放大器分析與調(diào)試技巧

1、1 2 目錄 前言 低噪聲放大器的分析 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法 低噪聲放大器的常見(jiàn)故障及解決方法 高頻功率放大器的分析 高頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法 高頻功率放大器的常見(jiàn)故障及解決方法 舉例說(shuō)明高頻功率放大器的調(diào)試技巧 總結(jié) 3 前言 前面講到放大器的分類(lèi)比較多，有低頻的、 高頻的、微波的、高頻放大器又分為低 噪聲放大器、推動(dòng)放大器、高功率放大 器、超線性功放等。在這里，我們主要 對(duì)與我們公司產(chǎn)品相關(guān)的高頻低噪聲放 大器及高功率放大器作一些分析，以便 對(duì)大家今后在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中有 所幫助。（注：我們這里所指的放大器都是指窄帶放大器）。 4 一、低噪聲放 大器的分析 低噪聲放大器顧名思義是指噪

2、聲系數(shù)比較低的放大器，一般用在 通訊設(shè)備的前端（RFE），對(duì)系統(tǒng)起著降低噪聲、提高接收靈敏 度的作用。 基本指標(biāo)要求： 1、頻率范圍：是指放大器所工作的頻率 2、增益（GAIN）：輸出信號(hào)電平與輸入信號(hào)電平的比。 GAIN（dB）=Pout(dBm)-Pin (dBm) 3、噪聲系數(shù)（NF）：輸入信噪比與輸出信噪比的比值 NF=10Lg （ ） NoSo NiSi / / 5 放大器的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)算： Fcas = F1+ + + 4、帶內(nèi)平坦度（Ripple)：通頻帶內(nèi)增益最大值與最小值的差值。 5、輸入、輸出電壓駐波比（VSWR）：傳輸線上電壓最大值與最小值 的比。 回波損耗與駐波比的關(guān)

3、系： 回波損耗 RL=-20Lg|T | 駐波比VSWR = 其中T為反射系數(shù) 1 12 G F 21 13 GG F 321 14 GGG F |1 |1 T T 6 二、低噪聲放大 器的設(shè)計(jì)方法 1、根據(jù)系統(tǒng)要求選擇器件 根據(jù)要求選擇低噪聲管及其它推動(dòng)放大 器、合理分配級(jí)聯(lián)增益、OIP3等。目前 常用的低噪聲管有內(nèi)匹配的MMIC，例如 MACOM公司的AM500XX系列；外匹配 的Aglient的ATFXX系列； 2、輸入、輸出匹配 匹配的最終目的是要滿足各項(xiàng)指標(biāo)：噪 聲系數(shù)、增益、輸入（輸出駐波比）。 常用的輸入、輸出匹配方法有：?jiǎn)沃Ч?jié) 匹配、雙支節(jié)匹配、最大增益匹配、最 佳噪聲匹配、共

4、軛匹配等。 7 3、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 利用仿真軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4、設(shè)計(jì)原理圖和PCB 5、實(shí)驗(yàn)板調(diào)試。 8 例1. 設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲放大器要求： 頻率范圍：820-960MHz 增益：G45dB 噪聲系數(shù)：Nf1.5 帶內(nèi)平坦度：0.2dB 線性功率：P-115dBm 電調(diào)衰減：Att= 31dB (5bit) 9 設(shè)計(jì)過(guò)程： 1.放大器級(jí)數(shù)的考慮：由于常見(jiàn)器件有效實(shí)際增益為11-17dB，故此， 3-4級(jí)方可滿足增益要求。經(jīng)對(duì)比分析我們確定了以下方案： 第一級(jí)：ATF10136 Nf=0.4dB G=13.5dB OIP3=18dBm 第二級(jí)：MSA1105 Nf=4.1dB

5、 G=10.5 dB OIP3=25dBm 第三級(jí)：SGA6586 Nf=2.6dB G=23.8dB OIP3=33dBm 在第二級(jí)與第三級(jí)之間插入數(shù)字電調(diào)衰減器，其數(shù)字電調(diào)衰減器的 最小IL為1.8dB，所以，總增益約為46dB。 10 2.噪聲系數(shù)的計(jì)算：一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)主 要取決于第一、二級(jí)放大管的Nf及Gain， 見(jiàn)以下公式： N F s = N F 1 + ( N F 2 - 1 ) / G 1 + ( N F 3 - 1)/(G1G2)+(NFn- 1)/(G1G2Gn-1) 式中：NFn為第n級(jí)器件的噪聲系數(shù) Gn-1為第n-1級(jí)器件的增益 11 基于產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性考

