射頻MOS功率放大電路模擬器的設(shè)計(jì)方案分析

射頻MOS功率放大電路模擬器的設(shè)計(jì)方案分析

1. 引言

本文設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)步驟。

2.50MHz/250W射頻功率放大器的設(shè)計(jì)

高壓射頻功率放大器的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)低壓固態(tài)射頻功率放大器的設(shè)計(jì)過程有著顯著的不同，以下50MHz/250W功率放大器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。

2.1射頻功率MOSFET管ARF448A/B的特點(diǎn)

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(shè)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(dāng)頻率達(dá)到50MHz時(shí)，ARF448的增益約為17dB。

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

50MHz/250W功率放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

(1)工作電壓：》100V;(2)工作頻率：50MHz;

(3)增　　益：》15dB;(4)輸出功率：250W;

(5)效　　率：》70%;(6)駐波比：》20:1;

2.3 設(shè)計(jì)過程

功率放大器的輸入阻抗可以用一個(gè)Q值很高的電容來表示。輸入電容的取值可以參照相應(yīng)的設(shè)計(jì)表格，從中可以查出對應(yīng)不同漏極電壓時(shí)的電容取值。當(dāng)ARF448的漏極電壓為125V時(shí)，對應(yīng)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(yīng)用等級。單個(gè)功率放大器開關(guān)管負(fù)載阻抗的基本計(jì)算公式如式(1)所示。

注意，利用公式(1)可以準(zhǔn)確的計(jì)算出A類、AB類和B類射頻功率放大器的并聯(lián)負(fù)載阻抗，但并不完全適用于C類應(yīng)用。對于C類射頻功率放大器，應(yīng)當(dāng)采用式(2)：

可以算出，當(dāng)Vdd為150V時(shí)，Rp的取值相當(dāng)于Vdd為50V時(shí)的9倍，這對輸出負(fù)載匹配非常有利。但是，需要注意的是，此時(shí)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(shí)輸出容抗將起主要作用。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施克服輸出容抗的作用。

推挽工作過程需要一個(gè)平衡電路，每個(gè)開關(guān)管的漏極均與一個(gè)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(yīng)取為125V。這樣，每個(gè)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。可以采用增加分流器或串聯(lián)電感的方法對輸出電容進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償措施可以考慮采用串聯(lián)補(bǔ)償電感。

為了使漏極阻抗呈純阻性，應(yīng)當(dāng)在開關(guān)管的漏極上串聯(lián)電感。Rp可以通過公式(2)計(jì)算得到，而Cos是Vdd的反函數(shù)。計(jì)算出Rp和Xcos之后，選取適當(dāng)?shù)卮?lián)電感，可以實(shí)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(jì)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(shí)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(gè)電容以增大Cos的取值，這樣Ls的取值也將相應(yīng)的變化。增大Ls使Xcos過補(bǔ)償可以增大有效Rs值。如果在負(fù)載端增加一個(gè)分流電容，可以增大有效Rs值。圖3中的電容C8就是這個(gè)分流電容。這樣，電感、分流電容和輸出電容就構(gòu)成了一個(gè)π形網(wǎng)絡(luò)。

盡管功率放大器的DC非常高，但是由于工作頻率高達(dá)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(luò)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但是匹配網(wǎng)絡(luò)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(gè)簡單的電感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的作用，輸入阻抗的變化范圍將相當(dāng)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(luò)實(shí)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(gè)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(yīng)通過接地電阻接地。輸出電路采用前面提到的串聯(lián)補(bǔ)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(luò)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(bǔ)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(dān)射頻電流，因此需要采用表面積較大的型號。

圖4為實(shí)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(shí)的增益最大，高出設(shè)計(jì)值約4dB，這主要是因?yàn)镃類功率放大器工作過程中需要進(jìn)行壓縮，因此實(shí)際工作時(shí)還是能夠滿足設(shè)計(jì)要求的。而最大效率則出現(xiàn)在輸入和輸出之間實(shí)現(xiàn)共扼匹配的時(shí)候。

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

負(fù)載冗余測試是在25:1的駐波比條件下進(jìn)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(shè)計(jì)方法，該方法可以推廣到其他高壓射頻功率放大器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)、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(bǔ)補(bǔ)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(jī)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(shè)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(luò)，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(gè)“系統(tǒng)”來說，它的“貢 獻(xiàn)”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(xiàn)”，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(xiàn)更多，這才體現(xiàn)出它自身的“價(jià)值”。如果放大器的初始“機(jī)制設(shè)計(jì)”存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任 何“貢獻(xiàn)”，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(zāi)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(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)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(dǎo)通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器 電流的導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(biāo)

射頻功率放大器RFPA的主要技術(shù)指標(biāo)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(shè)計(jì)目標(biāo)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(shí)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(biāo)：

增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著放大器的貢獻(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)”。對于一個(gè)窄帶放大器來說，其自身設(shè)計(jì)即便沒有問題，但是其貢獻(xiàn)可能是有限的。 穩(wěn)定性。每一個(gè)晶體管都存在著潛在的“不穩(wěn)定區(qū)域”。放大器的“設(shè)計(jì)”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?yàn)椴环€(wěn)定意味著“震蕩”，這時(shí)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(gè)指標(biāo)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(shí)現(xiàn)一定的“貢獻(xiàn)”。其貢獻(xiàn)與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻(xiàn)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(jìn)行正確的反應(yīng)。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(yīng)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(gè)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(dāng)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(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)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(gè)晶體管，我們可以視之為“一個(gè)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?yàn)槠淠塬@取的直流能量的能力不同所致;例如其反應(yīng)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(yīng)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?yàn)樗麄兺茈y區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)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(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)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(diǎn)上起伏較小，適合于小信號工作;有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸 出;有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作;有些定位點(diǎn)，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(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，是正常工作的 礎(chǔ)。

穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因?yàn)榫w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(gè)“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(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)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(gè)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(shè)計(jì)方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)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(xiàn)。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn)定，同時(shí)，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(shí)現(xiàn)方式

每一個(gè)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍內(nèi)貢獻(xiàn)。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負(fù)反饋。這種電路可以在一個(gè)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(dāng)然，這也同時(shí)抑制了貢獻(xiàn)。而負(fù)反饋?zhàn)龅煤?，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如，負(fù)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(fù)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(gè)理論上的極限。這個(gè)極限隨偏置點(diǎn)(靜態(tài)工作點(diǎn))的選擇不同而不同。另外，外圍電路設(shè)計(jì)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(luò)跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。

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

Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類的晶體管，在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)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(jī)射頻模塊功率放大器(PA)市場情況

手機(jī)功率放大器領(lǐng)域是目前手機(jī)里無法集成化的元件，手機(jī)性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機(jī)強(qiáng)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(diǎn)，適用于不同的手機(jī)。融合架構(gòu)，PA的集成度高，對于3個(gè)以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu) 勢，5-7個(gè)頻帶時(shí)還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點(diǎn)是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當(dāng)復(fù)雜，并且PA集成時(shí)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(dāng)于延長15%的通話時(shí)間。所以，業(yè)內(nèi)人士的建議是，大于6個(gè)頻段時(shí)(不算 2G，指3G和4G)采用融合架構(gòu)，而小于四個(gè)頻段時(shí)采用PA與雙工器集成的方案PAD。