ADPA1105：高性能GaN功率放大器的深度解析

在射频功率放大器的领域中，氮化镓（GaN）技术凭借其高功率密度、高效率等优势逐渐崭露头角。今天，我们就来深入探讨一款高性能的GaN功率放大器——ADPA1105。

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一、产品概述

ADPA1105是一款工作在0.9 GHz至1.6 GHz宽带范围的氮化镓功率放大器。在输入功率 $P_{IN}=19 dBm$ 时，它能够输出典型值为46 dBm（相当于40 W）的功率，同时在0.9 GHz至1.4 GHz频段内典型功率附加效率（PAE）可达60%。此外，它在0.9 GHz至1.4 GHz带宽内具有±0.5 dB的增益平坦度。这些特性使得ADPA1105非常适合用于脉冲应用，如无线基础设施、雷达、公共移动无线电以及通用放大等领域。它采用了32引脚、5 mm × 5 mm的LFSCP_CAV封装，设计紧凑。

在雷达应用中，氮化镓功率放大器的优势十分显著。与传统的微波功率放大器相比，氮化镓功率放大器具有更高的线性度和效率，能够实现更高效的信号放大和低失真的信号传输。同时，GaN材料能够实现更高的频率响应，使得雷达发射器的工作频率范围更广，达到毫米波和亚毫米波的水平，从而提升雷达的探测精度和范围。那么，ADPA1105在这些雷达应用中又能具体发挥怎样的作用呢？这值得我们进一步探讨。

二、详细规格参数

（一）电气规格

在不同的频率范围和测试条件下，ADPA1105展现出了不同的性能参数。

1. 0.9 GHz至1.4 GHz频段：在环境温度 $T{A}=25^{circ} C$，电源电压 $(V{DD})=50 ~V$，静态电流 $I{DQ}=400 ~mA$，脉冲宽度为100 μs，占空比为10%的条件下，小信号增益典型值为34.5 dB，增益平坦度为±0.5 dB，输入回波损耗为16 dB，输出回波损耗为9 dB。当输入功率 $P{IN}=19 dBm$ 时，输出功率典型值为46 dBm，功率增益典型值为27 dB，PAE典型值为60%。
2. 1.4 GHz至1.6 GHz频段：同样在上述测试条件下，小信号增益典型值为32.5 dB，增益平坦度为±0.9 dB，输入回波损耗为11 dB，输出回波损耗为14 dB。输入功率 $P_{IN}=19 dBm$ 时，输出功率典型值仍为46 dBm，功率增益典型值为27 dB，PAE典型值为57%。

（二）绝对最大额定值

为了确保器件的安全和可靠运行，我们需要了解其绝对最大额定值。ADPA1105的漏极偏置电压（$V{DD1}$，$V{DD2}$）最大为55 V dc，栅极偏置电压（$V{GG1}$，$V{GG2}$）范围为−5 V至0 V dc，射频输入功率（$RF{IN}$）最大为30 dBm。脉冲宽度最大为500 μs，占空比最大为20%。在不同的脉冲宽度和占空比条件下，其最大脉冲功率耗散也有所不同。例如，在脉冲宽度为100 μs、占空比为10%，基极温度（$T{BASE}$）为85°C时，最大脉冲功率耗散为54.5 W，且温度每升高1°C需降额473 mW。

（三）热阻

热阻是衡量器件散热性能的重要指标。ADPA1105的热性能与印刷电路板（PCB）设计和工作环境密切相关。在不同的脉冲宽度和占空比条件下，其结到外壳的热阻（$theta{JC}$）不同。例如，在脉冲宽度为100 μs、占空比为10%时，$theta{JC}$为2.11 °C/W；脉冲宽度为200 μs、占空比为20%时，$theta_{JC}$为2.82 °C/W。在连续偏置条件下，热阻会增加到6.5°C/W，这就需要我们在设计时格外注意散热问题，避免器件温度过高影响性能和寿命。

