數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中功率放大器的設(shè)計(jì)解析

1、數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中功率放大器的設(shè)計(jì)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中功率放大器的設(shè)計(jì)摘要：用最新的LDMOS FE器件，采用平衡放大電路結(jié)構(gòu)？熏設(shè)計(jì)數(shù)字 電視發(fā)射機(jī)中的功率放大器。工作頻段在 470MH860MHz整個(gè)頻帶內(nèi)增益在 12dB左右，工作在線性狀態(tài)，交調(diào)抑制小于 35dB關(guān)鍵詞： 功率放大器 匹配 增益數(shù)字電視地面廣播技術(shù)采用數(shù)字壓縮技術(shù)，在同樣清晰度和音質(zhì)情況下， 用戶可以接收的節(jié)目數(shù)量提高46倍。同一信道中，可同時(shí)傳輸附加數(shù)據(jù)和 其他信息，且抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋區(qū)域內(nèi)近場和遠(yuǎn)場的接收效果幾乎相同，因 此，數(shù)字電視受到了廣泛的關(guān)注。歐美一些國家對數(shù)字電視技術(shù)的研究較為深入，已研制出了性能完善的數(shù) 字電

2、視信號發(fā)射機(jī)。我國數(shù)字電視技術(shù)的研究起步相對較晚，還處在實(shí)驗(yàn)階 段。為降低成本，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的國產(chǎn)化是我國廣播電視行業(yè)發(fā)展的必然趨 勢。功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。通常情況下，數(shù)字電 視發(fā)射機(jī)中的信號經(jīng)COFDM方式調(diào)制后輸出中頻模擬信號，通過上變頻送 入放大部分。該調(diào)制方式包括IF FT(8M)和1卩FT(2M)兩種模 式，分別由6 8 17和1 7 0 5個(gè)載波組成。每個(gè)載波之間的頻率間隔非常 近，所以交調(diào)信號很容易落在頻帶內(nèi)，引起交調(diào)失真。數(shù)字電視的發(fā)射機(jī)較傳 統(tǒng)類型，在線性度、穩(wěn)定性等方面有著更高的要求。對發(fā)射機(jī)中的功率放大器 要求必須工作在較高的線性狀態(tài)下，增益穩(wěn)定

3、。發(fā)射系統(tǒng)的放大部分分為激勵(lì)和主放大電路。其中激勵(lì)部分為寬帶功率放 大器，為確保地面數(shù)字電視傳輸?shù)恼７€(wěn)定，需要具有良好的穩(wěn)定性和可靠 性，其工作頻段在4 7 0 MHz8 6 0 MHz，工作狀態(tài)為AE類；要求增 益大于1 0dE，交調(diào)抑制小于35dE，噪聲功率密度大于130dEc/Hz。本文采用最新的LDMOS FET器件，及平衡放大電路結(jié)構(gòu)？熏設(shè) 計(jì)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的驅(qū)動(dòng)級功率放大器，經(jīng)過優(yōu)化和調(diào)試，滿足系統(tǒng)要求。圖2 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D1功率放大器設(shè)計(jì)1.1功率放大器的放大芯片選型本文采用摩托羅拉LDMOS FET器件MRF373作為功放的放大芯 片。該芯片在線性、增益和輸出能力上相對

4、于BJT器件有較大的提升，使發(fā) 射機(jī)的可靠性和可維護(hù)性大大提高。與傳統(tǒng)的分米波雙極型功放管相比，LD MOS FET具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：-可以在高駐波比(VSWR=10 :1)情況下工作;-增益高(典型值13dB);飽和曲線平滑，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號放大;可以承受大的過驅(qū)動(dòng)功率，特別適用于DVB-T中COFDM調(diào)制的 多載波信號;偏置電路簡單，無需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐穲D3 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DLDMOS制造工藝結(jié)合了EPT和砷化傢工藝。與標(biāo)準(zhǔn)MOS工藝不 同的是，在器件封裝上，LDMOS沒有采用BeO氧化鈹隔離層，而是直接 硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高

5、溫性，大大延長了器件 壽命。由于LDMOS管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會象 雙極型管的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以 LDMOS管大大加強(qiáng)了負(fù)載失配和過激勵(lì)的承受能力。同樣由于LDMOS 管的自動(dòng)均流作用，其輸入一輸出特性曲線在ldB壓縮點(diǎn)（大信號運(yùn)用的飽 和區(qū)段）下彎較緩，所以動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號放 大LDMOS在小信號放大時(shí)近似線性，幾乎沒有交調(diào)失真，很大程度簡化 了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡單，無需復(fù)雜 的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?.2電路結(jié)構(gòu)選擇及比較小信號S參數(shù)可以用于甲類放大器的

