射頻MOS功率放大電路模擬器的設計方案分析，射頻功率放大器的特性與使用好壞分析

　　射頻MOS功率放大電路模擬器的設計方案分析

　　1. 引言

　　本文設計的50MHz/250W 功率放大器采用美國APT公司生產(chǎn)的推挽式射頻功率MOSFET管ARF448A/B進行設計。APT公司在其生產(chǎn)的射頻功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝形式上都進行了優(yōu)化設計，使之更適用于射頻功率放大器。下面介紹該型號功率放大器的電路結(jié)構(gòu)和設計步驟。

　　2．50MHz/250W射頻功率放大器的設計

　　高壓射頻功率放大器的設計與傳統(tǒng)低壓固態(tài)射頻功率放大器的設計過程有著顯著的不同，以下50MHz/250W功率放大器的設計過程將有助于工程技術(shù)人員更好的掌握高壓射頻功率放大器的設計方法。

　　2.1射頻功率MOSFET管ARF448A/B的特點

　　ARF448A和ARF448B是配對使用的射頻功率MOSFET，反向耐壓450V，采用TO-247封裝，適用于輸入電壓范圍為75V－150V的單頻C類功率放大器，其工作頻率可設置為13.56MHz、27.12MHz和40.68 MHz。ARF448A/B的高頻增益特性如圖1所示。從圖中可以看出，當頻率達到50MHz時，ARF448的增益約為17dB。

　　2.2 設計指標

　　50MHz/250W功率放大器的設計指標如下：

　　（1）工作電壓：》100V；（2）工作頻率：50MHz；

　?。?）增　　益：》15dB；（4）輸出功率：250W；

　　（5）效　　率：》70%；（6）駐波比：》20:1；

　　2.3 設計過程

　　功率放大器的輸入阻抗可以用一個Q值很高的電容來表示。輸入電容的取值可以參照相應的設計表格，從中可以查出對應不同漏極電壓時的電容取值。當ARF448的漏極電壓為125V時，對應的輸入電容值為1400pF。輸入阻抗取決于輸入功率、漏極電壓以及功率放大器的應用等級。單個功率放大器開關(guān)管負載阻抗的基本計算公式如式（1）所示。

　　注意，利用公式（1）可以準確的計算出A類、AB類和B類射頻功率放大器的并聯(lián)負載阻抗，但并不完全適用于C類應用。對于C類射頻功率放大器，應當采用式（2）：

　　可以算出，當Vdd為150V時，Rp的取值相當于Vdd為50V時的9倍，這對輸出負載匹配非常有利。但是，需要注意的是，此時功率 MOSFET輸出電容的取值并沒有發(fā)生明顯的變化。由于高壓狀態(tài)下的并聯(lián)輸出阻抗顯著增大，輸出容抗也將顯著增大。換句話說，此時輸出容抗將起主要作用。因此，在設計過程中，應當采取相應的措施克服輸出容抗的作用。

　　推挽工作過程需要一個平衡電路，每個開關(guān)管的漏極均與一個雙股扼流電感相連，采用這樣的結(jié)構(gòu)有利于磁通的平衡。

　　綜合考慮最大輸出功率和最壞工作條件，Vdd應取為125V。這樣，每個開關(guān)管將提供125W的輸出功率，與1400pF的輸出電容Cos并聯(lián)的漏極阻抗為90歐姆?？梢圆捎迷黾臃至髌骰虼?lián)電感的方法對輸出電容進行補償。由于已經(jīng)在開關(guān)管的漏極上采用了雙股扼流電感，因此輸出電容補償措施可以考慮采用串聯(lián)補償電感。

　　為了使漏極阻抗呈純阻性，應當在開關(guān)管的漏極上串聯(lián)電感。Rp可以通過公式（2）計算得到，而Cos是Vdd的反函數(shù)。計算出Rp和Xcos之后，選取適當?shù)卮?lián)電感，可以實現(xiàn)共扼匹配，如圖2所示。其中，Cop與并聯(lián)輸出阻抗Cos有關(guān)。

　　通過公式（2）可以計算出Rp等于90歐姆，輸出電容為125pF。在50MHz頻率下，電抗Xcos為－j25.4歐姆。由此可以算出Rs為6.6歐姆，而所需的最優(yōu)取值為6.25歐姆。這就需要將漏極電壓稍稍調(diào)低或者將輸出功率

