AN1326

AN1326
利用 MCP4728 12 位 DAC
设计 LDMOS 放大器偏置电压控制应用
作者:
IDQ 随栅极偏置电压和温度变化而成比例变化。
Youbok Lee, Ph.D.
Microchip Technology Inc.
为保持具有最大输出功率同时具有良好的线性度,需要
在整个工作温度范围内保持 IDQ 处于恒定值。为达到此
目标,栅极偏置电压需要在工作时进行调整,以补偿温
度变化产生的影响。
简介
对于基站功放模块 (power amplifier module, PAM)
应用,工程师通常在电路中选用模数转换器(Digital-toAnalog Converter, DAC)来实现偏置电压控制。在实
际应用中,偏置电压控制电路使 IDQ 稳定在 ±4% 变化范
围内。本应用笔记介绍了如何使用模数转换器来实现偏
置电压控制。
LDMOS 晶体管为 CMOS 器件,用于高频和高功率的应
用。 这些器件广泛应用于 RF 功率放大器应用,例如
GSM 和 CDMA 移动电话基站、雷达、CATV 和便携式无
线设备。这些器件在工作时由于热载流子注射效应而在
漏-栅区域聚集电荷,导致在施加固定栅极偏置电压
(VGS)时,其静态电流 (IDQ)会随温度变化而产生显
著漂移。
VDD
T = -40°C
IDS
T = +25°C
RF 输出
ΔVGS
温度传感器
(TCN75A)
LDMOS
晶体管
I DS (A)
RF 输入
T = +85°C
T = +125°C
零温度交叉点(ZTC)
带 EEPROM
的 12 位 DAC
(MCP4728)
MCU
V GS (V)
偏置电压
控制电路
(PIC24)
(a)
(b)
图 1:
(a)带温度监测及偏置控制的 LDMOS RF 功率放大器简化原理图 (b)随温度变化
的 IDS—VGS 典型特性曲线
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VGS (V)
偏置电压的最小步长大小 (LSB 大小)取决于 DAC 分
辨率和满量程范围。对于 12 位 DAC(MCP4728),在
满量程范围为 0V 至 4.096V 时,其最小分辨率约为
1 mV。
其控制偏置电压的过程总结如下:
a) 在控制器件 (PIC24 单片机)中预先存储 IDS—
VGS— 温度的查找表。
b) 在工作时每隔一定周期测量温度变化。
c) 根据查找表,控制 DAC 输出电压以设置新的 VGS
电压。
温度 (°C)
图 2:
例曲线
在恒定 IDQ 时 VGS — 温度示
选择 DAC 器件
对于特定的应用,用户在选择合适的 DAC 器件时具有
多种可选项:
IDQ (A)
•
•
•
•
•
•
DAC 分辨率 (8 位至 12 位)
精度
内部或外部基准
数字接口类型
输出通道数
器件成本等
具有多通道输出的 12 位分辨率的 DAC 特别适合移动电
话基站应用。DAC 的性能参数跟温度有关,同时也可以
采用合适的算法来校正大多数的参数误差。
温度 (°C)
图 3:
典型 LDMOS 放大器在施加
恒定 VGS 时 IDQ— 温度曲线示例
图 1 显示了(a)使用 12 位 DAC 器件和温度传感器实
现 LDMOS 偏置电压控制的简化框图,(b)对于 AB 类
LDMOS 放大器,IDS—VGS 随温度变化的一般特性。在
固定栅极偏置电压 (VGS)时, IDS 随温度变化而产生
漂 移。在 低 于 零 温 度 交 叉 点 (zero
temperature
crossover point,ZTC)时,IDS 随温度升高而变大。但
是,在高于 ZTC 点时,IDS 随温度升高而变小。
MCP4728 功能概述
MCP4728为Microchip的4通道12位电压输出DAC。每
个 通 道 的 输 出 可 独 立 控 制,可 选 择 内 部 电 压 基 准
(2.048V)或 VDD 作为基准电压。每个通道的输出具有
一个运放,因此无需外部的输出缓冲器。
器件的每个通道也有相应的 EEPROM 存储器。 用户可
将通道的配置设置存储在 EEPROM 中。当器件首次上
电,或者从掉电情况下恢复时,器件可根据先前操作的
设置而立即提供相同的输出。表 1 总结了 MCP4728 的
功能,图 4 为器件的功能框图。
图 2 显示了对于恒定静态电流 (IDQ)栅极偏置电压随
温度变化曲线,图 3 显示了对恒定 VGS,IDQ 随温度变
化曲线。
使用 DAC 控制偏置电压
为了在整个工作温度范围内保持 IDQ 为恒定值, MCU
使用温度传感器测量温度变化,并使用 12 位 DAC 器件
来设置新的偏置电压。 此过程可通过查找 VGS 值与 IDS
以及温度变化的查找表来实现。
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表 1:
MCP4728 的关键参数
参数
分辨率,N
说明