6、慮，經(jīng)Agilent 的ADS2003A仿真計(jì)算，將第一級(jí)FET優(yōu)化 設(shè)計(jì)成:Nf=0.85dB Gain=13.5dB，經(jīng)以上公 式計(jì)算得出噪聲系數(shù)理論值為1.1dB，滿足 指標(biāo)要求。 3.線性功率考慮：線性功率小，交調(diào)指標(biāo)差， 它將最終影響功放的ACPR值和IM3；但是， 過(guò)分地要求加大P-1，將增加電流消耗，降 低了設(shè)備的可靠度，同時(shí)提高了造價(jià)，綜 合考慮諸多因素，SGA6586比較合適。 5bit電調(diào)衰減器選用Hittite公司的 HMC273MS10G。 其它參數(shù)如頻率、平坦度等由軟件設(shè)計(jì)，再 經(jīng)調(diào)試即可達(dá)到要求。 12 三、低噪聲放大器的常 見(jiàn)故障及解決方法 1、無(wú)增益或增益異常

7、導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：電路虛焊、耦合電 容損壞、供電不正常、某一放大器損壞、 低噪聲管匹配電路異常。 解決方法：檢查主放大電路、測(cè)試各級(jí)放 大器的供電電壓和偏置電壓、檢查低噪 聲管的匹配電路。 2、噪聲偏高 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：低噪管輸入匹配異 常、低噪聲管供電異常。 解決方法：檢查低噪聲管的匹配電路、檢 查低噪聲管供電電路 13 3、OIP3偏低、互調(diào)差。 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：末級(jí)放大管工作不正 常、供電電路不正常。 解決方法：檢查末級(jí)放大器的電路、檢查各 級(jí)放大器的供電電路。 4、數(shù)控衰減不正常 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：數(shù)控衰減器電路異常、 數(shù)控衰減器接地不良、數(shù)控衰減器供電不 正常。 14 四

8、、高功率放 大器的分析 高頻功率放大器通常是指輸出功率大于幾 十毫瓦以上的高頻放大器，主要用作功率 放大，一般用在通訊系統(tǒng)的發(fā)射末級(jí)，與 雙工器及天線相連。 基本指標(biāo)要求 1、頻率范圍：是指放大器所工作的頻率 2、輸出功率（Pout)：功放要求設(shè)計(jì)的輸出 功率、是功放各項(xiàng)指標(biāo)要求的前提。 3、1dB 壓縮點(diǎn)的輸出功率（P-1)： 1dB 壓 縮點(diǎn)的輸出功率是指功率放大器增益壓縮 1dB 時(shí)的輸出功率。 P-1是衡量功率放大 器線性的一個(gè)重要指標(biāo)之一。例如：我們 公司功放產(chǎn)品中CPA40D中所說(shuō)的 MRF9180，180指的就是末級(jí)管P1是 180W。 15 4、增益（Gain）：額定輸出時(shí)，輸

9、出信號(hào)電 平與輸入信號(hào)電平的比值。 5、三階互調(diào)抑制（IMD）：在額定輸出時(shí)， 三階互調(diào)產(chǎn)物與基頻信號(hào)的比值，是測(cè)量 功放線性度的常用指標(biāo)。 6、鄰信道功率比（ACPR）：功放對(duì)鄰信道 的雜散與主信號(hào)的比值，是衡量功放線性 度的又一重要指標(biāo)。 7、帶內(nèi)波動(dòng)（RIPPLE）：在額定輸出時(shí)， 工作頻帶內(nèi)最大值與最小值的比。 8、輸入（出）駐波比（VSWR）：傳輸線上 電壓最大值與最小值的比 16 9、噪聲系數(shù)：功放輸入信噪比與輸出信噪比 的比值，由于功放作為系統(tǒng)發(fā)射末端，對(duì) 噪聲系數(shù)的要求并不是很高，通常要求功 放的噪聲系數(shù)小于8在dB即可。 10、功放效率：在額定輸出時(shí)，功放輸出功 率與電源輸出

10、功率的比值，是衡量放大器 將直流電源轉(zhuǎn)換成信號(hào)功率的能力。 17 五、高功率放大 器的設(shè)計(jì)方法 由于高功率放大器輸出的信號(hào)比較高，不能 象小信號(hào)放大器一樣利用S參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真 計(jì)算，因此，通常采用的方法有：甲類(lèi)逼 近法、阻抗匹配法、諧波平衡法、負(fù)載牽 引法等，最常用的方法是阻抗匹配法和諧 波平衡法，以下僅對(duì)阻抗匹配法作簡(jiǎn)要介 紹： 1、根據(jù)系統(tǒng)要求選擇器件 首先要根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，選用前級(jí)、末 級(jí)、推動(dòng)級(jí)放大管，是方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 18 2、計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)及各級(jí)指標(biāo)分配 計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)及各級(jí)指標(biāo)分配，這一步很 關(guān)鍵，是方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 3、功能電路的設(shè)計(jì) 功能電路包括：功放開(kāi)關(guān)電路、功率檢測(cè) 電路