　　稍稍調(diào)高即可獲得所需的最優(yōu)取值。但是，在實際工作過程中，如果不能通過調(diào)整漏極電壓或輸出功率的方法獲得所需的串聯(lián)等效阻抗值，可以考慮在開關(guān)管上并聯(lián)一個電容以增大Cos的取值，這樣Ls的取值也將相應的變化。增大Ls使Xcos過補償可以增大有效Rs值。如果在負載端增加一個分流電容，可以增大有效Rs值。圖3中的電容C8就是這個分流電容。這樣，電感、分流電容和輸出電容就構(gòu)成了一個π形網(wǎng)絡。

　　盡管功率放大器的DC非常高，但是由于工作頻率高達50MHz，MOSFET的輸入電容將使其輸入阻抗呈現(xiàn)射頻短路狀態(tài)。雖然可以通過增加匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)阻抗匹配，但是匹配網(wǎng)絡的Q值將很高，其成本也將大大提高。最適宜的方法是采用一個簡單的電感網(wǎng)絡來控制變換過程。

　　輸入阻抗在功率放大器工作過程中并不是固定不變的，由于密勒電容效應的作用，輸入阻抗的變化范圍將相當大。

　　圖3是50MHz/250W功率放大器的電路原理圖。門極匹配通過變壓器和調(diào)諧網(wǎng)絡實現(xiàn)。變壓器可以提供推挽結(jié)構(gòu)所需的平衡輸入。推挽結(jié)構(gòu)可以使單個MOSFET的有效輸入阻抗增大約四分之一。注意，變壓器次級不能懸空，應通過接地電阻接地。輸出電路采用前面提到的串聯(lián)補償方法，大電感用于獲得滿意的輸出電阻匹配效果，電容C8是輸出電感網(wǎng)絡的分流電容。T2是雙股環(huán)形分流扼流電感，該電感位于L2/L3補償扼流電感的低阻抗端，射頻電壓對它的影響很小，因此不會飽和。輸出耦合電容需要承擔射頻電流，因此需要采用表面積較大的型號。

　　圖4為實際電路布局圖，該電路采用雙面覆銅板，直接固定在散熱器上。線路板背面均為表面貼元件。而開關(guān)管則通過板上的矩形孔直接固定在散熱器的底面。

　　圖5和圖6所示分別為C類功率放大器在50MHz頻率條件下，增益和效率與輸出功率之間的關(guān)系圖。從圖中可知，輸出功率為150W時的增益最大，高出設計值約4dB，這主要是因為C類功率放大器工作過程中需要進行壓縮，因此實際工作時還是能夠滿足設計要求的。而最大效率則出現(xiàn)在輸入和輸出之間實現(xiàn)共扼匹配的時候。

　　在對實際電路進行檢驗時，將Vdd以5V步長由110V增大到135V，實驗結(jié)果清楚地顯示增益和效率的最佳值出現(xiàn)在125V時。對電路重調(diào)后，將電壓范圍擴大到100V－150V，也能獲得滿意的效果，但是此時將可能出現(xiàn)峰值效率的情況。如果進一步擴大電壓范圍，L2和L3的值就需要作相應的改動。

　　負載冗余測試是在25:1的駐波比條件下進行的。用一根同軸電纜作衰減器，通過調(diào)諧電路改變反射系數(shù)的相位，結(jié)果并未發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

　　3. 結(jié)論

　　前面介紹了50MHz/250W射頻功率放大器的設計方法，該方法可以推廣到其他高壓射頻功率放大器的設計過程中。利用APT公司的專用射頻功率MOSFET將極大的簡化射頻功率放大器的設計過程。

　　射頻功率放大器的特性與使用好壞分析

　　身為射頻工程師，工作多多少少都會涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標、電路組成、效率提升技術(shù)、發(fā)展趨勢……關(guān)于射頻功率放大器，該知道的你都知道么？快來補補課吧！

　　射頻功率放大器RFPA的功能

　　射頻功率放大器RFPA是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大 一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。功 率放大器往往是固定設備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

　　在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號后，射頻已調(diào)信號就由RFPA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡，再由天線發(fā)射出去。

　　圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖

　　放大器的功能，即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容，我們稱之為“信號”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統(tǒng)”來說，它的“貢 獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那么它 就可以貢獻更多，這才體現(xiàn)出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機制設計”存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時間之后，不但不能再提供任 何“貢獻”，反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災難性的。

　　射頻功率放大器RFPA的分類

　　根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：

　　圖2 功率放大器的分類

　　射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲 （A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器 電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類， 但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

　　除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態(tài)外，還有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)的丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

