ADPA1120：8GHz - 12GHz GaN功率放大器的深度解析

在雷达系统、通信设备等领域，功率放大器的性能往往对整个系统起着关键作用。今天要给大家详细介绍的是Analog Devices公司推出的ADPA1120功率放大器，它在8GHz至12GHz频段表现出色，下面我们就来深入了解一下。

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一、产品概述

ADPA1120是一款工作在8GHz - 12GHz频段的氮化镓（GaN）功率放大器，饱和输出功率（$P{out}$）可达36.5dBm （4.5W），在9.5GHz至11.5GHz频段，输入功率（$P{IN}$ ）为1dBm时，功率附加效率（PAE）典型值为47%，功率增益典型值为35.5dB。其RF输入和输出端口内部匹配且交流耦合，采用32引脚、5mm × 5mm的LFCSP封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C。

二、产品特性

2.1 内部匹配与集成设计

ADPA1120内部匹配，交流耦合，简化了外围电路设计。同时，它集成了温度补偿的RF功率检测器，能更准确地检测输出功率，并且在不同温度环境下都能保证检测的准确性。大家在实际设计中，有没有遇到过因为功率检测不准确而导致的系统不稳定问题呢？

2.2 优异的电气性能

• 增益表现：在9.5GHz - 11.5GHz频段，小信号增益典型值为38.5dB，功率增益典型值为35.5dB，能有效放大输入信号。不同频段下的增益特性有所差异，在8GHz - 9.5GHz频段，小信号增益典型值为39dB；在11.5GHz - 12GHz频段，小信号增益典型值为35.5dB。
• 功率输出：在9.5GHz - 11.5GHz频段，输入功率为1dBm时，输出功率典型值为36.5dBm，且在不同频段都能保证一定的输出功率水平。
• 效率优势：在9.5GHz - 11.5GHz频段，输入功率为1dBm时，PAE典型值为47%，能有效降低功耗。不同频段下的PAE也有所不同，在8GHz - 9.5GHz频段，PAE典型值为50%；在11.5GHz - 12GHz频段，PAE典型值为42%。

2.3 供电与封装

• 供电要求：供电电压为20V，静态电流为50mA，在10%占空比下工作。
• 封装形式：采用32引脚、5mm × 5mm的LFCSP封装，体积小巧，适合高密度集成设计。

三、应用领域

ADPA1120适用于多种雷达系统，如气象雷达、海洋雷达和军事雷达等。在这些应用场景中，需要高功率、高增益和高效率的功率放大器来保证雷达系统的性能。大家在实际项目中，是否使用过类似的功率放大器呢？

