射頻功率放大器的設(shè)計

射頻功率放大器的設(shè)計第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、教學(xué)內(nèi)容及時間安排大功率放大器大信號放大器設(shè)計微波功率的合成與分配技術(shù)射頻功率放大器的設(shè)計2第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日其中是接收機的總噪聲輸出功率6．2靈敏度與動態(tài)范圍其中前兩項之和定義為基底噪聲基底靈敏度為3第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．2大功率放大器小信號放大器的設(shè)計是基于器件的小信號S參量進行的，這些參數(shù)通常由器件制造商提供或很容易地用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得。但稍后將會看到，這些參數(shù)本身對大信號放大器的設(shè)計是不夠的，需要加以修正。一般而言，對任何一種放大器的設(shè)計都希望達(dá)到增益、噪聲；系數(shù)、功率及帶寬的最佳。因此，第一種設(shè)計都是基于設(shè)計要求之上的對等增益曲線、等噪聲系數(shù)曲線及等功率曲線的綜合考慮。但由于大信號放大器的設(shè)計主要關(guān)心的是其輸出端的資用功率值，故一些在小信號放大器設(shè)計中需考慮的問題(如噪聲系數(shù))在大信號設(shè)計過程中卻變得毫無意義和價值。4第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日為了便于理解，對每一類放大器的描述再重復(fù)一遍。A類放大器：工作于這種模式下的放大器中的每一只晶體管；在整個信號周期內(nèi)均導(dǎo)通。B類放大器：工作于這種模式下的放大器中的每一只晶體管僅在半個信號周期內(nèi)導(dǎo)通。AB類放大器：工作于這種模式下的放大器對于小信號工作于A類，對大信號工作于B類。C類放大器：工作于這種模式下的放大器中的每一只晶體管的導(dǎo)通時間遠(yuǎn)小于半個信號周期。5第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場合，如雷達(dá)發(fā)射機或空間通信口，僅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此時需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個獨立的功率放大器通過功率合成器連接起來以便產(chǎn)生所需的大功率。

16．4．1多級中的N路N路多級功率合成器(或功分器)是一種將N路不同放大器的輸出功率進行合成(或分解)的耦合器。6第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日微波功率合成／分配器拘分類圖16．4微波功率的合成與分配技術(shù)7第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場合，如雷達(dá)發(fā)射機或空間通信口，僅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此時需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個獨立的功率放大器通過功率合成器連接起來以便產(chǎn)生所需的大功率。16．4．1多級中的N路N路多級功率合成器(或功分器)是一種將N路不同放大器的輸出功率進行合成(或分解)的耦合器。8第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日9第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日功率合成技術(shù)10第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日C波段微波功率放大器的設(shè)計和實現(xiàn)11第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日12第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日13第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日線性化功率放大器設(shè)計14第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日功放實物圖15第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日17第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場合，如雷達(dá)發(fā)射機或空間通信口，僅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此時需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個獨立的功率放大器通過功率合成器連接起來以便產(chǎn)生所需的大功率。

16．4．1多級中的N路N路多級功率合成器(或功分器)是一種將N路不同放大器的輸出功率進行合成(或分解)的耦合器。18第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日所用兩只功率BJT放大器的特性參量為

放大器

AMP18727AMP210922現(xiàn)設(shè)工作頻率為1GHz，輸入功率為5.5dBm，每只兩路功分／合成器的插入損耗為0.5dB。試確定合適的BJT放人器，使其用于每一級中可獲得29.5dBm的輸出功率。解從輸出端開始往回倒推，可得每一級的功率和增益分別為19第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日解從輸出端開始往回倒推，可得每一級的功率和增益分別為A點：A點處的兩只并行放大器應(yīng)選用AMP1。因AMP1的

B點

C點：

C點處也應(yīng)選用AMP1。因AMP2的

低于C點處要求的

而AMPl線性工作時的增益

20第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日單從功率要求看，AMPl和AMP2均適用于0點處，但考慮到輸入功率為5.5dBm，故應(yīng)選擇高增益的AMP2作為輸入端方可滿足要求。21第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．5互調(diào)分量產(chǎn)生的信號失真工作于大信號狀態(tài)下的放大器可能會引起輸出信號的失真。這一失真主要是由于放大器的工作區(qū)域已超出了其線性區(qū)，必將導(dǎo)致稱之為“混頻分量”的新頻率分量出現(xiàn)在輸出端。定義(互調(diào)分量)當(dāng)在一個非線性放大器或任意一個非線網(wǎng)絡(luò)的輸入端加入兩個或兩個以上不同頻率的正弦信號時，在其輸出端所產(chǎn)生的附加頻率分量。功率放大器非線性的影響放大電路的非線性幅度響應(yīng)用冪函數(shù)逼近表示為22第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、對電源線和地線進行布線，盡量加寬電源、地線寬度，它們功率放大器非線性的影響

