介紹
   由于政府鼓勵三網(wǎng)合一服務(wù)，CATV運(yùn)營商正在快速擴(kuò)張其網(wǎng)絡(luò)與功能。與此同時，用戶繼續(xù)對服務(wù)供應(yīng)商提出愈來愈多的要求——高速互聯(lián)網(wǎng)、高清視頻、清晰的電話語音服務(wù)。
    基于光纖同軸電纜混合網(wǎng) (HFC) 的三網(wǎng)合一服務(wù)需要可靠的組件，不論是光學(xué)元件還是電子元件。光纖網(wǎng)絡(luò)性能可靠、服務(wù)質(zhì)量優(yōu)異，憑借性能方面的顯著改善獲得了廣泛的關(guān)注和贊譽(yù)，結(jié)果我們當(dāng)然認(rèn)為電子元件的可靠性同樣重要。
實(shí)現(xiàn)高服務(wù)質(zhì)量和可靠性
    目前使用的許多電子元件的設(shè)計與開發(fā)初衷都是為了用于模擬CATV系統(tǒng)。這些早期的電子元件經(jīng)過優(yōu)化可提供卓越的模擬TV信號，仍是現(xiàn)代HFC系統(tǒng)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，許多這類元件現(xiàn)在仍在使用。這些相同的HFC網(wǎng)絡(luò)最初僅用于CATV系統(tǒng)，如今正在擴(kuò)張以提供增強(qiáng)的三網(wǎng)合一服務(wù)，傳輸距離有了顯著提高。這種服務(wù)和覆蓋范圍方面的急劇擴(kuò)張增加了這些系統(tǒng)的復(fù)雜程度，給電子元件提出了更為嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性要求。
    三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)中的主要電子元件之一就是系統(tǒng)放大器。這些放大器用于提升整個網(wǎng)絡(luò)中傳往下游的信號 (圖1)。有效提升信號需要微妙的平衡——提高功率水平以實(shí)現(xiàn)長距離覆蓋范圍，降低信號失真以保持畫質(zhì)，同時減少功耗以節(jié)約能源并降低運(yùn)營成本。缺少這些電子元件的協(xié)作，三網(wǎng)合一服務(wù)就難以取得成功。

圖1：CATV系統(tǒng)示意圖說明了系統(tǒng)放大器的應(yīng)用

     系統(tǒng)放大器由許多電子元件組成，其中最重要的器件之一就是線路放大器，它可以提供最終的放大級和絕大多數(shù)的信號提升。線路放大器同時會消耗大量功率，如果不能妥善解決，就會對三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)的可靠性產(chǎn)生影響。由于承擔(dān)著提供最終放大的重要作用，線路放大器很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性。

線路放大器的設(shè)計考量
    設(shè)計質(zhì)量優(yōu)異、性能可靠的線路放大器需要遵照一定標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)線路放大器的元件技術(shù)以及制造工藝在確保質(zhì)量和可靠性方面與設(shè)計技術(shù)同樣重要。一開始，許多半導(dǎo)體公司的線路放大器都采用分立式設(shè)計。這些設(shè)計可以提供適合的性能，但是一致性差且難以量產(chǎn)。后來，隨著技術(shù)、設(shè)計以及制造技術(shù)的不斷改善，線路放大器設(shè)計成單片微波集成電路 (MMIC)。新的MMIC設(shè)計 (圖2) 可以提升一致性、制造工藝以及可靠性，同時通過技術(shù)進(jìn)步提高性能表現(xiàn)。MMIC設(shè)計的這些基本特點(diǎn)可以改善線路放大器，從而滿足系統(tǒng)不斷增加的性能要求和品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，又無需分立式設(shè)計的微調(diào)。自1996年以來，ANADIGICS利用砷化鎵MESFET技術(shù)率先推出射頻線路放大器單片微波集成電路 (MMIC) 設(shè)計。
    這些線路放大器在最近15年來一直作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榫€路放大器可以產(chǎn)生長距離傳輸信號所需的高輸出功率，它們會損失8到10瓦的功耗。這就需要大的散熱器，以確保性能與可靠性，而這樣就必須調(diào)整模塊。此外，線路放大器MMIC不可現(xiàn)場維修，一旦出現(xiàn)故障，就必須替換整個系統(tǒng)放大器。