11、、駐波檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、溫 度檢測(cè)電路及溫度補(bǔ)嘗電路等。 功能電路設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的可生產(chǎn) 性及可操作性。 19 3、放大器的仿真、計(jì)算 由于放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)下，只能 測(cè)試其大信號(hào)下的輸入、輸出阻抗，通 常情況下，我們要利用其輸入、輸出阻 抗進(jìn)行仿真計(jì)算。常用的CAD軟件有： Agilent公司的ADS、ANSOFT公司的 SERENDER 4、放大器的輸入、輸出匹配 目前使用的大功率放大管以外匹配的 LDMOS及FET Ga As為主，所以放大管 的匹配是功放電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)工作 之一。 20 5、設(shè)計(jì)原理圖及PCB文件 原理圖和PCB設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的成果，一個(gè) 好的PCB設(shè)

12、計(jì)能決定一個(gè)方案的成敗。 6、制板、實(shí)驗(yàn)板調(diào)試 制板及調(diào)試是方案設(shè)計(jì)的后期工作，是方 案設(shè)計(jì)的驗(yàn)證階段。 7、例行實(shí)驗(yàn)及可靠性分析 例行實(shí)驗(yàn)包括高低溫實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、高 溫老化、EMC等，是常用的可靠性的分析 方法。 21 六、低噪聲放大器的常見(jiàn)故障及解決方法 1、功放無(wú)輸出、電流很大 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：自激、電源短路， 解 決方法：檢查電源是否短路 2、功放無(wú)增益或輸出很小、電流正常 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：主放大電路高頻短路、 耦合電容虛焊或損壞、某級(jí)放大器損壞。 解決方法：先檢查放大電路是否有高頻短路、 耦合電容是否有虛焊、再查看各級(jí)放大器 偏置電壓是否正常。 22 3、增益偏小 導(dǎo)致這種

13、現(xiàn)象情況有：放大電路耦合電容不 良、某級(jí)放大器性能不良、供電不正常、 隔離器損耗大、匹配電路不正常等。 解決方法：檢查每一級(jí)偏置電壓和匹配電路 是否正常、如果正常，使用開(kāi)口電纜分別 測(cè)試每一級(jí)的增益。 4、三階互調(diào)高、ACPR差 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：末級(jí)或推動(dòng)級(jí)靜態(tài)工 作點(diǎn)不正常，末級(jí)輸入、輸出匹配電路不 正常。 解決方法：檢查各級(jí)偏置電壓及靜態(tài)電流、 檢查匹配電路是否異常。 23 5、電流偏大、效率低 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高、匹 配電路不正常、隔離器損耗大。 解決方法：檢查各級(jí)偏置電壓及靜態(tài)電流、 檢查匹配電路是否異常。放大器輸出端、 隔離器是否正常。 6、功放增益偏小，功率上不

14、去，但電流很大 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：功放自激 解決方法：首先檢查哪一級(jí)自激、檢查相應(yīng) 的供電電路和匹配電路是否有異常。 24 7、前向（反向）功率檢測(cè)不正常 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：耦合器短路、檢波器 或檢波電路不正常。 解決方法：耦合器是否短路、檢波電路是否 正常。 8、駐波比偏大 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：隔離器駐波差 解決方法：更換隔離器 25 七、舉例說(shuō)明高頻 功率放大器的調(diào)試技巧 下面我們以我公司的移動(dòng)系列功放 GXDPA40D為例分析我們?cè)谏a(chǎn)調(diào)試過(guò)程 中所遇到的問(wèn)題及常用的解決方法： 指標(biāo)要求： 工作頻率 ： 930MHz960MHz 增 益 ： 501dB 增益平坦度： 1dB 輸出功率

15、： 41.5dBm 雙音互調(diào)（IMD）： - 53dBcPout=41.5dBm 26 噪聲系數(shù) ： 8dB 輸入駐波比 ： 1.4 輸出駐波比 ： 1.25 靜態(tài)電流 ： 1.8A 額定輸出電流 ： 4.0A 工作溫度范圍： -25 65 27 原理框圖： 信號(hào)輸入 信號(hào)輸出 AG602 MRF9030 MRF9060 溫度補(bǔ)嘗功放開(kāi)關(guān) 輸出功率檢測(cè) 反向功放檢測(cè) 溫度檢測(cè) 電源+27v Lm2576 MRF9060 APD 增益調(diào)節(jié) 78L09 AH1TEM-ATT 28 原理說(shuō)明 GXDPA40D功放采用四級(jí)放大，第一級(jí)為AG602，第二級(jí)為AH1， 此兩級(jí)為內(nèi)匹配管，無(wú)需調(diào)試；第三級(jí)為

