功率放大器的設(shè)計(jì).doc

功率放大器的仿真設(shè)計(jì)0 引言各種無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，大大加速了半導(dǎo)體器件和射頻功率放大器的研究進(jìn)程。射頻功率放大器在無(wú)線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它的設(shè)計(jì)好壞影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，無(wú)線系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)性能良好的放大器。而且，為了適應(yīng)無(wú)線系統(tǒng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期也是一個(gè)重要因素。另外，在各種無(wú)線系統(tǒng)中由于不同調(diào)制類型和多載波通信的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設(shè)計(jì)無(wú)線基站應(yīng)用的高功率放大器時(shí)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。采用EDA工具軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)可以掌握設(shè)計(jì)電路的性能，進(jìn)一步有環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)達(dá)到加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程的目的。功率放大器（PA）在整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中是非常重要的一環(huán)，因?yàn)樗妮敵龉β蕸Q定了通信距離的長(zhǎng)短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時(shí)間。1 功率放大器基礎(chǔ)11 功率放大器的種類根據(jù)輸入與輸出信號(hào)間的大小比例關(guān)系，功率放大器可分為線性放大器與非線性放大器兩種。屬于線性放大器的有A類、B類及AB類放大器；屬于非線性的則有C類、D類、E類、F類等類型的放大器。（1） A類放大器是所有類型功率放大器中線性最高的，其功率元件在輸入信號(hào)的全部周期內(nèi)均導(dǎo)通，即導(dǎo)通角為360，但其效率卻非常低，在理想狀態(tài)下效率僅達(dá)到50%，而在實(shí)際電路中，則仍限制在30%以下。（2） B類功率放大器的功率元件只在輸入正弦波之半周期內(nèi)導(dǎo)通，即導(dǎo)通角僅為180，其效率在理想狀態(tài)下可達(dá)到78%，但在實(shí)際電路中所達(dá)到的效率不會(huì)超過(guò)60%。（3） AB類功率放大器的特性介于A類和B類放大器之間，其功率元件偏壓在遠(yuǎn)比正弦波信號(hào)峰值小的非零直流電流，因此導(dǎo)通角大于180但遠(yuǎn)小于360。一般情況下，其效率介于30%60%之間。（4） C類功率放大器的功率元件的導(dǎo)通時(shí)段比半周期短，即導(dǎo)通角小于180。其輸出波形為周期性脈沖，必須并聯(lián)LC濾波電路后，才可得到所需要的正弦波。在理論上，C類放大器的效率可達(dá)到100%，但在實(shí)際電路中僅能達(dá)到約60%的效率。（5） D類、E類的功率放大器基本上都是所謂的開(kāi)關(guān)模式放大器，其原理是將功率元件當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用，并借助輸出級(jí)的濾波及匹配網(wǎng)絡(luò)使輸出端得到完整的輸出波形。（6） F類功率放大器可算是C類功率放大器的延伸，他們的偏執(zhí)方式相似，但F類放大器在功率管輸出端與負(fù)載間加入了頻波控制網(wǎng)絡(luò)，一次提高效率。在理論上他們都可以達(dá)到100%的效率，但在實(shí)際電路中仍受到開(kāi)關(guān)切換時(shí)間等因素的控制而無(wú)法達(dá)到理想值。設(shè)計(jì)功放電路前必須先考慮系統(tǒng)規(guī)格要求的重點(diǎn)，再來(lái)選擇電路架構(gòu)。以射頻功率放大器而言，有的系統(tǒng)需要高效率的功率放大器，有的需要高效率且線性度佳的功率放大器，有的需要較寬的操作頻帶等，然而這些系統(tǒng)需求往往是相互抵觸的，如B類、C類、E類架構(gòu)的功率放大器皆可達(dá)到比較高的效率，但信號(hào)的失真卻較為嚴(yán)重；而A類放大器是所有放大器中線性度最高的，但它最大的缺點(diǎn)是效率最低，這些缺點(diǎn)雖然可用各種Harmonic Termination電路的設(shè)計(jì)技巧予以改進(jìn)，但仍無(wú)法提高到與高效率的功率放大器相當(dāng)?shù)乃?。