圖2：系統(tǒng)放大器中的線路放大器MMIC

   開發(fā)混合線路放大器模塊是為了提供常規(guī)機(jī)械尺寸并解決可能導(dǎo)致放大器過熱的熱管理問題?；旌暇€路放大器模塊的另一主要優(yōu)點(diǎn)在于可以現(xiàn)場替換，因而這些系統(tǒng)放大器可以方便地在現(xiàn)場維修。圖3比較了混合模塊與MMIC線路放大器的尺寸和封裝。

圖3：射頻線路放大器混合模塊及MMIC

    出于這些原因，混合線路放大器模塊目前在HFC網(wǎng)路系統(tǒng)放大器中非常普遍，而且全球有多家制造商可生產(chǎn)這種同時采用分立元件和MMIC的放大器模塊?；旌显O(shè)計采用分立元件可以定制性能特點(diǎn)，例如復(fù)合三次差拍 (CTB)、復(fù)合二次差拍 (CSO)、交叉調(diào)制 (XOMD) 以及噪音系數(shù)失真，同時還可提供靈活的設(shè)計方案。然而，使用分立元件會因?yàn)樯a(chǎn)差異而導(dǎo)致性能差異。采用分立式線路放大器，網(wǎng)絡(luò)可靠性更加難以保證，因?yàn)橄到y(tǒng)放大器生產(chǎn)之前并未對單個元件的可靠性進(jìn)行測試。線路放大器ESD保護(hù)和耐用性對于網(wǎng)絡(luò)可靠性極為重要，而如果系統(tǒng)放大器設(shè)計采用MMIC線路放大器，便可提前測試元件。表1比較了MMIC線路放大器與分立式線路放大器的設(shè)計優(yōu)點(diǎn)。

表1：分立式線路放大器與MMIC線路放大器

   多種技術(shù)均可改善分立元件線路放大器的ESD 保護(hù)和整體耐用性。這些技術(shù)可能會犧牲系統(tǒng)性能，帶來更低的增益、更差的輸入和輸出反射損耗以及在更低頻率引起增益滾降。圖4 展示了影響系統(tǒng)性能和可靠性的混合模塊的元件。輸入與輸出ESD 電路可以保護(hù)放大器，又不會降低性能，該線路放大器既可為分立元件，又可為MMIC。圖5 表明混合線路放大器缺少合適的ESD 電路可能導(dǎo)致其電氣性能下降，引起帶寬減少或者降低系統(tǒng)速度。

   不過，只要設(shè)計采用優(yōu)化輸入ESD 保護(hù)，使用MMIC 的混合線路放大器模塊就可以在不犧牲性能的同時提高ESD 保護(hù)。詳情參見圖5。MMIC 在輸入和輸出端均內(nèi)置ESD 保護(hù)，并在組裝前經(jīng)過全面測試。額外的ESD 保護(hù)性能則來自混合電路內(nèi)部。關(guān)鍵是基于MMIC 的混合模塊優(yōu)化了設(shè)計和性能，利用已知品質(zhì)良好的MMIC 實(shí)現(xiàn)雙重ESD 保護(hù)，從而提升可靠性?；贛MIC 的混合線路放大器的另一主要優(yōu)點(diǎn)在于，相比分立元件其具有更佳的一致性。MMIC 還能簡化并改善模塊制造工藝，提高產(chǎn)量并減少元件數(shù)量，從而降低復(fù)雜度。

