案例17-功放設(shè)計-5功率放大器

...................................................2AWR軟件簡 DOHERTY功率放大器設(shè)計理 基于MICROWAVEOFFICE的DOHERTY功放設(shè) 設(shè)計目 器件選 Carrier放大 直流工作點掃 負載牽 匹配電路設(shè) Carrier放大器的整體仿 Peaking放大 InputPower DOHERTY功放 溫補偏置和電源電路設(shè) 總 本文主要介紹了高效率ety微波功率放大器的仿真和設(shè)計方WR公司的Micoaveice微波電路設(shè)計套件對etyWR軟件的MRCT和XIM平面電磁仿真求解器對匹配電路進行電磁抽?。∕）仿真可以給出更可靠的結(jié)果。關(guān)鍵字：Microwave Doherty微波功率放大器EM仿AWR軟件簡AWR公司是全球射頻/微波電子設(shè)計自動化(EDA)工具的領(lǐng)先供應(yīng)商與行業(yè)領(lǐng)跑者，其EDA產(chǎn)品廣泛用于，通信系統(tǒng)和其他無線通信電子產(chǎn)品的設(shè)計與仿真。AWR公司軟件主要為射頻集（MCM，印刷電路板(PCB)及光電市場所應(yīng)用。AWR公司提供了一套完整的EDA軟件解決方案，真正簡化了產(chǎn)品的概念、仿真到生產(chǎn)的整個流程AWR公司的軟件主要包括MicrowaveOfficeogOfficeVisualSystemSimulator、AXIEM和yst。Micowaveice?Micowaveice獨特的構(gòu)架無縫整合了WR強大的創(chuàng)新頻設(shè)計工作更快速和簡便。從設(shè)計輸入（原理圖與版圖，通過諧波平衡和時域仿真來綜合、優(yōu)化，電磁提取和驗證，Micowavefice軟件充分展示了射頻/微波設(shè)計的未來趨勢。isualystemiulato?S)為復(fù)雜的通信系統(tǒng)提供了WR的旗艦射頻/微波設(shè)計套件MicrowaveOffice?一樣，VSS也建立在AWR獨特的ogOffice?在一個單機解決方案里為射頻集成電路與模擬集成電路的設(shè)計者們提供了一個易于使用活而又精確的設(shè)計ogice軟件獨特的構(gòu)架可控制和無縫地集成最佳的工具來實現(xiàn)從系統(tǒng)級到流片的整個設(shè)計流程：原理圖設(shè)計，綜合，仿真，優(yōu)化，版圖，提取，射頻集成電路的驗證以及模擬設(shè)計。XM?三維平面電磁（M）是開邊界的、基于矩量（MoM度、高速度的計算。無論是對射頻印刷電路板和模塊上的無源器件，XIM射頻和微波電路設(shè)計主要應(yīng)用MicrowaveOffice設(shè)計套件，MicrowaveOffice的特色統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫：面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫直接與內(nèi)核同步，而不需要通過許多層軟件。強大的第工具整合能力：AWR設(shè)計環(huán)境允許用戶就每一項工作選擇最好的第工具，并無縫整合到AWR軟件中。ALC高頻電路仿真技術(shù)經(jīng)過了十余年a手ALC行協(xié)作的諧波平衡分析，多速率諧波平衡分析和瞬態(tài)/時域仿真。強大的PC引擎提供了專門為諧波平衡分析的高效仿真器和對大規(guī)模超非線性RC設(shè)計的時域仿真器。（C使用基于版圖的模型對電路進行提取-自動從版圖中對傳輸線進行識別并把這些結(jié)構(gòu)分解為現(xiàn)有模型，從而極大減少了對復(fù)雜互XIM三維平面電磁技術(shù)將精確快速的電磁分析引入射頻集成電路并使用電磁分析對設(shè)計進行檢驗。XM專為三維高頻平面元件（集成電路、天線和印刷電路板）電磁接口：AWR的電磁接口可以在不離開MicrowaveOffice設(shè)計環(huán)境的情況下將流行的電磁軟件：如Sonnet等工具整合到AWR自動化技術(shù)：智能網(wǎng)絡(luò)（iNet）專為射頻設(shè)計而設(shè)計的實時快速的互連線布線技術(shù)，類似數(shù)字電路中的時延驅(qū)動與連線驅(qū)動的設(shè)計概念。MicrowaveOffice設(shè)計規(guī)則校驗/版圖電路圖一致性檢查允許您連接到：MentorGraphicCalibreICED等工具進行版圖驗證多PDK技術(shù)可對集成電路（IC，封裝（Package）和印刷電路（PCB）進行同支持射頻和微波器件的非線性行為AWR的端對端射頻通信系統(tǒng)VisualSystem及電路包絡(luò)仿真工具無縫連（IFITER展了MicrowaveOffice的應(yīng)用范圍。Doherty功率放大器設(shè)計理當前的通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)容量和頻譜利用效率多采用（RClassB類功率放大器，在飽和工作狀6dB時效率只有20~30作效率成為功放技術(shù)研究的又一熱點。ety功放因其結(jié)構(gòu)簡單，Doherty功放的原理框圖如圖1所示Doherty功放由InputSplitter（Wilkinsonpowerdivider或者branchlinecoupler、OutCombinerCarrier放大器和一只Peaking放大器組成。通Carrier放大器工作在AB類狀態(tài)，而Peaking放大器工C類狀圖 Doherty功放原理框ety功放原理是應(yīng)用有源負載調(diào)制原理，動態(tài)改變Caier和eakingCaier放大器提前進ety（功率回退狀態(tài)下可以保持高效率線性工作。Doherty功放的Carrier和Peaking放大器電流和電壓工作特性曲線和負載調(diào)制特性如圖2所示。a中，在???????2輸入點（功率回退6dB點Carrier放大器電壓飽和Peaking放大器開啟之后Carrier放大器電壓維持在飽和狀態(tài)，最終Carrier和Peaking放大器同時達到飽和電平，輸出峰值功率。圖b中給出了Doherty功放負載調(diào)制特性，CarrierPeaking放大器負載阻抗（ZCZP）隨輸入功率的變化過程。Z2Z0@