12 位
4 通道模拟输出
输出通道数
参考电压
(VREF)
用户可为每个通道单独选择内部或外部 VREF。
• 若选择内部基准:
VREF = 2.048V
• 若选择外部基准:
VREF = VDD
LSB
(最低位)
LSB 为两个相邻 DAC 输入码之间的步长分辨率。MCP4728 的 LSB 定义如下:
V REF
- Gx
LSB = -----------N
2
= 500 µV (增益 = 1x,且选择内部基准时)
= 1 mV (增益 = 2x,且选择内部基准时)
其中 Gx 为输出运放的增益设置。
输出电压
DAC 输出电压由 DAC 输入码、 LSB 和输出运放的增益设置来定义。其最小值为器件的失调电
压;最大值为基准电压乘以增益设置。下列公式给出了输出电压:
V OUT =
输入码
( DAC Input
Code ) • ( LSB ) • ( Gx )
V OUT
输入码
DAC Input
Code = ------------- • ( Gx )
LSB
示例:输出电压范围
• 当选择内部基准时:
VOUT = VOFFSET 至 2.048V (增益设置 = 1x)
= 2* VOFFSET 至 4.096V (增益设置 = 2x)
• 当选择外部基准时:
VOUT = VOFFSET 至 VDD,与增益设置无关。
注:当选择外部基准时,仅使用 1x 增益设置,而忽略 2x 增益设置。
串行接口
I2C™
EEPROM 中存有三个 I2C 地址位。
• I2C 地址位编程:
(a)用户可使用简单的 I2C 地址写命令在应用 PCB 板上对地址位重新编程。
(b)或者在工厂里器件成测时, Microchip 为客户预编程这些地址位。
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表 1:
MCP4728 的关键参数 (续)
参数
说明
输出稳定时间
6 µs
注:此延迟时间表示在用户希望输出新输出电压而发送一个写命令后, DAC 的模拟输出能够多
快达到稳定。这是 DAC 输入码载入输出 DAC 寄存器至 DAC 模拟输出达到新模拟输出电压之
间的时间延迟。假设 LDAC 引脚接地,则产生新输出的总延迟时间可近似如下:
• 总延迟时间 = 6 µs + 8 * I2C 命令字节数 * 1/I2C 速度
示例:若用户使用快写命令来更新 VOUT 输出,则从开始快写命令后,其输出在下列延迟时间
后得到更新:
• 当 I2C 时钟速率 = 3.4 MHz:
VOUT A 时间延迟 = 6 µs + 8 * 3 * 1/3.4 MHz = 6 µs + 7.06 µs = 13.06 µs
• 当 I2C 时钟速率 = 400 kHz:
VOUT A 时间延迟 = 6 µs + 8 * 3 * 1/400 kHz = 6 µs + 60 µs = 66 µs
DC 精度:
INL +/- 2 LSB (典型值), +/- 13 LSB (最大值)
注:积分非线性误差表示输出电压与输入码间的线性度。 INL 误差可通过校准来消除。
DNL +/- 0.2 (典型值), +/- 0.75 LSB (最大值)
注:差分非线性误差表示输入码变化 1 LSB 时输出步长大小的差异。若 DNL 误差低于 +/-1 LSB,
则输出变化具有单调性。
输出失调电压
5 mV (典型值), 20 mV (最大值)
注:输入码为 0x000h 时的输出电压被称为失调误差。 对于具有输出放大器的 DAC ,其输出失
调误差主要由运放的 VOS 电压引起。 当输出失调电压为 5 mV 且 1 LSB = 1 mV 时,DAC 的模
拟输出保持不变直到输入码超过 5 LSB。详情请参考图 5。
EEPROM
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器件具有非易失性 EEPROM 存储器,以存储 DAC 输入码,配置位设置和 I2C 地址位。用户可
随时对 EEPROM 重新进行编程。 当器件上电时,它将 EEPROM 内存储的内容载入输出 DAC
寄存器。因此,根据编程的数据,输出端立即产生输出,而无需 MCU 的重新配置。对于偶尔发
生意外掉电的系统,该功能十分有用。当系统重新上电时,DAC 可根据先前的设置而立即提供
正确的模拟输出。
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LDAC
EEPROM A
VDD
输入
寄存器 A
VSS
UDAC
输出
寄存器 A
EEPROM B
SCL
I2C™ 接口逻辑
SDA
输入
寄存器 B
UDAC
输出
寄存器 B
EEPROM C
输入
寄存器 C
UDAC
输出
寄存器 C
EEPROM D
输入
寄存器 D
RDY/BSY
内部 VREF
(2.048V)
输出
寄存器 D
VREF 选择
VDD
图 4:
UDAC
