PA功率放大器的设计「建议收藏」

2022-07-28 10:05:54 浏览数 (1)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

各种无线通信系统的发展， 如GSM、 WCDMA、TD – SCOMA、 WiMAX和Wi-Fi, 大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。 射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用， 它的设计好坏影响着整个系统的性能， 因此， 无线系统需要设计性能良好的放大器。 而且， 为了适应无线系统的快速发展， 产品开发的周期也是一个重要因素。 另外，在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波信号的采用， 射频工程师为减小功率放大器的非线性失真， 尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。 采用EDA工 具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能， 进一步优化设计参数， 同时达到加速产品开发进程的目的。 功率放大器在整个无线通信系统中是非常重要的一环， 因为它的输出功率决定了通信距离的长短， 其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 这使得射频功率放大器电路设计的困难度增大， 故很多高功率放大器的相关设计均以国外公司为主。

目录

  • 1功率放大器基础
    • 1.1 功率放大器的种类
    • 1.2 放大器的主要参数
    • 1.3 负载牵引设计方法
    • 1.4 PA设计的一般步骤
    • 1.5 PA设计参数
  • 2 直流扫描
    • 2.1 DesignKit的安装
    • 2.2 插入扫描模板
    • 2.3 参数扫描设置
    • 2.5 仿真并显示数据
  • 3 稳定性分析
    • 3.1 原理图的建立
    • 3.2 稳定性分析
  • 4 Load-Pull
    • 4.1 插入 Load – Pull模板
    • 4.2 确定Load-Pull的负载阻抗
  • 5 Source-Pull
    • 5.1 插入Source – Pull
    • 5.2 确定Source – Pull的源阻抗
  • 6 Smith圆图匹配
    • 6.1 输出匹配电路的建立
    • 6.2 输出匹配理想传输线转化微带线
    • 6.3 输出匹配电路的生成
    • 6.4 输入匹配电路的建立
    • 6.5 输入匹配理想传输线转化微带线
    • 6.6 输入匹配电路生成 symbol 模型
  • 7 偏置的设计
  • 8 原理图S参数仿真
  • 9 原理图HB仿真
  • 10 版图Layout
    • 10.2 版图的布局

1功率放大器基础

1.1 功率放大器的种类

功率放大器根据其输入与输出信号间的大小比例关系可分为线性与非线性两种。 属于线性放大器的有 A类、 B类及AB类放大器；属千非线性的则有 C类、 D类、E类、 F 类等类型的放大器。 各类放大器的输出波形如下图所示， 以下就各类型的放大器做简单介绍。 （1）A类放大器是所有类型功率放大器中线性度最高的， 其功率元器件在输入信号的全部周期内均为导通， 即导通角为360° ‘但其效率却非常低， 在理想状态下效率仅达50%, 而在实际电路中则仍限制 在30%以下。 （2）B类功率放大器的功率元器件只在输入正弦波的半周期内导通， 即导通角仅为180°, 其效率在理想状态下可达到78%, 但在实际电路中所能达到的效率不会超过60%。 （3）AB类功率放大器的特性则介于A类与B类放大器之间， 其功率元器件偏压在远比正弦波信号峰值小的非零DC 电流， 因此导通角大于180°但远小于360°。 一般来说， 其效率介于30%~60%之间。 （4）C 类功率放大器的功率元器件的导通时段比半周期短， 即导通角小于180°。其输 出波形为周期性脉冲 (Pulse) , 必须并联 LC 滤波电路 (Band Passfilter) 后， 才可得到所 需要的正弦波 (Sine wave) 。 在理论上， C 类放大器的效率可达到100%, 但在实际电路中仅能达到60%。 （5）D类、E类功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器(SwitchingMode Ampli­fier) , 其原理是将功率元器件当成开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完整的输出波形。 （6）F类功率放大器可算是C类功率放大器的延伸， 它们的偏置方式相似， 但F类放大器 在功率管输出端与负载间加入了谐波控制网络， 以此提高效率。 在理论上， 它们都可以达到100%的效率， 但在实际电路中仍受到开关切换时间等因素的控制而无法达到此理想值。 开始设计功率放大器电路前必须先考量其系统规格要求的重点， 再来选择其电路架构。 就以射频功率放大器而言， 有的系统需要高效率的功率放大器， 有的需要高功率且线性度佳 的功率放大器， 有的需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。 如B类、C类、E类架构的功率放大器皆可达到比较高的效率， 但信号的失真却较为严重。 而A类放大器是所有放大器中线性度最高的， 但它最大的缺点是它的效率是最低的， 这些缺点虽然可用各种 Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进， 却仍无法提高到与高效率的功 率放大器相当的水平， 但是对系统也有不小的帮助， 因为A类功率放大器对于许多高线性度系统来说仍是非常好的选择。 所以， 具有高效率、 高线性度 及高功率的功率放大器自然成为电路设计者所努力的一个目标。