,Z

@ZZ @ ZZDoherty功放的工Doherty功放的工作狀態(tài)通?？蓜?個區(qū)域，低功率、率和高功率區(qū)在低功率區(qū)域（??????<0.5，Peaking功放處于關(guān)斷狀態(tài)，只Carrier放大器工作，Carrier放大器工作性區(qū)域在率區(qū)（0.5?????<功率回退區(qū)域eaking功放開啟時刻，利用有源負載調(diào)制機制，使得Caier放大器的終端阻抗變?yōu)?00歐姆Carier放大器提前進入飽和狀態(tài)（負載電壓達到飽和等于VDC提高了CariereakingCarier和eakingCaier放大器負載電Caier放大器負載電壓保持恒定，使得Caier放大器可以保持很好的線性度。整個erty功放的輸出負載電壓（eaking放大器輸出電壓）與Carrier放大器的輸出電流成正比，Peaking放大器的非線性理論上對Doherty功放輸出的線性沒有影響，Doherty功放輸出的線性度只與Carrier放大器的線性度有關(guān)，但由于工作在C類狀態(tài)的Peaking放大器的非線性和負載調(diào)制的非理想性，使得Doherty功放的線性并非那么理想但在功率回退區(qū)域仍然要比傳統(tǒng)的AB類的1.0值輸出功率狀態(tài)，此時Peaking放大器達到飽和狀態(tài)，Carrier和Peaking放大器的工作狀態(tài)相當于傳統(tǒng)平衡式放大器中的放大（飽和狀態(tài)基于MicrowaveOffice的Doherty功放設(shè)設(shè)計目標：高效率WCDMADoherty功工作頻段輸出功率：????????=46??????，PEP>增益：>15dB±效率：>LDMOS功率管性能優(yōu)異和價格低廉，其較高的性價比成為WCDMA功放設(shè)計的首選器件。鑒于以上設(shè)計需求，射頻功率管我們選取FREESCALE公司的MRF7S21080N溝道增強型LDMOS。該器件是FREESCALE公司專門為2.1GCDMA應(yīng)用而設(shè)計的，適用于CDMA和多載波功率放大器應(yīng)用。該器件的主要性能：測試條單載波WCDMA號PAR=7.5????@0.01%????????,帶寬3.84MHz,器件工作在AB工作狀態(tài)??????=28??，??????=800????。工作頻功率增漏極效器件輸出信號PAR：6.5????@0.01%輸出功率：????????載波輸出功率：??1????>80??配造成的高達10:1的駐波比，不易損壞，可靠性較高。該器件的大信號模型可以從FREESCALE公司的獲取Carrier經(jīng)典Doherty功放結(jié)構(gòu)中，CarrierPeaking放大器采用相同的功率器件，只是偏置和工作狀態(tài)不同。下面我們主要介紹Carrier大器的設(shè)計Carrier放大器工作在AB類工作設(shè)計主要包括偏置電路、利用軟件的IVCURVE掃描控件對器件進行直流工作點掃描來確定器件的工作流工作點掃描原理圖和器件的轉(zhuǎn)移特性曲線如3示,我們選取的工作點為??????=2.76??，??????28??，??????=811????（tip：在標定maker點時，可以利用makersearch功能進行快速定IVCurve()[1,X](A)p1:Vswp=2850-012345VoltageIDTSNKTEMPIDVSWEEP_start28VSWEEP_stop28VSWEEP_step28VSTEP_start0VSTEP_stop5VSTEP_step0.1