圖5：混合線路放大器模塊帶和不帶ESD 保護(hù)時的帶寬

線路放大器技術(shù)
    線路放大器設(shè)計采用的半導(dǎo)體元件技術(shù)會隨著設(shè)計方法共同發(fā)展。硅元件可以為運(yùn)行速度可達(dá)770 MHz 的早期短距離模擬系統(tǒng)提供可靠的性能。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度最初已增至870MHz，現(xiàn)在更高達(dá)1 GHz，以便為更多電視頻道以及三網(wǎng)合一服務(wù)提供額外帶寬。這就要求使用砷化鎵半導(dǎo)體元件，才能在更寬的頻率范圍內(nèi)提高功率并改善信號質(zhì)量。信號質(zhì)量取決于放大器失真特性，而砷化鎵的性能遠(yuǎn)高于硅 (Si)。因此，砷化鎵MMIC 線路放大器在HFC 系統(tǒng)放大器中應(yīng)用極為廣泛，多年來已經(jīng)成為最主要的元件技術(shù)之一。
    砷化鎵MMIC 線路放大器歷來以其卓越性能與可靠性而著稱，現(xiàn)在我們可以通過線路放大器混合模塊提供類似的性能，成功實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)。此外，經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)加上全新的混合線路放大器設(shè)計和制造工藝，均有助于提高性能和可靠性。

    MMIC 經(jīng)過驗(yàn)證的砷化鎵技術(shù)確保線路放大器可以提供輸出功率、增益以及線性度，且不會犧牲可靠性。盡管射頻線路放大器同樣采用其他多種技術(shù)，但僅有砷化鎵MESFET 經(jīng)過測試檢驗(yàn)，過去25 年來已證明其耐用而可靠的流程技術(shù)。這種技術(shù)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是平均無故障時間 (MTTF)。即使在125 攝氏度 (圖6) 的極端溫度下，砷化鎵MESFET 技術(shù)的平均無故障時間仍在106 小時左右。這一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上優(yōu)于可以連續(xù)運(yùn)行100 年，確保在正常運(yùn)行情況下性能不會下降或過早出現(xiàn)故障。Predicted MTTF for GaAs MESFET Hybrid Line Amplifiers

圖6：砷化鎵MESFET 技術(shù)可提供極為出色的平均無故障時間 (MTTF)

    這表明就算工作溫度達(dá)到85 攝氏度，砷化鎵MESFET 線路放大器的性能仍然極為穩(wěn)定、可靠，并可降低維護(hù)和運(yùn)營成本。相比其他IC 技術(shù)，砷化鎵MESFET 是兼具性能、成本和可靠性的最佳選擇。硅技術(shù)的性能不夠高，而HFET 或PHEMT 等其他砷化鎵技術(shù)又無法提供相同等級的線性度和成本或者M(jìn)ESFET 技術(shù)的可靠性。這些MTTF 規(guī)格可以通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，而這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)則顯示其與耐用性和可靠性之間的直接聯(lián)系。

線路放大器測試
    選擇正確的IC技術(shù)并采取最好的設(shè)計方法，這樣做雖然必要，但并非是確保整體系統(tǒng)性能與可靠性的充分標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)并制造這些元件時所采取的測試方法，是確保技術(shù)和設(shè)計確實(shí)有益于三網(wǎng)合一系統(tǒng)的關(guān)鍵。首先，必須要研究影響系統(tǒng)性能的線路放大器的關(guān)鍵參數(shù)。線路放大器的性能與全負(fù)載頻譜相關(guān)，包括上文提及的CTB、CSO、XMOD以及噪音系數(shù)失真。這些標(biāo)準(zhǔn)性能衡量單位的定義參見表2，所需等級則取決于系統(tǒng)設(shè)計。三網(wǎng)合一系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)因電視頻道、視頻點(diǎn)播及其他數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)量，而對線路放大器帶來的極端電氣性能需求。額外的數(shù)據(jù)傳輸則需要系統(tǒng)以及線路放大器具有更好的線性度和失真，從而確保模擬電視頻道保持出色的質(zhì)量。

主要性能規(guī)格

    表2：主要性能規(guī)格包括CTB、CSO、XMOD和噪聲系數(shù)

