基于小信号S参数的功率放大器设计(精)

1、基于小信号 S 参数的功率放大器设计 摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大 器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程 电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用 ADS软件进行电路设计和仿真验 证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为 126 MHz阻带抑制率大于 35 dB，带内波纹小于0. 5 dB，采用1. 8 V电源，TSMC 0 18卩m CMO工艺 库仿真，功耗小于21 mV，频响曲线接近理想状态。关键词： Butte 目前，微波功率放大器的设计方法主要有以下几种： (1) 动态阻抗测量法。在实际的工作条件下，使用仪器

2、测量功率管的动 态输入阻抗以及输出阻抗。通常输出功率越大的功率管的输入输出阻抗越低， 因此不容易得到准确数值。 (2) 负载牵引测试法。现在有专门测量负载牵引用的仪器，把功率管装 配到测试架上，接到负载牵引的仪器上面，使用仪器改变放大器输出端口的匹 配负载，测量不同负载下的增益和输出功率。这些数据可以直接在电脑上存 取，使用方便，比过去使用的负载牵引的测试方法要简单，但是该仪器价格比 较昂贵，只有专业设计生产管子的厂家才会配备。 (3) 非线性分析法。如果能得到功率管的大信号非线性模型，可以使用 软件的非线性仿真功能来确定比较合适的负载阻抗和源阻抗，从而得到功率管 的非线性性能。管子模型的建立

3、比较困难，但是建模以后再次使用会比较方 便。 (4) 小信号S参数分析法。在小信号设计中确定最佳输出阻抗通常使用 负载线法，负载线法的主要工作是计算功率管的负载线，在使用的电压确定的 情况下，根据输出功率参考功率器件资料中给定的电流 -电压曲线可以得到该曲 线，从而确定出最佳输出阻抗的实部。该方法使用仿真软件就可以进行，不需 要昂贵的仪器，适用于大多数的设计情况。 除了高线性的功率放大器外，大部分的功放是工作在大信号状态的，属 于非线性器件。理想情况下，设计者应该使用功率管的大信号参数进行设计， 但在大部分情况下，设计者很难获得功率管的大信号参数，器件厂商提供的只 有小信号S参数以及静态IV曲

4、线。采用小信号S参数之前，首先根据IV 曲线计算出最大功率输出时功率管的负载电阻，再通过匹配电路对功率管输出 电路进行匹配，就能够得到最大的输出功率。同时也需要对输入电路进行匹 配，以得到较高的增益和良好的驻波特性。 1 小信号法设计步骤 首先把功率管的小信号S参数输入到仿真软件，对其增益和输入匹配电 路进行优化，再利用功率管的IV曲线确定器件在最大输出功率时的漏极实部 阻抗R。R既可以通过测量得到，也可以通过器件静态 IV性来确定。一般来 说输出阻抗纯实部负载阻抗 R外，还有虚部阻抗，因此需要在在漏源之间并联 一个电容CDS器件在封装的时候会引入很多寄生元件，如果不考虑这些寄生 元件得到的匹

5、配电路通常都是不正确的，因此需要确定出封装器件的这些寄生 元件。从器件的小信号S参数提取则是一种比较方便实现的方法，为了减小工 作量，通常使用计算机辅助设计技术进行仿真。下面以 Fujitsu公司的 FLLI77ME为例说明功率放大器的小信号S参数设计方法。 2小信号S参数法设计功率放大器实例 2. 1输出电路匹配 (1)根据功率管IV曲线，计算最大功率输出时的负载线实部电阻 R。 上J - 其中，VD是漏极的偏置电压；VS为拐点电压，约为2 V; Idss是饱和漏电流。 根据富士通公司给的FLLl77ME的资料的静态IV曲线，计算电阻最佳 负载线可得 VD=10 V VS=1 8 V; Id

6、ss=0 . 6 A，贝U R=22 8 Q。 (2)输出端匹配的确定 只有正确的优化输出电路，才能得到最大的输出功率，为了得到准确的 R,输出匹配电路应包含管子的封装参数，其中包括管子 CDS和漏极、源极所有 寄生元件，并建立输出电路仿真模型。从引言中我们知道从功率管的小信号 S 参数中可以取得封装功率管的寄生元件。在软件中建立模型的时候，这些封装 参数都需要用电路元件替代。建立好的功率管的输出电路模型如图 I所示。 想要得到最大的输出功率，必须对管子的匹配电路进行优化，应先把管 子的封装寄生元件确定。使用测量和 EM仿真对于一般设计者来说是比较困难， 因此采用从小信号S参数中提取的方法。通

7、常这些寄生的元件可模拟成串联在 栅极、漏极和源极的电感、电阻电路。该仿真模型的电原理图使用 Agile nt公 司的ADS软件建立并分析。用ADS软件的优化功能调整改模型的S参数，使其 和器件给定的小信号S参数基本相同，这样就可以使用得到该管子比较准确的 寄生元件的数值。 2. 2输入端匹配的确定 除了对输出端进行匹配外，还需要对输入端进行匹配，输入端的匹配可 以提高管子的增益，并且对输出功率影响较小。采用常用的二段阻抗变换线作 为输入匹配电路，同时采用共扼匹配可以得到较高的增益，在仿真过程中要考 虑尺寸突变带来的电磁影响。 2. 3整个电路的仿真优化 在对整个电路进行优化设计时，重要的一点就

8、是原来的功率管必须使用 前面拟真出来的的S参数文件代替，拟真出的S参数文件的模型是一个两端口 元件，输入、输出匹配电路分别接到这个两端口元件的两端。输入匹配电路将 50 Q的源阻抗变换后匹配到功率管的栅极，输出匹配电路将漏极的输出阻抗 匹配后变换为50 Q的负载阻抗。同时匹配电路的分布参数也对频率有影响, 因此合适的匹配电路就是能在需要的频率和带宽内使管子输出最大的功率，并 且具有较高的增益。整个仿真图见图 2。 3结束语 通过实际制作出功率放大器，测得功率放大器的增益为 11. 5 dB , 1 dB压缩点输出功率为32. 3 dBm。根据FLLI77ME给的资料P1dB典型值为 32. 5 dBm, G1dB典型值为12. 5 dB。由此可以看出匹配电路基本达到了资料 给的数值。本电路是按照最佳输出功率匹配的，所以输出功率较大，但是增益 有所降低。由测试结果可