16、MRF9030L，第四級(jí)為 兩個(gè)MRF9060L推挽放大，此兩級(jí)的輸入輸出均需匹配。 在控制和監(jiān)控方面設(shè)有輸出功率檢測(cè)電路、反射功率檢測(cè)電路和 溫度檢測(cè)電路。功放單元采用單電源供電，27V電源經(jīng)過(guò)濾波后 直接給MRF9030L和MRF9060L漏極供電，另一面通過(guò)轉(zhuǎn)換效率高 的集成開(kāi)關(guān)電源模塊（LM2576-12）轉(zhuǎn)換到12V，再通過(guò)各種調(diào) 整穩(wěn)壓IC提供相應(yīng)的電壓給各部分供電。功放單元還結(jié)合 LM2576-12的輸出可控功能，設(shè)有功放工作使能開(kāi)關(guān) 29 調(diào)試說(shuō)明 1、檢查焊接工藝，無(wú)虛焊，短路。 2、用萬(wàn)用表測(cè)試各模塊供電是否有對(duì)地短路。 3、 斷開(kāi)JP5、JP10。 4、 接通27V電源，

17、電流表的讀數(shù)為14020mV,測(cè)試各靜態(tài)工作電 點(diǎn)電壓，各IC供電正常。 5、調(diào)節(jié)VR3，使U4柵壓為2.0V；調(diào)節(jié)VR4、VR5，使U11、U12柵壓 均為2.0V 30 6、調(diào)節(jié)VR1使電感L3的電壓為0.5V。 7、調(diào)節(jié)VR2使電容C11的電壓為3V。 8、校好儀表，正確連接，焊接好JP5，調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)VR3,使U4的靜 態(tài)電流為220mA(柵壓為3.7V左右) ；焊接好JP10,調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié) VR4 、VR5,使U12、U11的靜態(tài)電流分別為700mA(柵壓為3.9V左右) 和500mA(柵壓為3.85V左右),關(guān)斷電源 。 9、連接好測(cè)試電纜,將輸入信號(hào)設(shè)為-20dBm,上電測(cè)試

18、,逐步加大輸入 信號(hào),測(cè)試該模塊的技術(shù)指標(biāo)。調(diào)節(jié)C83的位置可改善IM3。調(diào)節(jié)C84、 C85可改善帶內(nèi)波動(dòng)時(shí)，在高低端時(shí)的互調(diào)均應(yīng)滿足指標(biāo)?；赝藭r(shí) IM3無(wú)反彈。 31 10、調(diào)節(jié)APD(VR1)， 聯(lián)調(diào)各級(jí)靜態(tài)點(diǎn)，使指標(biāo)最優(yōu)。調(diào)節(jié)VR2，使增益 為50dB。 11、在頻帶內(nèi)的高低端選擇頻率點(diǎn)，重復(fù)測(cè)試IMD指標(biāo)。 12、使輸出為40dBm，測(cè)試DB15F的5腳的電壓為70020mV，若不在此范 圍內(nèi)，調(diào)節(jié)R32、R28、R29組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電平， 使功放的輸出功率為30dBm，測(cè)得電壓在50020mV。 13、斷開(kāi)輸出端，加信號(hào)使輸出為40dBm，測(cè)得DB15F的6腳的電壓

19、為 70020mV，若不在此范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)R24、R25、R30組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。 調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電平，使功放的輸出功率為30dBm，斷開(kāi)輸出端，測(cè) 得電壓在50020mV。 14、測(cè)試DB15F的15腳電壓為0.800.1V(常溫，功放沒(méi)有發(fā)熱的情況下) 32 八、常見(jiàn)故障及解決方法 1、電流大（短路） 用萬(wàn)用表測(cè)得27V供電有對(duì)地短路現(xiàn)象，分別斷開(kāi)JP4、JP9測(cè)試U4、U11、 U12的輸出端有無(wú)對(duì)地短路，若無(wú)則為公共部分有短路的元件，需逐 個(gè)判斷。 2、功率管工作不正常(弱自激) 關(guān)閉后兩級(jí)功放管柵壓時(shí)功放的電流為14020mA,若偏大（幾十毫 安），測(cè)試U1輸出端電壓,如果為5V0.1V則正常,要查找各IC（U3、 U7、U8、U14、U15、U19）工作是否正常。 在