一款E類功率放大芯片性能測試電路的設(shè)計

1.引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，功率放大器作為發(fā)射機最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，而功率放大器性能好壞的判決和芯片檢測有關(guān)。本文介紹了一款E類功率放大芯片性能測試電路的設(shè)計，簡介了檢測中用到的實驗設(shè)備、器材，并給測試電路加上各種測試信號后觀察顯示結(jié)果，對輸出結(jié)果進(jìn)行分析從而判定芯片是否合格。

2.E類功率放大器原理

射頻功率放大器是將直流信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號的功率器件，衡量一個射頻放大器性能的主要參數(shù)有：最大輸出功率、效率、線性度、增益等等。功率放大器可 以劃分為幾類，這取決于它們是寬帶還是窄帶、它們的目的是為了線性工作還是恒包絡(luò)工作。線性功率放大器有四種類型：A、B、AB、C,它們的主要差別在于 偏置情況的不同，這幾類傳統(tǒng)的功率放大器具有較高的線性度，但效率較低。開關(guān)模式功率放大器主要有D、E、F三類，這幾類功率放大器中晶體管等效為受輸入電壓控制的開關(guān)，開關(guān)導(dǎo)通時有電流經(jīng)過，若保證管子飽和導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻很小，開關(guān)兩端的電壓很小，甚至趨近于零;開關(guān)斷開時，電流為零。因此，晶體管的 耗散功率很小，從而提高了放大器的效率。

開關(guān)模式功率放大器中的E類放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來改變開關(guān)電壓的波形，使它在開關(guān)導(dǎo)通時的值和斜率均為零，從而降低了開關(guān)的損耗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，一個串聯(lián)調(diào)諧L2C2電路將漏極與負(fù)載相連，一個旁路電容C接地。該旁路電容由晶體管寄生電容和另一個電容C1組成(該電容的作用是，當(dāng) 漏極存在電壓時，確保晶體管中無電流通過)。要達(dá)到最佳性能，當(dāng)器件導(dǎo)通(并開始產(chǎn)生電流)時不僅其漏電壓必須為零，漏電壓斜率也必須為零。這樣可保證來 自旁路電容的電流為零，從而也保證晶體管導(dǎo)通時漏電流為零。由于轉(zhuǎn)換中的漏、源電壓及漏電流均為零，因此該器件的功耗可忽略不計。

盡管E類放大器的效率從理論上可達(dá)到100%,但因抑制諧波需要較高的Q值，從而限制了其效率，這使漏電壓值低至0V,并且與時間的斜率為零。

3.高頻E類功率放大器測試電路設(shè)計

為了對高頻E類功率放大器進(jìn)行測試，我們設(shè)計的測試電路原理圖結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從圖中可以看出原理圖主要由主體芯片和它外圍模塊電路組成，其中外 圍電路有GSM(頻段位于800MHz的信號)信號輸入模塊、DCS(頻段位于1800MHz的信號)信號輸入模塊、電源模塊和信號輸出模塊。

3.1 測試電路

測試的E類手機功率放大芯片引腳布局如圖3所示，芯片從左上角以逆時針方向開始依次是1到28引腳，其中 1,2,3,5,6,8,22,23,24,25,26,27,28號引腳直接接地，4,9,10,11,12在接地時接一個電容，13,14引腳接電 源，對于15,16,17,18,19 引腳它們分別對應(yīng)著CTR2,CTR1,CTR0,TXEN,RAMP.20,21引腳分別是DCS和GSM的信號輸入。

圖3 E類手機功率放大芯片引腳布局圖

整個測試電路的電源部分將為測試電路提供一個3.8V的直流電壓和1A的直流電流。經(jīng)過芯片功率放大后的信號將經(jīng)過輸出模塊流入頻譜分析儀，輸出模 塊能夠很好的去除放大后信號中存在的雜散信號從而保證了放大后信號的純度。對于DCS和GSM信號輸入，為了防止信號在輸入芯片前摻雜了其它交流雜散，在 輸入芯片前添加一個電容用來濾除不應(yīng)有的雜亂信號從而保證輸入信號的純度。

3.2 測試實現(xiàn)

測試過程中使用了可編程電源、信號源、脈沖發(fā)生器、頻譜分析儀等。它們將為測試電路提供工作條件以及對測試結(jié)果進(jìn)行分析。其中可編程電源將為測試電 路提供一個3.8V的直流電壓和一個1A的直流電流從而保證測試電路的正常工作。信號源將為功率放大芯片提供一個5dBm頻段分別在900MHz和 1800MHz下的輸入信號。(dBm即分貝毫瓦，功率與P(瓦特)換算公式：P'dBm=30+10lgP 其中P:瓦;P':單位為dBm)。

測試DCS的時候讓信號發(fā)生器產(chǎn)生5dBm,1.8GHz的信號，且讓脈沖電壓源給ramp提供0.45V低電壓或2.0V高電壓，其中TXEN和 chr1,chr2接高電平。測試GSM的時候讓信號發(fā)生器產(chǎn)生5dBm,800MHz的信號且讓脈沖電壓源給ramp提供0.55V低電壓或2.2V高 電壓，其中TXEN和chr1接高電平，chr0接低電平。給定測試板初始條件后，讓輸出信號接到頻譜分析儀上觀測結(jié)果。

4.測試結(jié)果及分析

測試芯片在DCS、GSM頻段內(nèi)工作狀況經(jīng)過頻譜分析儀截圖可以看出在高脈沖電壓下其輸出信號波形如圖4、圖5所示，從截圖中可以看出信號在 1800MHz的時候得到了放大且大小約為34dBm,800MHz的時候得到了放大且大小約為33dBm,滿足了信號經(jīng)過芯片放大后在DCS下應(yīng)該達(dá)到 32dBm以上GSM應(yīng)達(dá)到30dBm以上，從波形中可以看出經(jīng)過放大的信號沒有明顯的雜散現(xiàn)象說明芯片在高脈沖的時候能夠很好的將輸入信號進(jìn)行放大。

當(dāng)脈沖電壓是一個低電壓時，即GSM條件下令脈沖電壓值為0.55V而DCS條件下脈沖電壓值為0.45V.DCS和GSM頻段輸入信號經(jīng)過功率放 大后的輸出波形分別如圖6和圖7所示，從圖6中可以看出信號在1800MHz時得到了放大效果其值達(dá)到了11dBm以上，達(dá)到了功率放大器在小脈沖電壓下 功率放大要求。GSM下低脈沖電壓輸出波形如圖7所示，從圖中可以看出信號在800MHz處得到了放大，其值在6dBm以上，達(dá)到了放大器在小脈沖電壓下 的功率放大要求。

因此芯片在高低脈沖電壓下都能很好的將DCS和GSM信號進(jìn)行功率放大且放大后的信號無雜散。

5.結(jié)語

本次實驗?zāi)M手機信號功率放大，對高頻E類功率放大器進(jìn)行了測試實驗，通過觀察輸出信號的變化判定芯片是否能正常工作，測試效果良好。