射頻功率放大器的設(shè)計(jì)流程

1、射頻功率放大器的設(shè)計(jì)流程ft$廖(甘忻(2單向優(yōu)林黠1*12.1D放大潛設(shè)計(jì)滝建2.1.1晶休管逸唱&LDMOS晶體詩晶體管是放大器的棧心罟件它的性能根大程度上影響整個(gè)放大昜的性能.所以放大器設(shè)計(jì)第一卅”就足婪根據(jù)所設(shè)計(jì)放大器的卷數(shù)耍求、用途丿女尺寸零筒求采選擇杵適晶休背。不同的品休管廳具齊門的優(yōu)銀乩所以品怵洋的合珅選熨是議計(jì)液大器的星礎(chǔ)晶體管的星本分類赤第偉已經(jīng)介紹.這里不再毘述.此處只詳細(xì)介紹后文中將要用到的LDMOS晶體管.LDMOS又稱橫向或側(cè)而擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體，屬于第一代硅基半導(dǎo)體，與20世紀(jì)90年代初.由摩托羅拉半導(dǎo)體部（如今的E思E爾半導(dǎo)體）研制的1內(nèi)。11LDH0S

2、體管內(nèi)構(gòu)及飛鼻卡爾公司的LWWS月體育LDMOS晶體管與傳統(tǒng)的BJT管相比，它的使用頻率更高，擊穿電壓更大，具有更高的功率容雖，同時(shí)其導(dǎo)通電阻小，開關(guān)特性良好，而且增益比BJT高69dB.由F其具有自動(dòng)均流的特性,不像BJT那樣容易在集電極形成電流局部的熱點(diǎn),所以在使用中不易損壞。同時(shí)由此特性，其飽和區(qū)部分比BJT緩和，因此具線性度更好,動(dòng)態(tài)范圍更寬.在封裝上，LDMOS芯片直接封裝在村底上中間不使用任何隔離層，源極與接地Z間有良好的接觸，所以其導(dǎo)熱性能更好，器件使用壽命也更長.當(dāng)然，LDMOS也仔一定的缺點(diǎn)，比如，其功率密度不高，當(dāng)功率容雖:相近時(shí),LDMOS晶體管的體枳比BJT管的休枳大。

3、同時(shí)，LDMOS晶體管更容易受到靜電的損害。總的來說，LDMOS晶體管相比FBJT具仔髙增益、髙線性度、髙功率容雖和髙可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)，相比第三代半導(dǎo)體制成的晶體管，其價(jià)格也伺一定優(yōu)勢.具有更高的性價(jià)比.因此，它一出現(xiàn)，便逐漸JU代BJT,廣泛應(yīng)用到各類射頻無線通伯系統(tǒng)當(dāng)中.直流偏置選擇好了合適的晶體管，笫二步就需要對晶體管進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的分析設(shè)計(jì).對晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的分析就是要利用晶體管在直流工作狀態(tài)下的輸出特性曲線來設(shè)迓合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，不同的工作狀態(tài)或不同類型的放大器對靜態(tài)點(diǎn)的選擇各不相同，并且晟終通過不同的直流偏宜電路來實(shí)現(xiàn)。好的偏St電路都需要具備以下兒個(gè)條件：（I）選擇合適的靜態(tài)

4、工作點(diǎn).<2）靜態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定.不隨晶體管的參數(shù)或者環(huán)境溫度變化而變化。<3）在帶外的低頻端電路的設(shè)計(jì)要便晶體管穩(wěn)定工作，不能起振。<4）偏宜電路不能彫響放大器的增益或引入噪聲。<5）偏jg電路與射頻電路Z間耍仃良好的隔離，盡量減小兩者的相互彫響。VDS圖2.12某m體管直掃描曲找前四點(diǎn)在低頻模擬電路31中已仔介紹.這里對第五點(diǎn)作簡耍說明.由于射頻電路的工作頻率（2經(jīng)達(dá)到相當(dāng)雖級，瓦具仃與低頻電路所不同的一些特點(diǎn)，所以就要保證直流通路與射頻通路的止確連接，要確保忙源端向負(fù)載傳輸?shù)纳漕l佇號不會泄露，同時(shí)又要消除直流創(chuàng)號對射頻佇號幅值的形響。為了達(dá)到射頻通路與直流通路的隔離，通常

5、便用以卜方法：（1）在直流源與射頻電路之間連接一個(gè)電感，即通常所說的射頻扼流圈（RFC）.使用鐵氧體小環(huán)便可實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的射頻扼濟(jì)圈。<2）在直流源與射頻電路之間連接一個(gè)四分之一波長阻抗變換器.其變換段的特性阻抗Zo應(yīng)很高（即Zo»I），使其對射頻怕號產(chǎn)生一個(gè)很高的阻抗以防止射頻伯號泄漏到直流通路。（3）將一個(gè)大電容作為負(fù)載接在四分Z波長變換器的終端，便可能泄漏到直流電路中的射頻估號短路而對直流付號來看，該電容可以便其開路，阻止直流信號進(jìn)入射頻通路"I通常在放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中會綜合利用以上三種方案，既可以保證直流電路與射頻電路的良好隔離，乂可以保證放大器的止常工作.匹配