    第二，可靠性測試將有助于確保不間斷運(yùn)行。有幾項(xiàng)關(guān)鍵測試可確保產(chǎn)品達(dá)到適當(dāng)?shù)目煽啃裕‥SD、耐用性、振鈴波和壓力測試。這些測試引入了靜電放電、電壓尖峰以及持續(xù)高電流，以模擬嚴(yán)苛的環(huán)境和機(jī)械條件，例如電涌、雷擊以及負(fù)載切換。這些測試很難進(jìn)行，通常會永久性地?fù)p壞放大器，不論是MMIC還是混合模塊，因此我們開發(fā)了特殊技術(shù)以確保這些部件的耐用性，而又不會損壞它們。這些關(guān)鍵測試和技術(shù)多數(shù)可以在MMIC組裝到混合模塊之前在MMIC上進(jìn)行。這確保了混合模塊能夠達(dá)到更高的可靠性，而分立元件無法做到這一點(diǎn)。正是出于這一關(guān)鍵因素，我們推薦選擇采用經(jīng)過驗(yàn)證的MMIC設(shè)計和技術(shù)的混合線路放大器。

經(jīng)過驗(yàn)證的良好記錄
    盡管測試耐用性和性能非常重要，有關(guān)可靠性的許多參數(shù)很難與具體測試結(jié)果聯(lián)系起來。必須通過額外的制造流程和設(shè)計技術(shù)確保長期、持續(xù)的結(jié)果。這些流程和技術(shù)經(jīng)過長年的持續(xù)開發(fā)和不斷完善，已經(jīng)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有HFC 網(wǎng)絡(luò)展示的結(jié)果。
     未來線路放大器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一就是展示開發(fā)和交付穩(wěn)定產(chǎn)品的能力。例如，ANADIGICS 在過去15 年中已經(jīng)交付了超過2,600 萬枚射頻線路放大器，其現(xiàn)場故障率低于2 ppm (圖7)。為了達(dá)到這一優(yōu)異的業(yè)務(wù)記錄，ANADIGICS 利用了各種技術(shù)、設(shè)計、制造工藝及上述部分說明的測試最佳規(guī)范。

Cumulative Line Amplifier Shipments

圖7：線路放大器累積出貨量與RMA，充分說明了ANADICS 線路放大器的可靠性與耐用性

     我們認(rèn)為，確保三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)性能與可靠性的關(guān)鍵之一就是選擇合適的供應(yīng)商，這些供應(yīng)商能夠自主開發(fā)線路放大器MMIC 并使用砷化鎵MESFET 工藝技術(shù)。我們建議您向潛在供應(yīng)商詢問有關(guān)混合線路放大器組成元件的詳細(xì)信息，以便了解其在組裝之前是否經(jīng)過全面測試，是否混合部分及MMIC 均內(nèi)置ESD 保護(hù)且不會犧牲性能。
這意味著什么？
    隨著系統(tǒng)運(yùn)營商不斷完善其三網(wǎng)合一服務(wù)并擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍，必須重點(diǎn)關(guān)注能夠助其獲得成功的元件，這一點(diǎn)十分重要。射頻線路放大器毫無疑問是三網(wǎng)合一基礎(chǔ)設(shè)施中的重要元件，所以必須選擇并指定可以提供可靠性能的線路放大器。因此，我們建議考慮線路放大器采用的技術(shù)和設(shè)計，確定您更傾向于MMIC 型還是混合型，選擇基于經(jīng)過驗(yàn)證的MMIC 技術(shù)的混合線路放大器，并堅持檢查出貨記錄以及RMA 數(shù)據(jù)，以確定是否具有良好的業(yè)務(wù)記錄。我們認(rèn)為以下這些最佳規(guī)范有助于確保三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)的可靠性能。

     更多有關(guān)ANADIGICS線路放大器產(chǎn)品的信息，請聯(lián)系：sales@anadigics.com。