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1、功率放大器的仿真设计0 引言各种无线通信系统的发展，大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波通信的采用，射频工程师为减小功率放大器的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用EDA工具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步有环设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功率放大器（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的
2、一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。1 功率放大器基础11 功率放大器的种类根据输入与输出信号间的大小比例关系，功率放大器可分为线性放大器与非线性放大器两种。属于线性放大器的有A类、B类及AB类放大器；属于非线性的则有C类、D类、E类、F类等类型的放大器。（1） A类放大器是所有类型功率放大器中线性最高的，其功率元件在输入信号的全部周期内均导通，即导通角为360，但其效率却非常低，在理想状态下效率仅达到50%，而在实际电路中，则仍限制在30%以下。（2） B类功率放大器的功率元件只在输入正弦波之半周期内导通，即导通角仅为180，其效率在理想状态下可
3、达到78%，但在实际电路中所达到的效率不会超过60%。（3） AB类功率放大器的特性介于A类和B类放大器之间，其功率元件偏压在远比正弦波信号峰值小的非零直流电流，因此导通角大于180但远小于360。一般情况下，其效率介于30%60%之间。（4） C类功率放大器的功率元件的导通时段比半周期短，即导通角小于180。其输出波形为周期性脉冲，必须并联LC滤波电路后，才可得到所需要的正弦波。在理论上，C类放大器的效率可达到100%，但在实际电路中仅能达到约60%的效率。（5） D类、E类的功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器，其原理是将功率元件当作开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完
4、整的输出波形。（6） F类功率放大器可算是C类功率放大器的延伸，他们的偏执方式相似，但F类放大器在功率管输出端与负载间加入了频波控制网络，一次提高效率。在理论上他们都可以达到100%的效率，但在实际电路中仍受到开关切换时间等因素的控制而无法达到理想值。设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路架构。以射频功率放大器而言，有的系统需要高效率的功率放大器，有的需要高效率且线性度佳的功率放大器，有的需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的，如B类、C类、E类架构的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A类放大器是所有放大器中线性度最高的，但它最大的缺点
5、是效率最低，这些缺点虽然可用各种Harmonic Termination电路的设计技巧予以改进，但仍无法提高到与高效率的功率放大器相当的水平。具有高效率、高线性度及高功率的功率放大器自然成为电路设计者所努力的一个目标。1.2 放大器的主要参数（1） 1db功率压缩点通信系统中输出功率单位通常以dBm表示：当放大器在非常低的输入功率时，功率增益为常数，放大器工作在线性区。当输入功率增加时，收到放大管非线性特性影响，放大器功率增益逐渐被压缩，限制了最大输出功率。在此区域，有线性失真、谐波和交互调变失真现象发生。若继续再增加输入功率，则因放大管已工作在饱和区，其输出功率几乎维持不变。通常以输出增益（
6、Gout）比线性增益小1db的位置来定义放大器工作范围的上限，也就是1dB输出功率压缩点（P1dB），则P1db点所对应的输出功率值表示式为P1db（dBm）Pin（dBm）=Gout（dB）1（2）功率增益 小信号增益：当输入多少的功率时，就会依照其放大功率来放大，这是理想的放大器，但事实上这是不可能做的出来。一个真正的放大器就会因其放大管之特性不同而有不同的饱和区，以致会导致其在一个区段内之增益有所不同。 输出功率增益比：在不同的输出功率，其增益也会有所不同。故有些放大器会特别标示，其在多少的输出功率时的增益是多少。 效率因为在输入功率转换成输出功率工程中，一定会有功率损耗的情形发生，并且