四、电气规格

在不同的频率范围内，ADPA1120的电气性能有所不同。具体数据如下表所示：	频率范围	参数	最小值	典型值	最大值	单位	测试条件/备注
8GHz - 9.5GHz	频率范围	8	-	9.5	GHz	-
小信号增益（S21）	-	39	-	dB	-
增益平坦度	-	+1.37	-	dB	-
输入回波损耗（S11）	-	15	-	dB	-
输出回波损耗（S22）	-	20	-	dB	-
输出功率（$P_{out}$）	34.5	36.5	-	dBm	$P_{IN}$ = 1dBm
功率增益	33.5	35.5	-	dB	$P_{IN}$ = 1dBm
功率附加效率（PAE）	-	50	-	%	$P_{IN}$ = 1dBm
静态电流（$I_{DQ}$）	-	50	-	mA	调整$V{GG1}$在 -3V至 -1V之间，使$I{DQ}$ = 50mA，$V_{GG1}$典型值为 -2.0V
9.5GHz - 11.5GHz	频率范围	9.5	-	11.5	GHz	-
小信号增益（S21）	-	38.5	-	dB	-
增益平坦度	-	+1.13	-	dB	-
输入回波损耗（S11）	-	15	-	dB	-
输出回波损耗（S22）	-	11	-	dB	-
输出功率（$P_{out}$）	34.5	36.5	-	dBm	$P_{IN}$ = 1dBm
功率增益	33.5	35.5	-	dB	$P_{IN}$ = 1dBm
功率附加效率（PAE）	-	47	-	%	$P_{IN}$ = 1dBm
静态电流（$I_{DQ}$）	-	50	-	mA	调整$V{GG1}$在 -3V至 -1V之间，使$I{DQ}$ = 50mA，$V_{GG1}$典型值为 -2.0V
11.5GHz - 12GHz	频率范围	11.5	-	12	GHz	-
小信号增益（S21）	-	35.5	-	dB	-
增益平坦度	-	+2.33	-	dB	-
输入回波损耗（S11）	-	11	-	dB	-
输出回波损耗（S22）	-	12	-	dB	-
输出功率（$P_{out}$）	-	34.5	-	dBm	$P_{IN}$ = 1dBm
功率增益	-	33.5	-	dB	$P_{IN}$ = 1dBm
功率附加效率（PAE）	-	42	-	%	$P_{IN}$ = 1dBm
静态电流（$I_{DQ}$）	-	50	-	mA	调整$V{GG1}$在 -3V至 -1V之间，使$I{DQ}$ = 50mA，$V_{GG1}$典型值为 -2.0V

五、引脚配置与功能描述

5.1 引脚配置

ADPA1120共有32个引脚，部分引脚的功能如下表所示：	引脚编号	引脚名称	描述
1 - 3, 7 - 9, 12, 13, 16 - 19, 21, 22, 24 - 28, 32	NIC	未内部连接，测试时这些引脚需外部连接到RF和DC地
4, 6	GND	接地引脚，必须连接到RF和DC地
5	RFIN	RF输入引脚，交流耦合，内部有到地的直流路径，若外部连接直流偏置电平，需外部交流耦合
10	VREF	用于温度补偿的参考二极管，用于VOET RF功率测量
11, 14, 15	VDD1 - 2, VDD3, VDD4	漏极偏置电压引脚，分别为第一、二、三、四级增益级的漏极提供偏置
20	RFOUT	RF输出引脚，交流耦合，匹配到50Ω
23	VDET	检测二极管，用于测量RF功率，通过该引脚检测$P{out}$需外部施加直流偏置电压，$V{REF}$ - $V{DET}$是与RF $P{out}$成比例的温度补偿直流电压
29, 30, 31	VGG4, VGG3, VGG1 - 2, EPAD	栅极偏置电压引脚，分别为第一、二、三、四级增益级的栅极提供偏置；暴露焊盘，必须连接到RF和DC地

5.2 接口原理图

文档中还给出了各个引脚的接口原理图，如GND、RFIN、VGG1 - 2、VGG3、VGG4、RFOUT、VDD1 - 2、VDD3、VDD4、VREF/VDET等引脚的接口原理图，这些原理图对于我们正确设计外围电路非常有帮助。大家在设计时，一定要仔细参考这些原理图，避免出现错误。

六、典型性能特性

文档中给出了大量的典型性能特性曲线，包括小信号增益与频率、不同温度下的小信号增益与频率、不同电源电压下的小信号增益与频率、输入回波损耗与频率、输出回波损耗与频率、输出功率与频率、功率增益与频率、功率附加效率与频率、功率耗散与输入功率、反向隔离与频率等关系曲线。通过这些曲线，我们可以更直观地了解ADPA1120在不同条件下的性能表现。大家在使用这些曲线时，要注意曲线的测试条件，确保与实际应用情况相符。

七、工作原理

7.1 增益级结构

ADPA1120由四级级联增益级组成，通过在VDD1 - 2、VDD3和VDD4引脚施加正偏置电压，为第一、二、三、四级增益级的漏极提供偏置；在VGG1 - 2、VGG3和VGG4引脚施加负直流电压，控制各级的漏极电流。

