【F类功率放大器设计案例5400字】

F类功率放大器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21048F类功率放大器设计案例 εr耗散因子tanδRO4350B3.480.0037FR44.40.02由于信号在介质中的传输速度随介电常数的降低而增加。且介质层的损耗因子代表介质损耗，该值越小，相应的功耗越低，电路效率越高。因此从表中数据可以看出，RO4350B板更适合高频电路的设计。最终采用罗杰斯的RO4350B型号板材。本文基于ADS仿真软件对整个功率放大器进行研究和设计。CREE公司提供了CGH55030F的ADS模型，利用ADS仿真软件可以直接完成功率放大器的研究和设计，为功率放大器的设计提供了方便。功率放大器设计设计步骤放大器设计时，首先要选取合适的静态工作点，并判断电路的稳定性，其次要设计偏置电路。然后需要进行负载牵引与源牵引，找到在设计频率点处的最佳阻抗。最后，将负载阻抗匹配到牵引出的阻抗。流程如图3.4所示：图3.4放大器设计流程图直流特性分析静态工作点由栅极和漏极两个电压确定。漏极偏压为功放提供直流电能，栅极偏压控制晶体管的导通和断开，对于谐波控制类功放，导通角也决定着谐波分量的大小。根据晶体管数据手册，器件CGH55030F的漏极偏压为28V。搭建直流扫描电路。图3.5直流仿真电路图3.6直流扫描结果如图3.5所示设置栅极电压从-3.5V~-2.8V，漏极电压VDS为0V~30V进行扫描。扫描结果如图3.6所示。当栅极电压为-3.4V时，功放工作在B类。对于谐波控制类功放，通常偏置在深AB态以获得丰富的基波和二次谐波分量。结合数据手册，最终选择28V的漏极偏置电压，-3.2V的栅极偏置电压。偏置电路设计和稳定性分析(1)稳定性分析稳定性是功放正常工作的前提。如果功放不稳定会发生自激震荡，从而损坏晶体管[15]。因此确定静态工作点后，需要进行稳定性分析，当功放的稳定性因子大于1时，即为稳定。在ADS软件中搭建稳定性仿真电路，如图3.7所示。添加StabFact控件，设置好栅极和漏极电压，扫描频率为5-6GHz。由第二章的式(2.33)可知，稳定的条件为k>1。在仿真图中，StabFact控件返回值即为k。仿真结果如图3.8所示，可以看出，功放在5-6GHz的范围内，stabFact>1，即k>1，即在工作频段内是稳定的。图3.7稳定性仿真电路图3.8稳定性仿真结果图当功率放大器工作在非稳态时，可以采取稳定性措施：第一种是在输入端增加电阻或RC并联电路；第二种是在偏置电路中串联电阻。由于功放工作时栅极电流很小，串联电阻对电路的影响不大。但电阻的加入必然会降低电路的性能，因此，在保证电路稳定的前提下，应尽可能选择小的电阻来减小其对性能的影响。(2)电容的选择由于应用于高频电路，需要考虑电容的寄生效应。如图3.9所示，0603封装的1.4pF的电容谐振在5.8GHz，在此频率下该电容可以作为隔直电容。图3.9隔直电容仿真图及结果(3)偏置电路设计偏置电路为功放提供稳定的工作点。实际电路常在偏置电路中并联不同数量级的电容以消除直流纹波，提高电路的稳定性，且可以防止交直流耦合。偏置网络常用的拓扑结构如图3.10所示，第一种适用于低频功率放大器；第二种采用1/4波长微带线和电容组成，既能对基波开路，也能对二次谐波形成短路。因此适用于高频功放。本文设计的功放工作频率点为5.8GHz，属于高频，采用第二种网络结构才能获得更好的性能。(a)电感电容(b)1/4波长微带线与电容图3.10偏置网络图选取微带线的线宽为70mil（线宽决定可承受的电流），特性阻抗约为47.47Ω的微带，则5.8GHz的四分之一波长约300mil。为了节省PCB的空间，选择增加一个90度的倒角，微带线的总长度为300mil。建立偏置电路的仿真环境，如图3.11所示。在反复调整偏置线长度后，最终仿真结果如图3.12所示，在5.8GHz的输入阻抗约1.768*104+j*2.299*103Ω和3.500*103+j*7.057*103Ω，接近开路状态。图3.11偏置电路仿真图图3.12偏置电路仿真结果图晶体管的偏置电路和电路的稳定性验证完成后，需要进行谐波和基波匹配网络的设计，实现功率最大化。晶体管负载牵引和源牵引一般来说，为了实现射频功率放大器的最大功率输出，就要求电路之间满足共轭匹配。此时，就需知道在最佳工作点时晶体管的输入输出阻抗。采用负载牵引法可以找到ZL。(a)负载牵引仿真图(b)源牵引仿真图图3.13负载牵引与源牵引仿真图搭建负载牵引仿真环境，如图3.13所示，设置仿真频率为5.8GHz，输入功率为36dBm，设置好晶体管的漏极和栅极偏压。进行负载牵引仿真时，需反复调整圆心和半径，为防止出现仿真结果不收敛，仿真半径不宜过大。经过反复调整后，在仿真圆心为-0.03+j*0.06，仿真半径为5时，成功使等输出功率和等效率圆的圆心接近重合，得到的最佳负载阻抗为6.763-j*8.789Ω,此时达到最大功率输出时为44.78dBm，最佳效率为62.45%。源牵引与负载牵引相似，最佳输入阻抗为1.810-j*15.483Ω,此时最大输出功率为44.68dBm，最佳效率为62.23%。仿真结果如图3.14所示。