具有高效率、高線性度及高功率的功率放大器自然成為電路設(shè)計(jì)者所努力的一個(gè)目標(biāo)。1.2 放大器的主要參數(shù)（1） 1db功率壓縮點(diǎn)通信系統(tǒng)中輸出功率單位通常以dBm表示：當(dāng)放大器在非常低的輸入功率時(shí)，功率增益為常數(shù)，放大器工作在線性區(qū)。當(dāng)輸入功率增加時(shí)，收到放大管非線性特性影響，放大器功率增益逐漸被壓縮，限制了最大輸出功率。在此區(qū)域，有線性失真、諧波和交互調(diào)變失真現(xiàn)象發(fā)生。若繼續(xù)再增加輸入功率，則因放大管已工作在飽和區(qū)，其輸出功率幾乎維持不變。通常以輸出增益（Gout）比線性增益小1db的位置來(lái)定義放大器工作范圍的上限，也就是1dB輸出功率壓縮點(diǎn)（P1dB），則P1db點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值表示式為P1db（dBm）Pin（dBm）=Gout（dB）1（2）功率增益 小信號(hào)增益：當(dāng)輸入多少的功率時(shí)，就會(huì)依照其放大功率來(lái)放大，這是理想的放大器，但事實(shí)上這是不可能做的出來(lái)。一個(gè)真正的放大器就會(huì)因其放大管之特性不同而有不同的飽和區(qū)，以致會(huì)導(dǎo)致其在一個(gè)區(qū)段內(nèi)之增益有所不同。 輸出功率增益比：在不同的輸出功率，其增益也會(huì)有所不同。故有些放大器會(huì)特別標(biāo)示，其在多少的輸出功率時(shí)的增益是多少。 效率因?yàn)樵谳斎牍β兽D(zhuǎn)換成輸出功率工程中，一定會(huì)有功率損耗的情形發(fā)生，并且效率與線性度往往都是互相抵觸的，因此在設(shè)計(jì)放大器電路時(shí)必須視系統(tǒng)要求而作適當(dāng)取舍。以下為一般放大器效率的定義：集電極效率：功率附加效率：總效率：（4） 失真信號(hào)失真主要是由有源元件的非線性引起的。其失真主要為諧波失真、AM to PM Conveision、互調(diào)失真。（5） 鄰信道功率比ACPR由于功率放大器的非線性效應(yīng)影響，當(dāng)信號(hào)通過(guò)功率放大器時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻譜“擴(kuò)散”現(xiàn)象。中心頻率為fc、頻寬為B1中的功率與距離中心頻率f0、頻寬為B2中的功率的比值即為ACPR。1.3 PA設(shè)計(jì)的一般步驟（1）將廠家提供的晶體管模型庫(kù)導(dǎo)入到ADS模型庫(kù)中。（2）根據(jù)放大器的要求和晶體管的特性確定靜態(tài)工作點(diǎn)。（3）進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)，包括阻抗匹配、偏置電路和直流扼流等。（4）確定仿真類型（S-參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等）、仿真參數(shù)，以及ADS環(huán)境下所需的一些變量。（5）對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，分析仿真曲線并得出結(jié)論。（6）優(yōu)化功放電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。本設(shè)計(jì)具體介紹射頻功率放大器的設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)一個(gè)性能滿足技術(shù)指標(biāo)需求的射頻放大器，首先要在分析技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上合理的選擇器件；然后要具體分析器件的特性，設(shè)計(jì)合理的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和偏壓網(wǎng)絡(luò)；接下來(lái)要對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和合理性。這些步驟都是非常重要的，只有每個(gè)環(huán)節(jié)都踏實(shí)的落到實(shí)處，才能得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。