輸入

EN引腳拉高到VDIG時，有源偏置控制回路啟用；拉低到地時，回路禁用。EN引腳懸空時，通過內部上拉電阻使HMC980LP4E啟用。負電壓發(fā)生器的操作與啟用條件無關，EN信號僅控制VGATE、VG2和VDRAIN輸出。

（七）VG2電壓調整

HMC980LP4E為需要第二個柵極偏置連接的放大器生成第二個固定柵極電壓VG2，可通過連接到VG2_CONT的電阻分壓器進行調整，范圍為1V至VDD - 1.3V。

（八）自我保護

HMC980LP4E在VDRAIN或VNEG引腳短路時，會禁用VDRAIN和VGATE輸出電壓以保護自身，直到進行完整的電源循環(huán)或啟用/禁用循環(huán)。控制耗盡模式放大器時，會持續(xù)監(jiān)控VNEG是否短路到地，若VNEG高于預設值，會將VDRAIN和VG2輸出拉到地，VGATE拉到VNEG，直到故障條件糾正。

（九）過流/欠流報警

HMC980LP4E的ALM引腳在放大器漏極電流超過最小或最大設定值時拉高到VDIG，用于監(jiān)控目的，不影響控制器的操作。過流和欠流限制通過三個電阻設置，總外部電阻從ISET引腳到地必須在5kΩ的1%以內。

（十）負電壓發(fā)生器

HMC980LP4E的內部電荷泵可生成偏置耗盡模式設備所需的負電壓軌VNEG，默認在CP_OUT引腳生成 -2.46V。該電荷泵需要外部連接兩個二極管和兩個電容，且設計為隔離VGATE與CP_OUT引腳，有效隔離電荷泵噪聲對RF放大器柵極的影響。

（十一）禁用內部負電壓發(fā)生器

若偏置增強模式放大器或系統(tǒng)中已有所需的負電源，可通過將VNEGFB引腳接地來禁用內部電荷泵，使用外部負電壓時，需將其連接到VNEG引腳，外部電壓需在 -2.3V至 -3.5V之間。

（十二）改變默認VNEG電壓

可通過外部電阻調整VNEG，使其高于或低于默認值 -2.46V。設置VNEG低于默認值時，在VNEGFB和VREF之間連接電阻；設置高于默認值時，在VNEGFB和VNEG之間連接電阻。同時，VNEG必須比VGATE閾值電壓低至少0.3V至0.4V，以確?？煽繂?。

（十三）改變VGATE閾值電壓

默認VGATE閾值電壓約為 -2.06V，可通過外部電阻調整。設置閾值低于默認值時，在VGATEFB和VREF之間連接電阻；設置高于默認值時，在VGATEFB和VGATE之間連接電阻。

八、設計示例

（一）使用內部負電壓發(fā)生器控制耗盡模式RF放大器

假設放大器需要10V的VDD，電流為450mA，且只有一個VGGx引腳，VGGx引腳不能承受低于 -2V的電壓。設計步驟如下：

1. 選擇 (R_{SENSE}) 為332Ω，將HMC980LP4E目標漏極電流設置為450mA。
2. 根據(jù)預期電流，設置 (SO = VDIG) （或因內部上拉電阻懸空），S1 = 地，此時 (R_{DS_ON }=1.55 Omega) 。
3. 計算VDD電壓為10.7V。
4. 調整VNEGFB引腳，將VNEG設置為 -2V，所需電阻約為1620kΩ。
5. 調整VGATE閾值，使其與VNEG保持0.3V至0.4V的緩沖，所需電阻約為866kΩ。

（二）使用外部負電壓控制耗盡模式RF放大器

假設放大器需要12V的VDD，電流為200mA，有兩個VGGx引腳，其中一個需要6V的正電壓。設計步驟如下：

1. 選擇 (R_{SENSE}) 為75Ω，將HMC980LP4E目標漏極電流設置為200mA。
2. 設置S0和S1為地，此時 (R_{DS_ON }=2.8 Omega) 。
3. 計算VDD