(a)负载牵引仿真结果图(b)源牵引仿真结果图图3.14仿真结果图谐波控制网络和匹配电路设计在F类功放的设计中，谐波控制网络的设计至关重要。当找到晶体管输入输出阻抗之后，再根据牵引得到的数据设计输入输出匹配网络。谐波网络用于控制谐波阻抗，谐波控制主要通过短截线实现。为了使发射功率最大化，则要求阻抗共轭匹配。典型的传统F类谐波控制网络如图3.2所示。从前面对F类功放原理的分析可以看出，电流源端到器件端会受到封装参数的影响。因此，器件输出端的二次和三次谐波并非严格地处于短路和开路状态，而是在附近的阻抗点。图中的谐波匹配网络使用π型匹配来控制二次和三次谐波。仿真图如图3.15所示。需将输出阻抗的共轭，即6.763+j*8.789Ω，匹配到标准阻抗50Ω，扫描频率设为5-6GHz。然后，利用史密斯原图进行匹配，ZS*设置为源端口的共轭6.763-j*8.789Ω，匹配频率设置为5.8GHz。匹配过程如图3.16所示。匹配得到电路如图3.17所示，由于此时是理想的传输线，与实际存在偏差，要想得到与实际相近的结果，需要使用实际的微带线仿真。因此需要通过Linecalc工具进行转换。图3.15输出匹配仿真设计环境图3.16Smith圆图匹配过程图3.17理想匹配电路图选择RO4350B作为基底材料。设置介电常数εr=3.48，板厚H=30mil，铜厚T=1.37795mil，损耗因数TanD=0.0037。输入各传输线的阻抗和点角度，即可计算出对应的微带线的长宽。同时，为了模拟微带线的不连续性，使线路拓扑美观对称，需要在原理图中加入连接器件。经过反复调试和优化，最终得到匹配良好的输出匹配网络如图3.18所示。对其进行S参数仿真，仿真结果如图3.19所示。可以看出S(2,1)在5.8GHz频点无限接近于0，即插入损耗非常小。S(1,1)是端口1的反射系数，在5.8GHz时达到-23.778dB的最小值。表明回波损耗很小，且二次谐波近似短路，三次谐波近似开路。虽然三次谐波没有达到无穷大，但仍然可以接受，因为与二次谐波和基波相比，三次谐波对效率的影响很小[21]，由仿真结果可知输出匹配网络满足设计要求。图3.18输出匹配网络图图3.19仿真结果图输入匹配网络的设计方法与输出匹配网络相似，具体的仿真过程在此不再详细描述。输入网络的结构如图3.20所示。通过仿真数据显示其插入损耗S(2,1)无限接近于0。在5.8GHz频率点，反射系数S(1,1)小于-20dB，性能满足要求。仿真结果如图3.21所示。图3.20输入匹配网络仿真图图3.21输入匹配网络仿真结果图F类功率放大器仿真结果原理图S参数仿真设计好前几节的内容后，功放基本已经设计完成，接下来就需要对设计好的电路进行仿真验证，搭建S参数仿真环境，将已经设计好的局部电路组合起来如图3.22所示，形成完整的功放原理图。虽然前几节已经设计好每个部分的电路，但由于电路之间的相互影响，功放原理图还需要多次调节和优化。如果初步仿真后最佳工作点发生了偏移，那么不仅无法达到设计指标，甚至可能产生自激振荡损坏晶体管。图3.22功放整体原理图图3.23整体S参数仿真结果图仿真的结果如图3.23所示，S21为7.605dB,即功放增益为7.605dB,满足设计要求。原理图HB仿真在ADS软件平台建立谐波平衡法(HarmonicBalance，HB)仿真环境如图3.24所示。图3.24HB仿真原理图图3.25HB仿真结果图由于S参数只能仿真小信号情况下的性能，而功放工作在饱和区，因此为了得到准确的功放电路性能参数，还需进行HB仿真验证功放电路在大信号情况下的性能。设置好栅极漏极电压以及输入信号的频率，设置扫描输入信号功率，仿真结果如图3.25所示。可以看出，功率放大器在5.8GHz频点输出功率为44.793dBm，增益为8.793db，此时输入信号为36dBm，增益压缩了1dB，效率大于50%，满足设计要求。原理图与版图联合仿真虽然原理图仿真已经对功放电路进行了精确的分析，但实际电路会受版图参数影响，功放的性能也会有所变化，因此有必要进行原理图版图联合仿真。联合仿真综合考虑了微带线的电磁效应以及布局对实际电路的影响，能够得到更贴近实际的仿真结果。首先将设计好的原理图转化为PCB版图，然后设置好板材参数，并将打包好的PCB版图与电源及其他分立器件相连接，组成了功放的联合仿真电路如图3.26所示，对其进行HB仿真，由于联合仿真考虑了实际情况，因此仿真结果存在恶化现象，经过不断调试优化，最终表现良好的仿真结果如图3.27所示。图3.26联合仿真电路图图3.27联合仿真结果图由仿真结果可知，版图仿真结果略低于原理图仿真，但两次仿真的结果相差不大且变化趋势相同，受版图实际参数的影响，相比理想原理图增益下降了0.6dB，效率下降了6%左右，属于正常的范围内。功率放大器版图设计现在需要将拓扑转换为基于RO4350B的PCB版图。本文利用AD软件对电路布局进行设计和修改，设计过程需要考虑以下内容：(1)严格按照版图联合仿真的结果设置微带线的长宽，避免因为微带线长宽变化引起的最佳工作点偏移。(2)在保证完整功能的前提下，射频电路应尽可能短；确保器件放置正确，在有利布线的情况下，应尽可能紧凑地放置器件。(3)PCB版图需要铺设地，但地线会将射频信号耦合到地，因此在铺设地线时需与射频电路保持距离。(4)在地线与匹配微带线保持距离的情况下，在靠近匹配微带线的地线上打孔，与底部的地线