7.2 RF端口特性

其RF输入和输出端口为单端、交流耦合，在8GHz - 12GHz工作频率范围内，端口阻抗标称值为50Ω，可直接插入50Ω系统，无需外部阻抗匹配元件和交流耦合电容。

7.3 功率检测

通过将部分RF输出信号定向耦合到二极管，检测RF $P{out}$。当二极管通过电阻外部直流偏置时，将RF功率整流为直流电压，在VDET引脚输出。VREF引脚提供未耦合到RF功率的参考直流电压，$V{REF}$ - $V{DET}$提供与RF $P{out}$成比例的温度补偿检测电压。

7.4 低温特性

在 -40°C时，小信号增益显著下降，因为器件偏置接近晶体管夹断电压，低温下夹断电压向正方向偏移，需要更正向的栅极电压来开启晶体管并使电流流动。但在大信号水平下，性能符合预期。

7.5 偏置设置

数据手册中的数据是通过将漏极电流设置为标称值$I{DQ}$（50mA）获得的。确定初始$I{DQ}$后，后续测试和操作中保持栅极电压恒定。与保持标称$I_{DQ}$恒定相比，长期操作中保持栅极电压恒定可提供更一致的RF性能。

八、应用信息

8.1 基本连接

操作ADPA1120的基本连接如图所示。在VDD1 - 2、VDD3和VDD4引脚施加14V - 20V的电源电压，使用指定的电容和电阻值对VGG1 - 2、VGG3、VGG4、VDD1 - 2、VDD3和VDD4引脚进行去耦。通过在VGGx引脚施加 -3V至 -1V的电压设置偏置电平，可支持连续和脉冲操作，脉冲操作可通过脉冲栅极电压或漏极电压实现更好的热管理。

8.2 推荐偏置序列

• 上电：连接所有GND引脚到地；将VGG1 - 2、VGG3和VGG4引脚电压设置为 -4V；将VDD1 - 2、VDD3和VDD4引脚电压设置为20V；将VGG1 - 2、VGG3和VGG4引脚电压从 -3V增加到 -1V，达到标称50mA的$I_{DQ}$；向RFIN引脚施加RF信号。
• 断电：关闭RF信号；将VGG1 - 2、VGG3和VGG4引脚电压降低到 -4V；将VDD1 - 2、VDD3和VDD4引脚电压设置为0V；将VGG1 - 2、VGG3和VGG4引脚电压设置为0V。

8.3 脉冲操作

• 漏极脉冲：在功率放大器的栅极引脚施加负电压，同时将漏极引脚电压在0V和20V之间脉冲。电源需具有快速瞬态响应，以最小化电压降。
• 栅极脉冲：在功率放大器的栅极引脚施加脉冲负电压，同时保持漏极引脚电压恒定。电源同样需具有快速瞬态响应。

8.4 热管理

适当的热管理对于实现指定性能和额定使用寿命至关重要。ADPA1120可支持连续和脉冲操作，脉冲偏置可提供更好的热管理，以保持安全的通道温度（$T{CHAN}$）。$T{CHAN}$与平均故障间隔时间密切相关。

九、订购指南

ADPA1120有不同的型号可供选择，具体信息如下表所示：	型号	温度范围	封装描述	包装数量	封装选项
ADPA1120ACPZN	-40°C至 +85°C	32引脚引线框架芯片级封装 [LFCSP]	Tape, 1	CP - 32 - 13
ADPA1120ACPZN - R7	-40°C至 +85°C	32引脚引线框架芯片级封装 [LFCSP]	Reel, 1500	CP - 32 - 13

综上所述，ADPA1120是一款性能优异、应用灵活的GaN功率放大器。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择工作条件和偏置方式，注意热管理，确保其性能的稳定发挥。希望大家通过本文对ADPA1120有更深入的了解，在项目中能够更好地应用这款产品。大家在使用过程中如果遇到什么问题，欢迎在评论区交流。