7、效率与线性度往往都是互相抵触的，因此在设计放大器电路时必须视系统要求而作适当取舍。以下为一般放大器效率的定义：集电极效率：功率附加效率：总效率：（4） 失真信号失真主要是由有源元件的非线性引起的。其失真主要为谐波失真、AM to PM Conveision、互调失真。（5） 邻信道功率比ACPR由于功率放大器的非线性效应影响，当信号通过功率放大器时会产生频谱“扩散”现象。中心频率为fc、频宽为B1中的功率与距离中心频率f0、频宽为B2中的功率的比值即为ACPR。1.3 CAD原理图设计的一般步骤（1）依据要求设计出所需的电路图。（2）根据所设计出的电路图利用Altium Designer。（3
8、）进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路和直流扼流等。（4）（5）（6）优化功放电路结构和电路参数。本设计具体介绍射频功率放大器的设计步骤，设计一个性能满足技术指标需求的射频放大器，首先要在分析技术指标的基础上合理的选择器件；然后要具体分析器件的特性，设计合理的阻抗匹配网络和偏压网络；接下来要对设计的电路进行仿真，验证设计的正确性和合理性。这些步骤都是非常重要的，只有每个环节都踏实的落到实处，才能得到满意的设计结果。射频功率放大器主要技术指标工作频率：950MHz输入功率：30 dBm输出功率：45 W电源电压：28V2射频功率放大器的仿真设计本设计中仿真软件使用Agilent公司的
9、EDA软件ADS(Advanced DesignSystem)此软件平台给用户提供了从综合，系统仿真再到完整的通信系统设计的解决方案，使用户能够方便有效的进行硬件系统的研究开发。2.1 直流扫描电路功放管的偏置状态决定了两个重要问题。一是输入和输出阻抗，在不同的偏置状态下功放管的输入输出阻抗是不同的，所以在设计匹配电路之前就要先确定功放管的偏置状态；二是放大器的工作类型，放大器有A类，B类和AB类等工作类型，功放管的静态工作点决定了放大器的工作类型，所以应该根据需要设置正确的偏置状态。根据数据手册，MRF9045N工作时需要的直流供电电压为28.5V，本设计采用AB类放大器的工作类型，射频放大
10、器的设计一般都采用共栅极组态，源极直接接地。在ADS中搭建直流仿真电路模型，利用直流仿真器以栅极电压为扫描变量进行直流偏置状态的仿真。如图1为MRF9045N的直流偏置电路，图2为仿真结果。图1：直流扫描电路图2：直流扫描I/V曲线图表 在图2的仿真结果中我们可以看到选取的VGS=3.8V，静态工作点电流IDS=717mA，与数据手册上的数据相比，电流取得较大，这时为了获得更好的线性度。仿真出的静态工作点和资料给出的静态工作点极为相近，从而验证了仿真的真确性22 偏置及稳定性分析在放大器设计中改善稳定性的措施通常是在输入或输出端加入有耗匹配网络。这通常是以牺牲增益为代价换取稳定性。通过计算S参
11、数满足系统的稳定性条件后，实际工程中，可以再输入端加平衡式衰减器的做法来抑制反射引起的震荡来确保系统的稳定性。电路仿真后可以从仿真图形中看到，若所得到的仿真图在所要的频率点即在945MHz时，StabFact1，即稳定因子小于1，功率管在整个带内是不稳定的，因此，必须添加稳定性措施。稳定性措施有很多种，本设计采用串联小电阻的方法。图3 添加稳定措施后的原理图图4 改善稳定措施后的曲线图5 加入偏置后的原理图2.3 负载牵引设计LoadPull通常功率放大器的目的是以获得最大的输出功率为主，因此将使得功率放大器的功率管工作在趋近饱和区，S参数会随着输入线号的改变而改变，尤其是S21参数会因为输入
12、信号的增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而变小，不同于输出功率与输入功率信号程正比关系的小信号状态。换言之，原本功率元件在小信号状态下，输入/输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时，功率元件就无法得到最大的输出功率，所以设计功率级放大器的关键就在于匹配网络，这就可以用负载牵引（LoadPull）原理找到功率放大器最大输出功率时的最佳外部负载阻抗ZL。图6为负载牵引电路原理图及仿真结果图6 负载牵引电路原理图及仿真结果2.4 运用Smiith圆图进行匹配图7 Output_match原理图图8 Smiith匹配后自动生成的输出匹配电路图9 用实际元件替换理想元件后的电路图5 Sourch-Pull图10 Sourch-Pull原理图及仿真结果2.6 电路优化设计谐波平衡仿真图11 谐波平衡仿真图12 未优化前的电路仿真结果2.7 优化输入/输出匹配网络图13 优化设置完成电路图14 优化完成后电路的参数2.8 电路参数测试在ADS中建立模型如下图所示图15 模型图标图16 放入MRF9045N_Symbol的原理图图17 频谱仿真结果
