射頻功率放大器的設(shè)計(jì)

射頻功率放大器的設(shè)計(jì)第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三一、教學(xué)內(nèi)容及時(shí)間安排大功率放大器大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)微波功率的合成與分配技術(shù)射頻功率放大器的設(shè)計(jì)2第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三其中是接收機(jī)的總噪聲輸出功率6．2靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍其中前兩項(xiàng)之和定義為基底噪聲基底靈敏度為3第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三16．2大功率放大器小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)是基于器件的小信號(hào)S參量進(jìn)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(cè)得。但稍后將會(huì)看到，這些參數(shù)本身對(duì)大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)是不夠的，需要加以修正。一般而言，對(duì)任何一種放大器的設(shè)計(jì)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(jì)都是基于設(shè)計(jì)要求之上的對(duì)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(hào)放大器的設(shè)計(jì)主要關(guān)心的是其輸出端的資用功率值，故一些在小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)中需考慮的問題(如噪聲系數(shù))在大信號(hào)設(shè)計(jì)過程中卻變得毫無意義和價(jià)值。4第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三為了便于理解，對(duì)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(gè)信號(hào)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(gè)信號(hào)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(duì)于小信號(hào)工作于A類，對(duì)大信號(hào)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(shí)間遠(yuǎn)小于半個(gè)信號(hào)周期。5第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場(chǎng)合，如雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(shí)需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個(gè)獨(dú)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(jí)中的N路N路多級(jí)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(jìn)行合成(或分解)的耦合器。6第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三微波功率合成／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，編輯于2023年，星期三16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場(chǎng)合，如雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(shí)需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個(gè)獨(dú)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(jí)中的N路N路多級(jí)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(jìn)行合成(或分解)的耦合器。8第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三9第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三功率合成技術(shù)10第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三C波段微波功率放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)11第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三12第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三13第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三線性化功率放大器設(shè)計(jì)14第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三功放實(shí)物圖15第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三

第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三17第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三16．4微波功率的合成與分配技術(shù)在某些需要大功率的場(chǎng)合，如雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(shí)需采用功率合成技術(shù)。為了獲得大功率輸出，可將幾個(gè)獨(dú)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(jí)中的N路N路多級(jí)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(jìn)行合成(或分解)的耦合器。18第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三所用兩只功率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(jí)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(jí)的功率和增益分別為19第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三解從輸出端開始往回倒推，可得每一級(jí)的功率和增益分別為A點(diǎn)：A點(diǎn)處的兩只并行放大器應(yīng)選用AMP1。因AMP1的

B點(diǎn)