RTH-CTH-

TEMP2D IDSVarName ValuesUnitTypeXoXo...Swpload-pullscipt功能來進行負載牽引獲得最優(yōu)負載阻抗。這時我們可以通過對比datasheet中給出的負載牽引阻抗值和WR負載牽load-pullWR軟件loadpull給出的結(jié)果與datasheet中給出的值吻合的應(yīng)進行單音和雙音的驗證源阻抗和負載阻抗的有效（M3）的源阻抗，線性度與效率是一對。利用MicrowaveOffice進行負載牽引的過程首先進行大信號諧波平衡仿真，獲取器件的大信號輸入阻ZS1將源阻抗設(shè)為上面得ZS1，進行負載牽引，獲取輸出功率和效率最高的負載阻抗點ZL1。將負載阻抗設(shè)為ZL1，仿真計算此時的器件的大信號輸入阻抗ZS2。ZS1與ZS2會略有不同，是由于晶體管反饋造將源阻抗設(shè)為ZS2，再次進行負載牽引，獲取輸出功率和效率最高的負載阻抗點ZL2若此時負載牽引的結(jié)果收斂的話，等功率圓和等PAE圓與前面得到的結(jié)果會相差不多，ZL1和ZL2的值也會比較接近。若上面的負載牽引結(jié)果收斂，則負載牽引結(jié)束，否則應(yīng)繼重復(fù)上面的步驟直到結(jié)果收最后利用ZL2，再仿真計算器件的大信號輸入阻抗ZS3,通常ZS3ZS2相差不多。最終我們獲得源阻抗和負載阻抗值為ZL2和ZS3。此時通過與datasheet比較可以驗證器件模型和諧波平衡仿真器件大信號輸入阻抗的原理圖和仿真結(jié)果如圖所示

InputMatchSwpMaxInputMatchSwpMaxLargeSignalInputConjugateofLargeSignalInput2060r3.04526x-9.293062140r4.89633x-11.50632200r7.90593x-14.0276SwpMin