可以發(fā)現(xiàn)輸出電壓23第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.3階截斷點功率放大器非線性的影響非線性放大器1dB壓縮點的確定這兩個功率在3階截斷點相等。若定義在截斷點處的輸入信號電壓為24第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日3．功率放大器的非線性功率放大器的非線性會使得放大器的輸出產(chǎn)生各階交調(diào)積和諧波成分。頻帶范圍內(nèi)的兩個頻率稍有不同的基頻成分通過非線性放大器后，會產(chǎn)生各階諧波成分和各階交調(diào)成分。諧波成分離應(yīng)用頻帶很遠(yuǎn)，對發(fā)射機性能的影響有限，交調(diào)成分則靠近應(yīng)用頻帶，特別是三階交調(diào)積，就位于應(yīng)用頻帶范圍內(nèi)，而且它主要由三階非線性引起，能量相對較高，對發(fā)射機性能的影響最大。25第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日功率放大器的非線性效應(yīng)還會降低信道內(nèi)的信噪比，這是由于位于信道頻帶范圍內(nèi)的各階交調(diào)積對有用信號來說都相當(dāng)于噪聲，噪聲能量增加，使得信道內(nèi)的信噪比下降，會惡化接收機的解調(diào)性能(增加誤碼率)。功率放大器的非線性除了產(chǎn)生各階交調(diào)積和諧波成分外，還會引起AM-AM效應(yīng)和AM—PM效應(yīng)。當(dāng)輸入功率增加到一定程度時，放大器的增益發(fā)生壓縮，引起AM-AM效應(yīng)，而且，放大器的相移也不再是一個常數(shù)，它隨著輸入功率的變化而變化，引起AM-PM轉(zhuǎn)換效應(yīng)。26第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日功率放大器的非線性引起星圖變形27第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．6多級大信號放大器的設(shè)計大多數(shù)實用的晶體管放大器通常是由多級放大器級聯(lián)而成以構(gòu)成多級放大器。在大功率放大器中，每一級放大器都應(yīng)工作于最大功率狀態(tài)以滿足最大功率傳輸條件。在以下幾節(jié)中我們將對多級大功率放大器做詳細(xì)討論。N級放大器欲使其穩(wěn)定工作，必須確保各單級放大器及級聯(lián)后的總放大28第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日大功率放大器的宗旨是產(chǎn)生盡可能高的輸出功率。組成這種多級放大器中的每一級放大器都應(yīng)工作在或接近于大信號狀態(tài)下的1dB增益壓縮點處。這意味著在用等功率曲線進行設(shè)計時，應(yīng)選擇處處的(每級晶體管的輸出端)，再由共軛匹配條件確定輸入端的參量以獲得最小的VSWR，滿足最大功率傳輸條件，即29第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．6．2三階截止點總功率大功率放大器的設(shè)計不僅要獲得大功率輸出，同時也要具有高三階截止點(T01)。若各級放大器在TOI處的功率己知，則在假設(shè)各級，同相疊加的前提下其多級功率放大器的總可由下式得到：為功率增益,若各級放大器特性—致，即30第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日實際中，n可能會比較大但不可能為無窮大，因此式給出了多級放大器在三階截斷點處總功率的最佳值，此值是衡量功率放大器的特征指標(biāo)，類似于前面介紹的低噪聲放大器的特征指標(biāo)—噪聲因子M31第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．6．3動態(tài)范圍如前所述，放大器動態(tài)范圍的下限由噪聲因素確定()，上限由1dB增益壓縮點確定因此，對于n級放大器便有：1.動態(tài)范圍的下限32第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日特殊情況：特性一致的放大器。對于級數(shù)n很大且特性一致的多級放大器，可簡化為33第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日對于級數(shù)很大的多級放大器第一級放大器的為可得出一個重要結(jié)論：多級放大器的總輸出最小可檢測信號決定于第一級放大器的最小可檢測信號因此，設(shè)法使第一級工作于輸出噪聲最小狀態(tài)是至關(guān)重要的。34第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日2．動態(tài)范圍的上限在動態(tài)范圍上限處，即1dB增益壓縮點處的多級總輸出功率可按類似于式的形式寫出若各級放大器的特性一致，即35第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日對于無限級相同的級聯(lián)放大器，可寫為多級放大器在1dB增益壓縮點處的輸出功率小于或等于末級放大器在該點處的輸出功率。結(jié)論設(shè)法使多級功率放大器的末級工作于最大輸出功率狀態(tài)是至關(guān)重要的。36第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日16．6．4寬動態(tài)范圍多級放大器的設(shè)計對于n級放大器，其實際動態(tài)范圍(dynamicrange，DR)為對于寬動態(tài)范圍多級放大器的設(shè)計，主要應(yīng)考慮以下幾點：(1)由式得結(jié)論：多級系統(tǒng)的第一級決定著系統(tǒng)輸出功率的下限。理想情況下可取(2)可得結(jié)論：多級系統(tǒng)的末級決定著系統(tǒng)輸出功率的上限。理想情況下可取對多級放大器所能期望的最大動態(tài)范圍或最佳動態(tài)范圍估計值為37第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日而對于N級相同的放大器，則有級數(shù)N或各單級增益GA的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)的總增益和的增加又將導(dǎo)致系統(tǒng)有效動態(tài)范圍的減小。因此，多級放大器在總增益和動態(tài)范圍之間有個折中處理。例1設(shè)計一個如圖所示的10W(40dBm)功率放大器，其工作頻率為1GHz，輸入信號為1mW(0dBm)。設(shè)計中可選用的放大器參數(shù)如下表所示：38第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日(1)欲在一個線性區(qū)域內(nèi)獲得10W的輸出功率，問該如何對所給的放大器A、B、C進行排序以構(gòu)成三級級聯(lián)放大器。(2)按問題1中的電路結(jié)構(gòu)試確定該放大系統(tǒng)在室溫(T＝290K)下、工作頻率為1GHz、帶寬為100MHz時的最佳動態(tài)范圍估計值。設(shè)X=3dB。放大器