VREF A
增益
控制
电阻串 DAC A
VREF B
VREF D
关断控制
输出逻辑
关断控制
输出逻辑
VOUT C
运放 C
关断控制
增益
控制
电阻串 DAC D
VOUT B
运放 B
增益
控制
电阻串 DAC C
VOUT A
运放 A
增益
控制
电阻串 DAC B
VREF C
输出逻辑
运放 D
VREF
输出逻辑
VOUT D
关断控制
(VREF A、VREF B、VREF C 和 VREF D)
MCP4728 功能框图
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使用 MCP4728
图 6 显示了没有采用校准时每个通道的绝对输出误差。
这些数据仅对应于数字值 100 至数字值 3500。相应的
电压范围为 100 mV 至 3.5V。对于所有 4 个通道,其输
出电压误差处于6.5LSB至15LSB(或6.5 mV至15 mV)
之间。这些误差主要由失调误差造成,因此可以很容易
地通过校准而消除。通过校正失调误差, VOUT 仅在 6
LSB或6 mV范围内变化。因此在相同输入码下,通道输
出间只有很小的变化,其差别仅几个 LSB。
16
14
VREF = Internal, Gain = x2 x2,
o
Temp = 25 C
12
Ch. D
10
LSB
图 5 显示了采用内部 VREF 和 2x 增益配置时 MCP4728
的输出电压与数字输入码曲线。失调电压(图 5 中所示
VOFFSET)为所有失调电压的总和,包括 DAC 转换器和
输出放大器的失调电压。用户需要留意的是,只有当输
入码超过总失调电压对应值时,输出电压才会增加。参
考图 5 中的详细显示。
Ch. A
8
Ch. B
6
Ch. C
4
2
0
0
图 6:
3.5
OUT )
1000
1500
2000
Codes
2500
3000
3500
MCP4728 的绝对输出误差
图 7 显示了适合于偏置电压控制应用的 MCP4728 外部
电路配置。图 8 显示了使用 2 个 MCP4728 器件实现 8
通道输出的应用示例。
4
Output Voltage (V
500
3
MCP4728 的 I2C 地址
2.5
2
Channels A - D Outputs
1.5
1
0.5
0
0
1000
2000
3000
4000
器件具有三个可编程 I2C 地址位。通过使用这 3 位,用
户可得到 8 个唯一的 I2C 器件地址。在器件交付给客户
前, I2C 地址位被编程至器件的 EEPROM 中,客户也
可以对 I2C 地址位重新编程。当用户编程 I2C 地址位时,
LDAC 引脚用于选择需要编程的器件。此时,不能将
LDAC引脚接地,而应该将其连接到MCU的I/O引脚,如
图 7 和图 8 中虚线(可选)所示。参考 MCP4728 数据
手册,获取关于 I2C 地址位编程选项的详细信息。
VOUT
Code
}V
OFFSETT
}
输入码
低于 VOFFSET
图 5:
输入码
输出电压 — 输入码曲线
需要注意的是, VOFFSET 主要由输出放大器的 VOS 引
起。
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C1
C2
VDD
R1 = 10 KΩ
R1
VDD
1
SCL 2
SDA
3
10
MCP4728
9
偏置 D
8
偏置 C
LDAC 4
7
偏置 B
5
6
偏置 A
RDY/BSY
SCL
SDA
MCU
LDAC 引脚控制 ---- 可选
图 7:
注:
使用 MCP4728 的偏置电压控制电路
有关 LDAC 和 RDY/BSY 引脚功能的详细信息, 请参考 MCP4728 数据手册:《带 EEPROM 存储器的 12
位四通道数模转换器》,DS22187D_CN。用户可从 Microchip Technology 的网站 www.microchip.com 上下
载此数据手册。
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使用 MCP4728 提供超过 4 通道的输出
对于移动电话基站,其功放模块通常至少有 8 至 16 个
偏置电压控制点。一般采用多个 DAC 器件来实现这些
控制点的控制。
MCP4728 具有三个 I2C 地址位。这三个地址位的组合可
提供 8 个不同的地址。因此,用户可在同一个 I2C 总线
上连接多达 8 个 MCP4728 器件。通过连接 8 个器件,
从而可提供 32 个 DAC 输出通道。对于 8 路输出,需要
使用两个 MCP4728 器件;对于 16 路输出,需要使用
四个 MCP4728 器件。
图 8 显示了使用两个 MCP4728 器件实现 8 路输出的应
用示例。
MCP4728 的 LDAC 引脚有两个用途:(a)将 DAC 输
入寄存器内容同步载入输出寄存器; (b)在用户的应