射頻功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)工作頻率：950MHz輸入功率：30 dBm輸出功率：45 W電源電壓：28V2射頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中仿真軟件使用Agilent公司的EDA軟件ADS(Advanced DesignSystem)此軟件平臺(tái)給用戶提供了從綜合，系統(tǒng)仿真再到完整的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的解決方案，使用戶能夠方便有效的進(jìn)行硬件系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。2.1 直流掃描電路功放管的偏置狀態(tài)決定了兩個(gè)重要問(wèn)題。一是輸入和輸出阻抗，在不同的偏置狀態(tài)下功放管的輸入輸出阻抗是不同的，所以在設(shè)計(jì)匹配電路之前就要先確定功放管的偏置狀態(tài)；二是放大器的工作類型，放大器有A類，B類和AB類等工作類型，功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)決定了放大器的工作類型，所以應(yīng)該根據(jù)需要設(shè)置正確的偏置狀態(tài)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，MRF9045N工作時(shí)需要的直流供電電壓為28.5V，本設(shè)計(jì)采用AB類放大器的工作類型，射頻放大器的設(shè)計(jì)一般都采用共柵極組態(tài)，源極直接接地。在ADS中搭建直流仿真電路模型，利用直流仿真器以柵極電壓為掃描變量進(jìn)行直流偏置狀態(tài)的仿真。如圖1為MRF9045N的直流偏置電路，圖2為仿真結(jié)果。圖1：直流掃描電路圖2：直流掃描I/V曲線圖表 在圖2的仿真結(jié)果中我們可以看到選取的VGS=3.8V，靜態(tài)工作點(diǎn)電流IDS=717mA，與數(shù)據(jù)手冊(cè)上的數(shù)據(jù)相比，電流取得較大，這時(shí)為了獲得更好的線性度。仿真出的靜態(tài)工作點(diǎn)和資料給出的靜態(tài)工作點(diǎn)極為相近，從而驗(yàn)證了仿真的真確性22 偏置及穩(wěn)定性分析在放大器設(shè)計(jì)中改善穩(wěn)定性的措施通常是在輸入或輸出端加入有耗匹配網(wǎng)絡(luò)。這通常是以犧牲增益為代價(jià)換取穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算S參數(shù)滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件后，實(shí)際工程中，可以再輸入端加平衡式衰減器的做法來(lái)抑制反射引起的震蕩來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路仿真后可以從仿真圖形中看到，若所得到的仿真圖在所要的頻率點(diǎn)即在945MHz時(shí)，StabFact1，即穩(wěn)定因子小于1，功率管在整個(gè)帶內(nèi)是不穩(wěn)定的，因此，必須添加穩(wěn)定性措施。穩(wěn)定性措施有很多種，本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)小電阻的方法。圖3 添加穩(wěn)定措施后的原理圖圖4 改善穩(wěn)定措施后的曲線圖5 加入偏置后的原理圖2.3 負(fù)載牽引設(shè)計(jì)LoadPull通常功率放大器的目的是以獲得最大的輸出功率為主，因此將使得功率放大器的功率管工作在趨近飽和區(qū)，S參數(shù)會(huì)隨著輸入線號(hào)的改變而改變，尤其是S21參數(shù)會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)的增加而變小。因此，轉(zhuǎn)換功率增益將因功率元件工作在飽和區(qū)而變小，不同于輸出功率與輸入功率信號(hào)程正比關(guān)系的小信號(hào)狀態(tài)。換言之，原本功率元件在小信號(hào)狀態(tài)下，輸入/輸出端的共軛匹配就逐漸不再匹配。此時(shí)，功率元件就無(wú)法得到最大的輸出功率，所以設(shè)計(jì)功率級(jí)放大器的關(guān)鍵就在于匹配網(wǎng)絡(luò)，這就可以用負(fù)載牽引（LoadPull）原理找到功率放大器最大輸出功率時(shí)的最佳外部負(fù)載阻抗ZL。圖6為負(fù)載牽引電路原理圖及仿真結(jié)果圖6 負(fù)載牽引電路原理圖及仿真結(jié)果2.4 運(yùn)用Smiith圓圖進(jìn)行匹配圖7 Output_match原理圖圖8 Smiith匹配后自動(dòng)生成的輸出匹配電路圖9 用實(shí)際元件替換理想