AMP-A1640153AMP-B1638152AMP-C203219239第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日解(1)級聯(lián)放大器的合理安排序考慮如下：a．因要求輸出功率為40dBm，所以應(yīng)選放大器A為輸出級，因其可提供所期望的功率值＝40dBm)。但由于放大器A在1dB增益抑制點處工作，故其線性增益會降低1dB。因此，計算時應(yīng)用b．因放大器C具有,A最低d的B1dB增益抑制點功率和最高增益，故應(yīng)置于第一級，因級聯(lián)系統(tǒng)輸入級的高增益可降低第二級噪聲的影響。c．因放大器B具有較高的和較低的噪聲系數(shù)，故置于中間級。最終結(jié)構(gòu)如圖所示，各級的功率值及增益值已示于圖中。40第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日(2)最佳動態(tài)范圍估計值計算如下：41第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日印制板上阻抗不連續(xù)的典型要素5.4、高速信號完整性設(shè)計42第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日AnsoftHFSS電磁兼容軟件介紹5.4、高速信號完整性設(shè)計43第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日PA設(shè)計的一般步驟為了完成功放特性仿真，PA設(shè)計通常需要以下步驟。(1)將廠家提供的晶體管模型庫導(dǎo)入到ADS模型庫中。(2)根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點。(3)進行功率放大器的電路設(shè)計，包括阻抗匹配、偏置電路和直流扼流等。(4)確定仿真類型(S—參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等)、仿真參44第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日6．1．3負(fù)載牽引設(shè)計方法通常功率放大器的目的是以獲得最大輸出功率為主，因此將使得功率放大器的功放管工作在趨近飽和區(qū)，S參數(shù)會隨著輸入信號的改變而改變，尤其S21參數(shù)會因輸入信號的增加而變小。因此，轉(zhuǎn)換功率增益將因功率元件工作在飽和區(qū)而變小，不同于輸出功率與輸入信號成正比關(guān)系的小信號狀態(tài)。換言之，原本功率元件在小信號工作狀態(tài)下，輸出／輸入端都是設(shè)計在共軛匹配的最佳情況下，隨著功率元件進入非線性區(qū)，輸入／輸出端的共軛匹配就逐漸不再匹配。此時，功率元件就無法得到最大的輸出功率。所以，設(shè)計功率級放大器的關(guān)鍵就在于匹配網(wǎng)絡(luò)，這可以利用負(fù)載牽引(Load-Pull)原理找出功率放大器最大輸出功率時的最佳外部負(fù)載阻抗ZL。功率放大器在大信號工作時，功率管的最佳負(fù)載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而改變。因此，必須在史密斯圖(Smithchart)上，針對給定一個輸入功率值時繪制出在不同負(fù)載阻抗時的等輸出功率曲線(Powercontours)，幫助找出最大輸出功率時的最佳負(fù)載阻抗，這種方法稱為Load-Pull。Load-Pull是決定最佳負(fù)載阻抗值最精準(zhǔn)的方法，用來模擬及量測功率管在大信號時的特性，如輸出功率(Outputpower)、傳輸功率增益(Transducerpowergain)、附加功率效率(Poweraddedefficiency)，以及雙音交調(diào)信號分析(Two-lonesignalanalysis)的線性度IMD3和IP3。45第四十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日