& RF&

DG

DC

4負載牽引仿真原理圖和等功率、等PAE圓如圖5所示

SwpSwp49r42658x-438458r4.86665x-3.44887Swp0

5利用軟件的HBTUNNER2控件和loadpullscript功能設(shè)置負載在圓圖上的掃描區(qū)域，可以得到一組等功率圓PAE圓，從圖中找出對應(yīng)最大功率和PAE的點即為我們需要的負載阻抗點。使得50歐姆系統(tǒng)阻抗匹配到器件的最優(yōu)源阻抗和負載阻抗。匹配電路的設(shè)計可以借助軟件的IITR濾波器綜合工具中的MCH工MCHMCH得到WR設(shè)計環(huán)境中進一步優(yōu)化。輸入匹配電路原理圖和版圖如圖6所示。版圖中，直流部分是利iNet畫出的，iNet是一種實時快速的互連線布線技術(shù)，利用iNet可以進行復(fù)雜的多層布線，軟件自動添加過孔iNet畫出的直流走線部分可以用ACE（自動電路抽取技術(shù)）或者EM仿真來建模。

6ACE采用耦合傳輸線模型來計算互耦，而不是進行電磁仿真，求解速度快，可以用于前期設(shè)計，最后再做EM驗證。匹配電路和偏置線中的bend和轉(zhuǎn)MTRACE2傳輸線模型添加的，MTRACE2簡化了復(fù)雜版圖的建模以直接在版圖中修改走線的形式，MTRACE2的原理圖中包含了這些bend和轉(zhuǎn)彎的信息。CE對版圖中由iNet繪制的直流走線進行自動抽取建模，再利用自動電磁抽取功能(MXRCT)CE抽取出的版圖和等效模型如圖7所示。7ACEiNet匹配電路和偏置線部分的M抽取結(jié)果如圖8所示。由iNet繪制的走線還可以利用M8中還給出了用全M抽取9M抽取的仿真結(jié)果，虛線為CE和M協(xié)同抽取的仿真結(jié)果。C技術(shù)建模的準確性。8EM---9輸出匹配電路原理圖、版圖如圖10所示10---1---1Insertion11EMInsertionCarrierCarrier放大器的原理圖如圖12所示。圖中匹配電路以子電路的形式到原理圖中匹配電路的參數(shù)為已經(jīng)得到的EM仿真的結(jié)果。單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖13所示。

Fo.Fo...Xo...

Z=50Pwr=pin

NET="input

2CTH=-22D

Z=50 S

V=28VV=2.7612Carrier00013Carrier率約為60%。PeakingPeaking放大器工作在C類狀態(tài)其設(shè)計關(guān)鍵在于工作點的選擇。Peaking放大器的工作點決定了其開啟時刻同時會影響整個Doherty功放的輸出功率、增益和線性度。Peaking放大器的原理圖如圖14所示。圖中匹配電路以子電路的形式到原理圖中。匹配電路的參數(shù)為已經(jīng)得到的EM仿真的結(jié)果單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖 Xo..Xo...

Z=50Pwr=pin

NET="input D 2 GS

NET="out 3

Z=50Xo...Xo...

V=vgg_peak

V=2814Peaking15中給出的是Peaking放大器偏置在1.5V時的輸出功率、增益和PAE圖中我們可以看出Peaking放大器完全開啟以后的增益要比Carrier放大器低4dBCarrier放大器高一些。peakpeak34 49.1150-15PeakingInputPowerInputPowerSplitter（輸入功分網(wǎng)絡(luò)）通常采用Wilkinsonpowerdivider或者branchlinecoupler。與Wilkinsonpowerdivider相比，由于回波在輸入端口的對消branchlinecoupler的輸入匹配更好，同時可以提供Carrier和Peaking放大器所需90度相移們選擇branchlinecoupler來設(shè)計InputPowerSplitter。為了對比等功分輸入和非等功分輸入兩種結(jié)構(gòu)的Doherty功放的性能差異分別設(shè)計了3dB等功分電橋和2dB電橋后者驅(qū)動Peaking放大器的功率要比Carrier放大器高2.5dB。3dB分支線電3dB分支線電橋的原理圖如圖16所示。分支線電橋的四臂均???4，頻率較高時需要考慮四臂之間的耦合。傳統(tǒng)的方法是利用