用 PCB 板上进行 I2C 地址位编程时用作器件选择输入。
若不需要使用上述功能,则用户可简单地将 LDAC 引脚
接地,而无需将其连接到 MCU。此时,当用户通过写
命令更新 DAC 输入寄存器时,每个通道的输出将立即
被更新。
C1
C2
VDD
R1
R2
VDD
1
SCL 2
SDA
3
MCP4728
10
9
偏置 H
8
偏置 G
LDAC 4
7
偏置 F
RDY/BSY 5
6
偏置 E
VDD
SCL
1
MCP4728
10
9
偏置 D
3
8
偏置 C
LDAC 4
7
偏置 B
RDY/BSY 5
6
偏置 A
SDA
2
I2C 总线
SCL
MCU
SDA
(PIC24)
温度传感器
(TCN75A)
---- 可选
= 分别对应于 SCL 和 SDA 的上拉电阻
R1 和 R2
5 kΩ - 10 kΩ 对应 fSCL = 100 kHz 至 400 kHz
~700Ω 对应 fSCL = 3.4 MHz
C1:0.1 µF,陶瓷电容
C2:10 µF,钽电容
图 8:
注:
使用 MCP4728 的 8 通道输出
用户可在同一个 I2C 总线上连接多达 8 个 MCP4728 器件。
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总结
参考资料
工程师可使用多种方法为 LDMOS 功率放大器设计偏置
电压控制电路。其中一个最有效的方案就是使用独立的
DAC 和温度传感器。 MCP4728 作为 12 位电压输出
DAC,特别适合 LDMOS 偏置电压控制应用。该器件在
-40°C 至 +125°C 的宽温度范围内提供稳定和一致的性
能。若应用需要超过 4 路独立控制电压的应用,则可将
多个 MCP4728 器件连接到同一个 I2C 总线上。
[1] MCP4728 数据手册 《带 EEPROM 存储器的 12 位
四通道数模转换器》, DS22187D_CN, 2009,
Microchip Technology Inc.。
注:
Microchip 将不断推出具有 SPI 和 I2C 串行
接口选择的多路输出通道的新 DAC 器件。
请联系Microchip销售办事处获取最新产品
信息。
 2010 Microchip Technology Inc.
[2] 《MCP4728 评估板用户指南》, DS51837A_CN,
2009, Microchip Technology Inc.。
[3] TCN75A 数据手册 《双线串行温度传感器》
DS21935A_CN, 2006, Microchip Technology Inc.。
[4] 16 位单片机 《PIC24 单片机系列》,
DS39754C_CN, 2009, Microchip Technology Inc.。
[5] AN067,“LDMOS Bias Temperature
Compensation”应用笔记, Sirenza Microdevices。
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注:
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 2010 Microchip Technology Inc.
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•
Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。
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Microchip 确信:在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。
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目前,仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。就我们所知,所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的
操作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。
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Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作。
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07/15/10
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