6、設(shè)計(jì)，也就是要求信號的放大基本限 制在晶體管的線性區(qū)域。然而，涉及到大功率放大器時(shí)，由于放大器工作在非 線性區(qū)，所以小信號通常近似無效。此時(shí)必須求得晶體管的大信號S參數(shù)或阻 抗，以得到合理的設(shè)計(jì)效果。一般說來，甲類工作狀態(tài)失真系數(shù)最小，具有良好的線性度。但是在大功 率應(yīng)用情況下，由于甲類工作狀態(tài)的效率低（5 0% ）而不適用。采用甲乙類 推挽放大器的電路形式，可以得到與甲類放大器相近的線性指標(biāo)。推挽電路形式由兩個(gè)獨(dú)立且無任何內(nèi)部連接的單管放大器構(gòu)成，通過兩個(gè) 巴倫進(jìn)行功率的矢量分配與合成。由于巴倫本身具有變阻的特點(diǎn)，因此大大降 低了變阻比帶來的阻抗匹配的困難，且巴倫對于偶次諧波具有很好的抑制作

7、 用。但是由于巴倫兩邊間隔過小，兩路相互影響較大，所以應(yīng)用巴倫結(jié)構(gòu)的放 大器穩(wěn)定性較差，且該電路的輸入和輸出駐波比較差。本文采用平衡放大器的形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理與巴倫結(jié)構(gòu)的 電路相似，但是由于3dB電橋的應(yīng)用，使得兩路射頻信號之間隔離較好，有 利于兩個(gè)端口的匹配。相對于單管放大器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)如表1。表1平衡放大器與單管放大器特性比較特性平衡放大器單管放大器輸入輸出反射好較差噪聲特性較好較差長期穩(wěn)定性好較差元件離散性對放大電路影響較小較大1.3匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)由于MRF 3 7 3沒有提供內(nèi)匹配，所以要在放大電路中構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)。 數(shù)字電視反射系統(tǒng)中的放大電路工作在4 7 0 MHz860

8、 MHz，需要在 寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。寬帶放大器匹配電路設(shè)計(jì)的基本思想是：在放大 器的輸入輸出及級間都采用電抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多級阻抗變換。該網(wǎng)絡(luò)只起匹配 作用，不額外損耗功率，可以保證最大的傳輸系數(shù)，對器件特性起均衡作用， 并可以滿足系統(tǒng)所需要的帶寬要求。使用器件的IV曲線或者通過輸出功率、工作電壓等參數(shù)可以確定負(fù)載R L。為使輸出功率最大，用RL表示器件的內(nèi)部漏極負(fù)載，以此作為輸出匹配 電路的目標(biāo)。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對一個(gè)復(fù)阻抗有最佳匹配，則網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于 負(fù)載阻抗的復(fù)數(shù)共軛值?，F(xiàn)在的負(fù)載阻抗是純實(shí)數(shù)RL,所以最佳輸出匹配電 路反映到器件漏極負(fù)載的阻抗是RL的復(fù)數(shù)共軛值，即：RL=(VDD

9、-VDS(sat)2/2P其中VDD是工作電壓，VDS(sat)是拐點(diǎn)電壓，P是輸出功率根據(jù)上式可以算出，MRF 3 7 3的RL大約為6本文中的放大電路采用分離元件和分布參數(shù)元件混合使用的方法。由于電 感比電容有更高的熱損耗，所以在此類電路中通常避免使用電感，而使用高阻 抗的傳輸線代替?；旌项愋偷钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)通常包括幾段串連的傳輸線以及間隔配 置的并聯(lián)電容。該放大器的輸入匹配部分采用了四節(jié)連阻抗變換，輸出匹配采 用五節(jié)連阻抗變換的混合電路形式。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2、圖3 所示。2電路優(yōu)化與仿真結(jié)果由于數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)要求放大電路必須工作在線性放大狀態(tài)，可以用小 信號S參數(shù)法分析。借助器

10、件廠商提供的小信號S參數(shù)文件，可以用ADS對 整個(gè)電路進(jìn)行小信號S參數(shù)仿真，得到小信號增益、端口匹配、隔離及穩(wěn)定因 子K。表2為MRF373 在(Vce = 26VIc = 500mA)下的S 參數(shù)。表 2 MRF373ft( Vce=26V lc=500mA)下的 S參數(shù)f/GHzS11S21S12S220.50.824- 1605.0259 0.029- 210.627- 1430.70.851v- 1683.2744 0.023- 300.706- 1510.90.875v- 1732.2932 0.017- 350.768- 1591.00.885- 1761.9527 0.015- 340.793- 162用ADS進(jìn)行電路仿真并不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路優(yōu) 化。當(dāng)只有小信號S參數(shù)作為模型來設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，電路優(yōu)化的步驟一般 為：首先盡可能以RL（相對最大輸出功率的負(fù)載電阻）匹配為目標(biāo)，優(yōu)化和 確定輸出匹配電路元件值；然后再優(yōu)化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸 入匹配電路。需要注意的是：在優(yōu)化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模 型，然后在工作頻率下對其優(yōu)化，達(dá)到與RL的最佳匹配。圖4為放大電路的 仿真結(jié)果，圖5為電路最終優(yōu)化結(jié)果。3測試結(jié)果經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試，實(shí)測結(jié)果如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)級放大器工作于 線性狀態(tài)