1.2 放大器的主要参数

（1）1dB功率压缩点(PowerOut at 1 dB Compression Point, 记为P1dB) 通信系统中输出功率单位通常都以dBm表示： 10 l g P o u t ( m W ) = ( d B m ) 10lgP_{rm{out}}left(mWright)=left(dBmright) 10lgPout​(mW)=(dBm) 当放大器的输入功率非常低时， 功率增益为常数， 放大器工作在线性区。 当输入功率增加时， 受到放大管非线性特性影响， 放大器功率增益逐渐被压缩， 限制了最大输出功率。 在此区域， 有线性 失真、 谐波和交互调变 (Inter – Modulation) 失真现象发生。 若继续增加输入功率， 则因放大管已工作在饱和区， 其输出功率几乎维持不变， 如下图所示。

通常以输出增益（ G o u t G_{rm{out}} Gout​）比线性增益小 1dB 的位置来定义放大器工作范围的上限， 这也就是 ldB 输出功率压缩点 (P1dB)。则P1dB 点所对应的输出功率值表示式为 P 1 d B ( d B m ) − P i n ( d B m ) = G o u t ( d B ) − 1 P_{rm{1dB}}left(rm{dBm}right)-P_{rm{in}}left(rm{dBm}right)=G_{rm{out}}left(rm{dB}right)-1 P1dB​(dBm)−Pin​(dBm)=Gout​(dB)−1 （2）功率增益 功率增益依线性与非线性特性通常可分为以下两种。 1）小信号增益(SmallSignal Gain) : 依照放大功率来放大输入功率的放大器是理想的放大器， 但事实上这是不可能做得出来的。一个真正的放大器会因其放大管的特性不同而有不同的饱和区， 从而会导致它在一个区段内的增益有所不同。 2）输出功率增益比 (Gain at Rated Power Out) : 不同的输出功率， 其增益也会有所不同。 故有些放大器会特别标出其在多少的输出功率时的增益是多少。 （3）效率 因为在输入功率转换成输出功率的过程中， 必定会有功率损耗的情形发生， 且效率与线性度 (Linearity) 往往都是互相抵触的， 因此在设计放大器电路时必须视系统要求而做适当的取舍。 以下为一般放大器效率的定义： 集电极效率： η c = P o u t P D C = P o u t U D C × I D C {eta _{rm{c}}} = frac{ { {P_{ {rm{out}}}}}}{ { {P_{ {rm{DC}}}}}} = frac{ { {P_{ {rm{out}}}}}}{ { {U_{ {rm{DC}}}} times {I_{ {rm{DC}}}}}} ηc​=PDC​Pout​​=UDC​×IDC​Pout​​; 功率附加效率： η P A E = P o u t − P i n P D C {eta _{ {rm{PAE}}}} = frac{ { {P_{ {rm{out}}}} – {P_{ {rm{in}}}}}}{ { {P_{ {rm{DC}}}}}} ηPAE​=PDC​Pout​−Pin​​； 总效率： η T = P o u t P D C P i n {eta _{rm{T}}} = frac{ { {P_{ {rm{out}}}}}}{ { {P_{ {rm{DC}}}} {P_{ {rm{in}}}}}} ηT​=PDC​ Pin​Pout​​。 （4）失真 信号失真主要是由有源元件的非线性引起的。其失真主要为谐波失真(HarmonicDistor­tion) 、 AM to PM Conversion 、 互调失真 (Inter Modulation Distortion, IMD)。其解释分别如下。 1）调谐失真：当功率放大器输入单一频率信号时， 在输出端除了放大原信号外， 连原信号的各次谐波也被放大了，因此极可能干扰到其他频带，故在系统中均明确规定信号的谐波衰减量。 2） AM to PM Conversion : 当输入功率较大时，因S21包含振幅与相角，而相移量会随振幅增加而改变，则原本的AM调变会转而影响FM调变的变化。 3）互调失真：当放大器输入端输入两个频率分别为 f c f m f_c f_m fc​ fm​ 、 f c − f m f_c-f_m fc​−fm​，则在放大器的输出端除了输入信号的各次谐波（谐波失真）外，还会出现因输入信号频率 间的和差（交互调变）所产生的互调失真信号，它对系统产生的伤害主要集中在载波频率 f e f_e fe​附近的三次、五次等奇数阶次的互调失真信号。互调失真信号因与载波频率 f c f_c fc​太过接近， 故难以利用滤波器将它消除，且又极易干扰相邻的频率。 通常电路都是以三阶互调失真来判断其线性度的。 如下图所示，可以看出三阶互调失真信号 2 f 1 − f 2 2f_1-f_2 2f1​−f2​、 2 f 2 − f 1 2f_2-f_1 2f2​−f1​极为接近主频率 f 1 f_1 f1​与 f 2 f_2 f2​，无法用滤波器加以滤除。此时，IMD3(三阶互调失真）为 Δ = P f 1 − P 2 f 2 − f 1 Delta=P_{f_{1}}-P_{2f_2-f_1} Δ=Pf1​​−P2f2​−f1​​