6、電路設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析由流程圖看出.雖然器件的S參誼、穩(wěn)定性分析和偏置電路設(shè)計(jì)在匹配電路設(shè)計(jì)Z前，但是實(shí)際應(yīng)用中通常將它們一塊進(jìn)行設(shè)計(jì).因?yàn)樗鼈兿嗷ビ绊?。通過s參鼠的分析指導(dǎo)匹配電路設(shè)計(jì).同時(shí)匹配電路與偏宜電路部分器件可以等效、合并，從而簡化電路，所以將它們一并進(jìn)行設(shè)計(jì)足比較合理的。半然，設(shè)計(jì)好Z后的電路穩(wěn)定性同樣分重要.在仃當(dāng)中已經(jīng)詳細(xì)介紹了穩(wěn)定性的判別方法.匹配電路的設(shè)計(jì)分為以下步驟：（1）分析得到器件偏辻條件下的S參數(shù)。（2）滿足絕對穩(wěn)定判據(jù)則進(jìn)入步驟（3）,不滿足則在Smith圓圖中畫出輸入輸出穩(wěn)定判別圓.（3）確定輸入輸出反射系數(shù)in和廠OUT。（4）設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路。笫（1）、（

7、2）步驟在節(jié)己有介紹，這里不再復(fù)述.完成以上步驟后就要確定輸入和輸出的反肘系數(shù)。參照圖2.10,不同類型的放大器對輸入輸出阻抗的耍求孑不相同，常用的仃最大埔益、用小噪聲設(shè)計(jì)及晟大輸出功率設(shè)計(jì).<1）晟大增益設(shè)計(jì)：匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出端分別與晶休管的輸入輸出端都共純匹配，即r；v=rv,rT=rf共純匹配狀態(tài)下，晶體管既能從怙源處獲紂晟大功率，又能輸出最大功率給負(fù)載。<2）最小噪聲設(shè)計(jì):對于低噪聲放大25（LowNoiseAmplifier.LNA）的設(shè)計(jì),通常要首先考慮噪聲影響，而增益最大時(shí)并非噪聲最佳所以礙要在增益和噪聲Z何作一個(gè)權(quán)衡和綜合的考慮。晟小噪聲設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮噪聲的響.在輸

8、入級通過甘等噪聲圓分析，得出噪聲晟小時(shí)的反射系數(shù)卩”八將此反射系數(shù)作為晶體管的輸入反射系數(shù)與匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端匹配，此時(shí)輸入端噪聲系數(shù)最佳.輸出琳做晟大增益匹配，令巧切=£使得增益最大，如圖2.13所示，截而1處晟小噪聲匹配，截而2處共馳匹配。巧,”匹配到rrr.1r9F7L/.Vr1rLOITILL11<四配網(wǎng)絡(luò)<-1u1晶體符1u四配網(wǎng)絡(luò)<負(fù)我11圖2.13加小噪聲設(shè)計(jì)（3）最大輸出功率設(shè)計(jì)：功率放大器的U的是以獲得最大輸出功率為上，但由于其在大苗號狀態(tài)下工作，電流幅度大，工作區(qū)域會進(jìn)入飽和區(qū)，是一種不完全線性的工作狀態(tài).在這種情況下，如果輸入輸出端共軌匹配，隨著晶

9、體管進(jìn)入非線性區(qū)，輸入輸出端就逐漸失配，此時(shí)功率放大器就無法得到晟大的輸出功率所以耍達(dá)到戰(zhàn)大輸出功率，就要恨據(jù)晶休管輸入輸出阻抗的變化，不斷調(diào)節(jié)輸入輸出端阻抗.找到讓晶休管輸出功率辰大的輸入輸出匹配阻抗即晶體管輸入輸出端都找到最佳的反射系敵rorr.和rOPT2巧”匹配到匚巧”匹配到匚r*4R卩”匹配到匚r；匚源匹配網(wǎng)烙Q1U1JIU1匹Z網(wǎng)絡(luò)負(fù)栽11圖2.11誠大輸出功率設(shè)計(jì)功率放大器的設(shè)計(jì)一般都便用最大輸岀功率匹配設(shè)計(jì).本文也不例外.為了找到國佳的輸入輸出阻抗，就必須實(shí)時(shí)變化負(fù)載及源阻抗.并對輸入輸出功率做實(shí)時(shí)的測氐完成此項(xiàng)工作的晟常用方法的是負(fù)載牽引(LoadPull)及源牽引(SourcePull)的方法.負(fù)載牽引與源牽引是用來決定最佳輸入輸出阻抗值最帝確的方法，用途分廣泛，后文中將對此方法做詳細(xì)的介紹。當(dāng)很據(jù)設(shè)計(jì)LI標(biāo)得到合適的匹配U標(biāo)阻抗