（四）静电放电（ESD）额定值

ADPA1105是静电放电敏感器件，其人体模型（HBM）的ESD耐受阈值为250 V，属于1A类。因此，在处理该器件时，必须采取适当的ESD防护措施，以避免因静电放电导致器件性能下降或功能丧失。

电子工程师在设计中应对静电放电问题，可从多个方面入手。在设计产品时，要考虑静电放电的影响，采用合适的设计与材料进行防护。例如，在电子计价秤设计中，可采用封闭式设计增强其抗静电放电的能力。在固件、软件和线路板方面，也需要采取相应的对策。在电路设计上，要遵循一定的指南。同时，在制造、运输和安装过程中也有诸多注意事项，如确保操作者保持足够的接地，使用静电消除器排出静电等。那么在ADPA1105的设计和应用中，我们该如何具体落实这些应对措施呢？

三、引脚配置与功能描述

ADPA1105采用32引脚封装，不同的引脚具有不同的功能。

1. 接地引脚（GND）：引脚1、6、8、9、16、17、19、24、25、32为接地引脚，必须连接到射频和直流地。
2. 未连接引脚（NC）：引脚2、3、7、12、13、18、22、23、26、27、29、30为未连接引脚，虽然这些引脚内部未连接，但在器件特性测试时，它们都被外部连接到射频和直流地。
3. 射频输入引脚（RFIN）：引脚4、5为射频输入引脚，采用交流耦合方式，并匹配到50 Ω。
4. 栅极控制引脚（VGG1、VGG2）：引脚10为第一级栅极偏置控制引脚，引脚14为第二级栅极偏置控制引脚，用于控制各级的栅极偏置电压，从而调节漏极电流。
5. 检测引脚（VDET、VREF）：引脚11为检测二极管引脚，用于测量射频输出功率。通过外部串联电阻施加直流偏置电压，结合VREF引脚，（$V{REF}$ - $V{DET}$）的电压差是一个与射频输出功率成比例的温度补偿直流电压。引脚15为参考二极管引脚，用于对VDET的射频输出功率测量进行温度补偿。
6. 射频输出引脚（RFOUT）：引脚20、21为射频输出引脚，同样采用交流耦合方式，并匹配到50 Ω。
7. 电源引脚（VDD1、VDD2）：引脚28为第二级漏极偏置电源引脚，引脚31为第一级漏极偏置电源引脚，为放大器提供电源。

四、典型性能特性

通过一系列的图表，我们可以直观地了解ADPA1105在不同条件下的性能表现。

（一）增益与频率特性

小信号增益和回波损耗随频率的变化曲线展示了其在不同频率下的增益稳定性和输入输出匹配情况。在不同温度和电源电压条件下，小信号增益也会有所变化。例如，随着温度的升高，小信号增益可能会有所下降。

（二）输出功率与频率特性

输出功率在不同输入功率水平和温度条件下随频率的变化曲线，反映了其在不同工况下的功率输出能力。当输入功率增加时，输出功率也会相应增加，但在不同频率下的增加幅度可能不同。

（三）功率附加效率（PAE）与频率特性

PAE随频率的变化曲线显示了其在不同频率下的效率表现。在不同输入功率水平、温度和电源电压条件下，PAE也会发生变化。一般来说，在合适的工作条件下，ADPA1105能够保持较高的PAE，从而提高能源利用效率。

