【《逆F类功率放大器的设计案例》3100字】

逆F类功率放大器的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u612逆F类功率放大器的设计案例 144131.1设计指标 1248701.2有源晶体管和介质材料分析 1107551.3逆F类功率放大器的仿真 2235071.3.1晶体管的直流特性分析 3160241.3.2偏置网络设计 454631.3.3考虑寄生参数的谐波网络设计 673951.3.4负载牵引法 820711.3.5原理图仿真分析 13设计指标本章将通过合适的电路设计，和计算机仿真软件的模拟仿真调试，设计了一款逆F类射频功率放大器。其具体需要满足的要求：主要工作范围：2.3GHz-2.4GHz输出功率要求：功率附加效率：功率增益：>10dB有源晶体管和介质材料分析设计一个良好的功率放大器，需要选择一款适合设计要求的有源晶体管，当前市面上晶体管款式种类较多，各方面优缺点也参差不齐，所以非常有必要对各类主要晶体管进行分析，以帮助更好的选择适合的有源晶体管。随着科技的发展有源晶体管也向着低价格高功率高性能方向发展，一代晶体管以Si双极性晶体管为代表，由于各项性能参数方面的缺陷，无法满足设计需要。二代晶体管以化合物半导体为代表，由于其较宽的频带，适宜的价格，较高的频率不错的电子迁移率且适合一些高功率的工作环境等特点，非常具有性价比。第三代晶体管以GaNHEMT晶体管为代表，由于这类晶体管发展还不全面仍有许多缺点例如价格，稳定性，偏置电压等方面，所以也不适宜设计需要。随着无线通信技术的发展，发射机前端对于射频功率放大器的要求日渐提高，然而线性度和效率两者无法同时提高，两者相互矛盾。目前市场上的一些晶体管由于还未发展成熟，在功率放大器的一些基本参数方面发展还很不全面，如稳定性偏置电压等方面。为了兼顾线性度和效率，设计者往往会对电路的结构进行升级改善。此次设计中使用到的是LDMOS晶体管，这类晶体管具有一些显著的优点，例如良好的导热性能，耐高温，适中的价格，较宽的频带等。但是由于它的截止频率较低，所以不太适合高功率场合。本次使用的晶体管为LDMOS类型，开发公司为飞思卡尔公司，具体型号为MRF6S27015N，它的详细参数如下：表5-1晶体管MRF6S27015N的主要参数逆F类功率放大器的仿真为完成功率放大器的设计，需要进行以下操作：（a）从NXP选择一款合适的晶体管模型并且下载到自己的电脑中，然后将晶体管的数据导入到先进设计系统中进行放大器的设计。（b）阅读下载晶体管的数据手册资料，了解各项性能指标，并且用仿真软件进行晶体管的直流特性分析，提取参数。（c）对晶体管进行初步电路设计，使之具有一款射频功率放大器的雏形。（d）对电路进行单音谐波平衡仿真，获得电路的输出功率，功率附加效率，功率增益等性能参数，最后优化电路完成设计要求ADDINNE.Ref.{FA9FA9C5-1DEC-4D8F-A2BC-944DB805EBDF}[17]。晶体管的直流特性分析进行晶体管的直流特性分析，是为了获得它的漏端电压和栅源部分的电压，进一步获取它的静态工作点方便后续的设计。在设计前需要先导入晶体管，进行电路布置，仿真获取数据。最后将晶体管的资料手册上的参数和仿真得到的结果进行综合考虑，得到最终结果ADDINNE.Ref.{CA873219-648D-4ABC-BC02-65BA5172D72E}[18]。即选定漏极直流偏置工作电压为28V，栅源直流偏置工作电压为2.8V,通过静态工作点的曲线可得漏极静态电流为5mA。图5-1晶体管MRF6S27015N的直流特性分析电路图图5-2晶体管MRF6S27015N的直流特性参数曲线偏置网络设计图5-3晶体管MRF6S27015N放大器的偏置电路设计任何一款放大器都需要偏置电路为他提供动力，它的具体功能如下：（1）偏置电路上的电源是为晶体管提供驱动力，同时稳定电压值防止损坏电路元件。（2）在形成直流通路的同时要防止射频信号耦合到直流源，和直流信号进入射频电路。在设计中通常用到四分之一波长传输线，扼流电感和大电容。四分之一波长传输线相当于一个阻抗变换器，在有射频信号时电阻变大相当于开路，有直流信号是电阻变小。