　　射頻功率放大器RFPA的性能指標

　　射頻功率放大器RFPA的主要技術(shù)指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實現(xiàn)不失真放大?？傮w來說，放大器的評判大概存在著如下指標：

　　增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的范圍內(nèi)”，盡可能多的貢獻出“產(chǎn)出”。 工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。 工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大范圍內(nèi)產(chǎn)生“貢獻”。對于一個窄帶放大器來說，其自身設計即便沒有問題，但是其貢獻可能是有限的。 穩(wěn)定性。每一個晶體管都存在著潛在的“不穩(wěn)定區(qū)域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩(wěn)定。放大器的穩(wěn)定性包括兩種，潛在不穩(wěn)定和絕對穩(wěn)定。前者可 能在特定條件和環(huán)境下出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，后者則能夠保證在任何情況下保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性問題之所以重要，是因為不穩(wěn)定意味著“震蕩”，這時放大器不但影響自 身，還會將不穩(wěn)定因素輸出。 最大輸出功率。這個指標決定著放大器的“容量”。對于“大的系統(tǒng)”來說，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。 效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實現(xiàn)一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少，就是好的放大器。 線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進行正確的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態(tài)下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現(xiàn)出這 種“畸形”的性質(zhì)。

　　下面內(nèi)容：射頻功放的電路組成、穩(wěn)定和效率提升方式

　　射頻功率放大器RFPA的電路組成

　　放大器有不同類型，簡化之，放大器的電路可以由以下幾個部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路

　　1、晶體管

　　晶體管有很多種，包括當前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個受控的電流源或電壓源，其工作機制是將不含內(nèi)容的直流的能 量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉(zhuǎn)化成有用的成分。一個晶體管，我們可以視之為“一個單位”。不同的晶體管不同的 “能力”，例如其承受功率的能力有區(qū)別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致；例如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；例如其面 向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

　　2、偏置及穩(wěn)定電路

　　偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區(qū)分，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。

　　晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態(tài)工作點。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位，其定位不 同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有寫定位點上起伏較小，適合于小信號工作；有些定位點上起伏較大，適合于大功率輸 出；有些定位點上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開關(guān)狀態(tài)。一個恰當?shù)钠命c，是正常工作的 礎(chǔ)。

　　穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因為晶體管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。

　　3、輸入輸出匹配電路

　　匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口，不同的晶體管 之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類型來說，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時候做一定的 阻擋，來獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過了頭，否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時謹小慎微，因為他們更不穩(wěn)定，同時，一定的保 留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。

　　射頻功率放大器RFPA穩(wěn)定的實現(xiàn)方式

　　每一個晶體管都是潛在不穩(wěn)定的。好的穩(wěn)定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續(xù)工作”的模式。穩(wěn)定電路的實現(xiàn)方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

　　窄帶的穩(wěn)定電路是進行一定的增益消耗。這種穩(wěn)定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實現(xiàn)的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個頻率范圍內(nèi)貢獻。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負反饋。這種電路可以在一個很寬的范圍內(nèi)工作。

　　不穩(wěn)定的根源是正反饋，窄帶穩(wěn)定思路是遏制一部分正反饋，當然，這也同時抑制了貢獻。而負反饋做得好，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點。比如，負反饋可能會使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負反饋的引入會提升晶體管的線性性能。

　　射頻功率放大器RFPA的效率提升技術(shù)

　　晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點（靜態(tài)工作點）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。

　　包絡跟蹤技術(shù)的實質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相位和包絡，再由不同的放大電路來分別放大。這樣，兩個放大器之間可以專注的負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

　　Doherty技術(shù)的實質(zhì)是：采用兩只同類的晶體管，在小輸入時僅一個工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個晶體管同時工作。這種方法實現(xiàn)的基礎(chǔ)是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會直接的決定了另一支的工作效率。

　　手機射頻模塊功率放大器（PA）市場情況

　　手機功率放大器領(lǐng)域是目前手機里無法集成化的元件，手機性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機強度、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。

　　如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構(gòu)，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構(gòu) 則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點，適用于不同的手機。融合架構(gòu)，PA的集成度高，對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu) 勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當復雜，并且PA集成時有開關(guān)損耗，性能會受影響。而對于后一種架構(gòu)， 性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節(jié)省幾十毫安電流，相當于延長15%的通話時間。所以，業(yè)內(nèi)人士的建議是，大于6個頻段時（不算 2G，指3G和4G）采用融合架構(gòu)，而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。