五、工作原理

ADPA1105由两级级联增益级组成，其射频输入（RFIN）和射频输出（RFOUT）端口为单端且直流阻断，端口阻抗在0.9 GHz至1.6 GHz工作频率范围内标称值为50 Ω，可直接插入50 Ω系统，无需外部阻抗匹配组件或交流耦合电容。 通过向$V{DD1}$和$V{DD2}$引脚施加脉冲偏置电压，分别对第一级和第二级增益级的漏极进行偏置；向$V{GG1}$和$V{GG2}$引脚施加负直流电压，分别对第一级和第二级增益级的栅极进行偏置，以控制各级的漏极电流。在推荐的直流偏置条件下，当输入功率为19 dBm时，在1.5 GHz频率下可实现典型的46 dBm脉冲射频输出功率和60%的PAE。 此外，通过定向耦合将部分射频输出信号传输至二极管，用于检测射频输出功率。对二极管施加直流偏置后，二极管对射频功率进行整流，将其转换为直流电压在VDET引脚输出。通过VREF引脚的对称二极管电路进行温度补偿，（$V{REF}$ - $V{DET}$）的差值即为与射频输出成比例的温度补偿信号。

六、应用信息

（一）基本连接

在操作ADPA1105时，需要注意基本的连接方式。将20 V至50 V的电源电压施加到$V{DD1}$和$V{DD2}$引脚，并使用指定电容值进行去耦。在连接到引脚28和引脚31的两个1000 pF电源去耦电容上串联3.9 Ω电阻。将$V{GG1}$和$V{GG2}$引脚连接在一起，并按照指定方式驱动。虽然NC引脚内部未连接，但在器件特性测试时将它们连接到地可提供一定的散热效果。 外部偏置通过两个上拉至5 V的715 Ω电阻提供给片上射频检测电路，会产生约12 mA的电流消耗。可以使用配置为差分放大器的运算放大器来计算（$V{REF}$ - $V{DET}$）的差值，以获得与射频输出功率成比例的温度补偿电压。

（二）脉冲模式操作

由于ADPA1105不能支持连续工作，因此必须在脉冲模式下运行。可以通过脉冲栅极电压或漏极电压来实现脉冲模式操作。

1. 栅极脉冲模式：将$V_{DD}$保持在固定电平（标称值为 +50 V），将栅极电压在−4 V（关）和大约−2.3 V（开）之间脉冲。可以通过调整精确的开启电平来实现所需的静态漏极电流。
2. 漏极脉冲模式：对$V_{DD}$电压进行脉冲开关操作，同时将栅极电压保持在0 V至−4 V之间的固定负电平。在这种模式下，由于需要开关高电流和高电压，电路中需要使用金属 - 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和MOSFET开关驱动器，并且需要大电容作为局部电荷存储，以在脉冲开启期间提供稳定的漏极电流。

（三）热管理

适当的热管理对于实现ADPA1105的指定性能和额定工作寿命至关重要。脉冲偏置是限制平均功率耗散和保持安全通道温度的必要手段。通道温度与器件的平均故障间隔时间密切相关。 在连续偏置情况下，器件的通道温度会上升并最终稳定在一个稳态值。而在低占空比脉冲偏置情况下，通道温度表现为一系列指数上升和下降的脉冲，最终也会达到稳态。通过对不同脉冲宽度和占空比下的瞬态热测量，我们得到了相应的热阻数值。较窄的脉冲宽度和/或较低的占空比可以提高器件的可靠性。需要注意的是，即使在短暂的连续偏置情况下，热阻也会显著增加，可能导致通道温度急剧上升，因此必须格外小心，确保器件不超过最大可靠通道温度200°C。

七、外形尺寸与订购指南

ADPA1105采用32引脚的LFCSP_CAV封装，尺寸为5 mm × 5 mm，封装高度为1.25 mm。在订购时，有不同的型号可供选择，如ADPA1105ACGZN和ADPA1105ACGZN - R7，它们均为RoHS合规部件，引脚镀层为镍钯金（NiPdAu）。此外，还有ADPA1105 - EVALZ评估板可供选择，方便用户进行测试和开发。

综上所述，ADPA1105是一款性能优异的GaN功率放大器，在雷达等脉冲应用领域具有广阔的应用前景。但在实际应用中，我们需要充分了解其各项参数和特性，合理进行电路设计和热管理，以确保其性能的稳定发挥。希望本文能对电子工程师们在使用ADPA1105时有所帮助。你在使用类似功率放大器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。