扼流电感和电容在有射频信号时相当于开路，直流信号经过时相当于短路，起到了去耦合的作用ADDINNE.Ref.{BAAD5D4F-9E4B-4D60-B36D-6012A1B91D2D}[19]。图5-3是晶体管MRF6S27015N的偏置电路，在输入端扼流电感和四分之一波长传输线串联，两者结合起到了很好的射频信号去耦合作用，在输出端拥有同样的设计，并且在两者之间并连了一个接地的电容，让流经的射频和直流信号滤除，有助于射频信号去耦合。考虑寄生参数的谐波网络设计在逆F类功率放大器中，晶体管存在各种本不应该存在的电容和电阻，使得本该开路的地方存在了电容，本该短路的地方存在了电阻，这些细小的差别会对电路仿真造成一定的影响，要规避这些误差就要考虑到寄生参数的补偿。设计逆F类射频功率放大器最主要的是设计它的谐波控制网络，调节谐波电路可以控制整个射频电路的输出电压电流波形，甚至可以控制它的效率大小，由于晶体管寄生参数的存在，设计谐波电路时也要考虑寄生参数，最终目的是为了达到预期目标，设计出理想的逆F类射频功率放大器。图5-4有源晶体管考虑寄生参数等效电路模型图5-5有源晶体管栅源电压远大于夹断电压等效电路模型和普通的开关型器件不一样，有源晶体管的栅极源极和漏极之间两两之间存在各种电阻和电感，这些寄生参数若被忽略，在设计谐波电路时这些寄生参数会形成干扰项，设计不了想要的电路，不能获得想要的电压电流波形和效率。为了求出寄生参数，把有源晶体管的栅极电压控制在远大于夹断电压，这样沟道电阻短路，跨导为零，栅源电容和栅漏电容并联成电容Cg，此时可以建立图5-5有源晶体管栅源电压远大于夹断电压的等效电路的模型，以此提取等寄生参数。图5-7逆F类功放控制谐波的系统图5-7为逆F类功放谐波控制电路，为实现设计需要短路奇次谐波，开路偶次谐波，获得半正弦波电压信号。由图可知TL13和TL14构成了简单的电路，它用来补偿寄生参数，TL15实现了二三次谐波的相互转换，它的前端结点实现了二次谐波短路，后端结点实现了三次谐波短路，TL19为阻抗变换器，它的波长为四分之一波长，用来隔离射频信号和直流信号。负载牵引法进行负载牵引法的逆F类功率放大器的设计，是对功率放大器的电路设计的一部分，主要目的是提高效率和获得理想的电流电压波形。本次谐波阻抗匹配只对前三次进行谐波进行阻抗匹配。利用load-pull原理图仿真，匹配得到源阻抗值，再次用得到的源阻抗值进行source-pull原理图仿真得到最佳负载阻抗值，再次进行load-pull原理图仿真进而获得最佳源阻抗值，重复上述操作分别进行二三次谐波的最佳阻匹配。如图5-8所示，对晶体管进行基波负载牵引，基本参数设置如图所示，基波负载设为10欧姆。图5-9为逆F类功放的基波源牵引电路图，同样进行上述设置。由图5-10逆F类功放的基波负载牵引数据图可知基波匹配得到的负载阻抗值为1.995+j0.629,输出功率为43.26dBm,PAE值为59.51%。图5-11为逆F类功放的基波源牵引电路图。最后得到最佳基波负载阻抗值为1.995+j0.629，最佳源阻抗值为3.690+j2.001。为了提高功率放大器的效率，在负载阻抗与源阻抗之间还需进行阻抗匹配，最终实现源阻抗值与负载阻抗值互为共轭复数。图5-8逆F类功放的基波负载牵引图图5-9逆F类功放的基波源牵引图图5-10逆F类功放的基波负载牵引数据图图5-11逆F类功放的基波源牵引数据图图5-12逆F类功放的基波负载牵引数据图原理图仿真分析图5-13为逆F类功率放大器的完整原理图，考虑到晶体管的输入与输出端都含有寄生参数，因此在输入与输出端采用相似的微带线结构，在原理图中TL13、TL14起到了对晶体管补偿寄生电感和电容的作用，TL18、TL19则用于调谐功率放大器的二次谐波阻抗，偏置电路更多则采用电容和RFC隔离射频信号和直流信号。此次设计采用微带线设计能够较好的减小输入输出损耗，有助于提高输出功率和效率。如图5-14所示使用ADS仿真模板对逆F类功率放大器进行仿真实验，在仿真过程中准确的设定了它的仿真时的栅漏电压和工作频率。图5-13逆F类功率放大器的完整原理图图5-14逆F类功率放大器单音谐波平衡仿真图5-15逆F