如下图所示，三阶截断点(3rd- order Intercept Point, IP3)为基频信号功率和三阶互调失真信号功率的虚拟延长线的交点，其关系式为 P I P 3 ( d B m ) = P 1 d B ( d B m ) 10.6 d B = P f 1 ( d B m ) 1 2 Δ P_{rm{IP3}}(rm{dBm})=P_{rm{1dB}}(rm{dBm}) 10.6dB=P_{f_1}(rm{dBm}) frac{1}{2}Delta PIP3​(dBm)=P1dB​(dBm) 10.6dB=Pf1​​(dBm) 21​Δ

（5）邻信道功率比ACPR（Adjacent Cannel Power Ratio） 由于功率放大器的非线性效应影响，当信号通过功率放大器时会产生频谱＂扩散“现象。 ACPR 的定义为：中心频率为 f c f_c fc​、频宽为 B 1 B_1 B1​中的功率， 与距离中心频率为 f 0 f_0 f0​、 频宽为 B 2 B_2 B2​中的功率的比值， 如下图所示。

1.3 负载牵引设计方法

通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主， 这将使得功率放大器的功放管工作在趋近饱和区， 其 S 参数会随着输入信号的改变而改变， 尤其 S21 参数会因输入信号的增加而变小。 因此， 转换功率增益将因功率元器件工作在饱和区而变小， 不再同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态。 换句话说， 原本功率元器件在小信号工作状态下， 输入／输出端都是设计在共辄匹配的最佳情况下， 随着功率元器件进入非线性 区， 输入／输出端的共辄匹配就逐渐不再匹配。 此时， 功率元器件就无法得到最大的输出功率。 所以， 功率级放大器在设计时， 为使输出端达到最大功率输出， 其最主要的关键在于输出匹配网络， 这可以利用负载牵引 (Load-Pull) 原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部负载阻抗ZL。 Load-Pull 是决定最佳负载阻抗值最精准的方法， 它用来模拟及测量功率管在大信号时的特性， 例如， 输出功率 (Output power) 、 传输功率增益 (Transducer power gain）、 附加功率效率 (Power added efficiency) , 以及双音交调信号分析 (Two-tone signal analysis) 的线性度IMD3、IP3。 功率放大器在大信号工作时， 功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变。 因此， 必须在史密斯图 (Smith chart) 上， 针对给定一个输入功率值绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线 (Power contours) , 帮助找出最大输出功率时的最佳负载阻抗， 这种方法称为负载系列 (Load-Pull) 。 可以利用负载牵引的观念， 通过高频电路设计辅助软件 Agilent ADS 来建构模拟平台。功率放大器设计的最主要目的就是得到最大的输出功率， 所以需要有良好的输入／输出阻抗 匹配网络。 输入阻抗匹配网络的主要目的是提供够高的增益， 而输出阻抗匹配网络则是要达到要求的输出功率。

1.4 PA设计的一般步骤

为了完成功放特性仿真，PA设计通常需要以下几个步骤。 (1) DesignKit的安装。 (2) 直流扫描。 (3) 稳定性分析。 (4) Load-Pull。 (5) Source-Pull 。 (6) Smith圆图匹配。 (7) 偏置设计。 (8) 原理图S 参数仿真。 (9) 原理图HB仿真。 (10) 原理图优化调谐。 (11) 版图Layout 。

1.5 PA设计参数

本例PA设计参数如下。 ► 频率： 960MHz ► 输出功率： 40W ► 输入功率： 1W ► 效率： >40% ► 电源电压： 28V 根据设计要求， 本例选择了飞思卡尔的LDMOS功率管MRF8P9040N。 功率管MRF8P9040N的DataSheet可到 “http://cache. freescale. com/files/rf_if/ doc/ data_heet/MRF8P9040N. pd£? pspll =I” 下载。 飞思卡尔的ADS2011控件和MRF8P9040N的模型可到 “http

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