163dB仿真來計算傳輸線之間的耦合效應(yīng)。WR軟件提供了一種新的方法來計算這種耦合問題—CECE抽取出的同時因為不需要進行MM仿真來驗證。用CE抽取出的電路模型和仿真結(jié)果如圖17示為CE抽取出的電路模型仿真結(jié)果，虛線為未考慮耦合效應(yīng)的電branchlinebranchline-02139MHz2140 -3.104dB-3.073 -3.148---------43.89-Frequency-173dBACEbranchbranchline-02140-3.148-2140-3.0732140-3.242140-3.049-- ----2161-38.29--Frequency-3124183dBEMM抽取版圖和仿真結(jié)果如圖18XM的電CEXIM和CEXM對電路中的損耗仿真結(jié)果更準確一些。2dB分支線電2dB分支線電橋的原理圖、版圖、ACEEM仿真結(jié)果19所示。圖中實AXIEM的電磁仿真結(jié)果，虛線為ACE抽取的電路仿真結(jié)果。從圖中可以看出，EM仿真的結(jié)果與ACE抽取的仿結(jié)果相差不多3131242160-4.512160-2.1670branchline--0branchline-----FrequencyOutputOutputCombiner（輸出合路網(wǎng)絡(luò)）由Carrier放大器輸出端的ImpedenceInverterDoherty功放輸出端的???4線構(gòu)成。輸出合路網(wǎng)絡(luò)的版20所示。1120Doherty等功分輸入Doherty功放的原理圖如圖21所示中匹配電路、InputPowerSplitter和OutputCombiner是以子電路的形式到原理圖中的其中InputPowerSplitterOutputCombiner是利用AWR軟件的symbolgeneratorwizard生成的子電路符號，子電路符號與版圖21Doherty單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖22所示。圖中給Doherty功放的輸出功率、增益和效率曲線，藍色線條為增益特性曲線，紅色為效率特性曲線。利用軟件的參數(shù)掃描功能對Peaking放大器的柵壓(Vgg_peak)進行參數(shù)掃描得到了三組曲線。從圖中可以看出隨著Vgg_peak的增大，Doherty功放的峰值輸出功率和效率隨之增大，在6dB回退點效率與Vgg_peak成反比。折中考慮我們選擇=1.5V作為Peaking放大器的偏置paeandgainvs p6 p1:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p2:Freq=2140MHzvgg_peak=1p3:Freq=2140MHzvgg_peak=1.5p4:paeandgainvs p6 p1:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p2:Freq=2140MHzvgg_peak=1p3:Freq=2140MHzvgg_peak=1.5p4:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p5:Freq=2140MHzvgg_peak=1p6:Freq=2140MHzvgg_peak=1.522DohertyPAEandGAINVSPOUT圖23給出了等功分輸入和非等功分輸入兩種結(jié)構(gòu)的ohety功放的性能對比。圖中紅、粉和紫色曲線分別為等功分輸入（輸入為3dBcoupler）erty功放、輸出功率和增益特性曲線，另外3條曲線為對應(yīng)的非等功分輸入（輸入為2dBcouplerohety功放輸（eaking功放輸出功率小其增益與等功分輸入相差不多性區(qū)非等功分輸入的增（eaking6dB輸出功率回退點效率要比等功分輸入要doherty00考慮到erty功放輸入信號的特性，ety功放大部分時間WCMA信號的峰均值比（R）概率累積分布特性曲線。R<4dB的概率大于90。Doherty功放寬帶掃頻特性如圖24dohertydohertyfreq2110 2140 18.82170dohertypaequalinputdohertypaequalinput0p1:pin=p2:pin=-2110MHz2140MHz2170-16.14 -16.53dB-17.75--Frequency24Doherty綜上，Doherty功放的性能如下工作頻段輸出功率：????????=46??????，P3dB=增益輸入回波損耗：<?效率：45%@????????,DohertyAWR軟件提供了豐富的LAYOUT功能自動生成的版圖可以省去大部分的LAYOUT時間，LAYOUT生成的版圖可以導(dǎo)出用于加工制版