C點(diǎn)：

C點(diǎn)處也應(yīng)選用AMP1。因AMP2的

低于C點(diǎn)處要求的

而AMPl線性工作時(shí)的增益

20第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三單從功率要求看，AMPl和AMP2均適用于0點(diǎn)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，編輯于2023年，星期三16．5互調(diào)分量產(chǎn)生的信號(hào)失真工作于大信號(hào)狀態(tài)下的放大器可能會(huì)引起輸出信號(hào)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(gè)非線性放大器或任意一個(gè)非線網(wǎng)絡(luò)的輸入端加入兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻率的正弦信號(hào)時(shí)，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，編輯于2023年，星期三1、對(duì)電源線和地線進(jìn)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，編輯于2023年，星期三2.3階截?cái)帱c(diǎn)功率放大器非線性的影響非線性放大器1dB壓縮點(diǎn)的確定這兩個(gè)功率在3階截?cái)帱c(diǎn)相等。若定義在截?cái)帱c(diǎn)處的輸入信號(hào)電壓為24第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3．功率放大器的非線性功率放大器的非線性會(huì)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(gè)頻率稍有不同的基頻成分通過非線性放大器后，會(huì)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(duì)發(fā)射機(jī)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(duì)較高，對(duì)發(fā)射機(jī)性能的影響最大。25第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三功率放大器的非線性效應(yīng)還會(huì)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(duì)有用信號(hào)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(huì)惡化接收機(jī)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(huì)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(shí)，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(gè)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，編輯于2023年，星期三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，編輯于2023年，星期三16．6多級(jí)大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)大多數(shù)實(shí)用的晶體管放大器通常是由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成以構(gòu)成多級(jí)放大器。在大功率放大器中，每一級(jí)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(duì)多級(jí)大功率放大器做詳細(xì)討論。N級(jí)放大器欲使其穩(wěn)定工作，必須確保各單級(jí)放大器及級(jí)聯(lián)后的總放大28第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三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(jí)放大器中的每一級(jí)放大器都應(yīng)工作在或接近于大信號(hào)狀態(tài)下的1dB增益壓縮點(diǎn)處。這意味著在用等功率曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇處處的(每級(jí)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，編輯于2023年，星期三16．6．2三階截止點(diǎn)總功率大功率放大器的設(shè)計(jì)不僅要獲得大功率輸出，同時(shí)也要具有高三階截止點(diǎn)(T01)。若各級(jí)放大器在TOI處的功率己知，則在假設(shè)各級(jí)，同相疊加的前提下其多級(jí)功率放大器的總可由下式得到：為功率增益,若各級(jí)放大器特性—致，即30第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三實(shí)際中，n可能會(huì)比較大但不可能為無窮大，因此式給出了多級(jí)放大器在三階截?cái)帱c(diǎn)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，編輯于2023年，星期三16．6．3動(dòng)態(tài)范圍如前所述，放大器動(dòng)態(tài)范圍的下限由噪聲因素確定()，上限由1dB增益壓縮點(diǎn)確定因此，對(duì)于n級(jí)放大器便有：1.動(dòng)態(tài)范圍的下限32第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三特殊情況：特性一致的放大器。對(duì)于級(jí)數(shù)n很大且特性一致的多級(jí)放大器，可簡化為33第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三對(duì)于級(jí)數(shù)很大的多級(jí)放大器第一級(jí)放大器的為可得出一個(gè)重要結(jié)論：多級(jí)放大器的總輸出最小可檢測(cè)信號(hào)決定于第一級(jí)放大器的最小可檢測(cè)信號(hào)因此，設(shè)法使第一級(jí)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，編輯于2023年，星期三2．動(dòng)態(tài)范圍的上限在動(dòng)態(tài)范圍上限處，即1dB增益壓縮點(diǎn)處的多級(jí)總輸出功率可按類似于式的形式寫出若各級(jí)放大器的特性一致，即35第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三對(duì)于無限級(jí)相同的級(jí)聯(lián)放大器，可寫為多級(jí)放大器在1dB增益壓縮點(diǎn)處的輸出功率小于或等于末級(jí)放大器在該點(diǎn)處的輸出功率。結(jié)論設(shè)法使多級(jí)功率放大器的末級(jí)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，編輯于2023年，星期三16．6．4寬動(dòng)態(tài)范圍多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)對(duì)于n級(jí)放大器，其實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍(dynamicrange，DR)為對(duì)于寬動(dòng)態(tài)范圍多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：(1)由式得結(jié)論：多級(jí)系統(tǒng)的第一級(jí)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(jí)系統(tǒng)的末級(jí)決定著系統(tǒng)輸出功率的上限。理想情況下可取對(duì)多級(jí)放大器所能期望的最大動(dòng)態(tài)范圍或最佳動(dòng)態(tài)范圍估計(jì)值為37第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三而對(duì)于N級(jí)相同的放大器，則有級(jí)數(shù)N或各單級(jí)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(dòng)態(tài)范圍的減小。因此，多級(jí)放大器在總增益和動(dòng)態(tài)范圍之間有個(gè)折中處理。例1設(shè)計(jì)一個(gè)如圖所示的10W(40dBm)功率放大器，其工作頻率為1GHz，輸入信號(hào)為1mW(0dBm)。設(shè)計(jì)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，編輯于2023年，星期三(1)欲在一個(gè)線性區(qū)域內(nèi)獲得10W的輸出功率，問該如何對(duì)所給的放大器A、B、C進(jìn)行排序以構(gòu)成三級(jí)級(jí)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(shí)的最佳動(dòng)態(tài)范圍估計(jì)值。設(shè)X=3dB。放大器

AMP-A1640153AMP-B1638152AMP-C203219239第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三解(1)級(jí)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(jí)，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(diǎn)處工作，故其線性增益會(huì)降低1dB。因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)用b．因放大器C具有,A最低d的B1dB增益抑制點(diǎn)功率和最高增益，故應(yīng)置于第一級(jí)，因級(jí)聯(lián)系統(tǒng)輸入級(jí)的高增益可降低第二級(jí)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(jí)。最終結(jié)構(gòu)如圖所示，各級(jí)的功率值及增益值已示于圖中。40第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三(2)最佳動(dòng)態(tài)范圍估計(jì)值計(jì)算如下：41第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三印制板上阻抗不連續(xù)的典型要素5.4、高速信號(hào)完整性設(shè)計(jì)42第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三AnsoftHFSS電磁兼容軟件介紹5.4、高速信號(hào)完整性設(shè)計(jì)43第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三PA設(shè)計(jì)的一般步驟為了完成功放特性仿真，PA設(shè)計(jì)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(diǎn)。(3)進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)，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，編輯于2023年，星期三6．1．3負(fù)載牽引設(shè)計(jì)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(huì)隨著輸入信號(hào)的改變而改變，尤其S21參數(shù)會(huì)因輸入信號(hào)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(hào)成正比關(guān)系的小信號(hào)狀態(tài)。換言之，原本功率元件在小信號(hào)工作狀態(tài)下，輸出／輸入端都是設(shè)計(jì)在共軛匹配的最佳情況下，隨著功率元件進(jìn)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(shí)，功率元件就無法得到最大的輸出功率。所以，設(shè)計(jì)功率級(jí)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(shí)的最佳外部負(fù)載阻抗ZL。功率放大器在大信號(hào)工作時(shí)，功率管的最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增加而改變。因此，必須在史密斯圖(Smithchart)上，針對(duì)給定一個(gè)輸入功率值時(shí)繪制出在不同負(fù)載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線(Powercontours)，幫助找出最大輸出功率時(shí)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(cè)功率管在大信號(hào)時(shí)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(hào)分析(Two-lonesignalanalysis)的線性度IMD3和IP3。45第四十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三