MESFET功率放大器設(shè)計(jì)：小信號(hào)法

1、 第七講 功率放大器設(shè)計(jì) MESFET 功率放大器設(shè)計(jì)：小信號(hào)法 基本工程問(wèn)題: 沒(méi)有大信號(hào)器件模型,怎樣設(shè)計(jì)功率放大器?*許多器件供應(yīng)商不提供其器件的大信號(hào)模型.*通常提供的唯一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是器件的小信號(hào)S參數(shù)和靜態(tài)IV曲線.*利用前面STEVE CRIPPS 介紹的負(fù)載線法,根據(jù)這些數(shù)據(jù)足以設(shè)計(jì)第一類(lèi)的功率放大器.功率放大器是大信號(hào)器件，因?yàn)樵诮咏β曙柡蜁r(shí)其特性呈現(xiàn)非線性。但許多場(chǎng)合，設(shè)計(jì)師僅有一組小信號(hào)S參數(shù)，在電路仿真時(shí)，作為表示有源器件的根據(jù)。由于這些S參數(shù)只適用于小信號(hào)，在大信號(hào)時(shí)怎樣設(shè)計(jì)最大射頻輸出功率和線性，并不清楚。Steve Cripps提出一種方法，可以用器件的靜態(tài)IV曲線

2、確定大信號(hào)負(fù)載線阻抗（RL），設(shè)計(jì)第一類(lèi)放大器。RL用做目標(biāo)阻抗，即用輸出匹配電路表示的管子漏極負(fù)載。用該方法設(shè)計(jì)師可以對(duì)RF最大輸出功率優(yōu)化輸出電路，同時(shí)對(duì)最佳輸入匹配和最大增益優(yōu)化輸入電路。通常輸出匹配較差，這是因?yàn)闉榱溯敵鲎畲驲F功率，有意造成一定失配（即：輸出匹配對(duì)RL優(yōu)化，而不是對(duì)器件的S22優(yōu)化）。該方法的局限性*僅對(duì)最大Psat優(yōu)化*僅對(duì)A類(lèi)和AB類(lèi)工作狀態(tài)有效*無(wú)法計(jì)算交調(diào)產(chǎn)物：IM3，IMR5，IP3*無(wú)法計(jì)算諧波電平*無(wú)法計(jì)算ACPR（對(duì)數(shù)字調(diào)制）小信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)有其局限性。輸出電路對(duì)最大RF飽和功率優(yōu)化，但不一定對(duì)最大線性功率。就是說(shuō)無(wú)法直接計(jì)算1dB壓縮點(diǎn)輸出功率。而且也

3、無(wú)法直接計(jì)算放大器的二音交調(diào)性能：IM3，IM5，IP3和IP5。為了計(jì)算這些重要參數(shù)，設(shè)計(jì)師必須依靠測(cè)量法或“經(jīng)驗(yàn)（rules of thumb）”。MESFET放大器的兩個(gè)重要“經(jīng)驗(yàn)”是：*P-1dB比Psat約低1dB。*IP3比P-1dB約高1012dB。論題： 用小信號(hào)法求解最大功率*設(shè)計(jì)流程圖（步驟）*指標(biāo)*選擇器件*由IV曲線計(jì)算負(fù)載線電阻*匹配網(wǎng)絡(luò)*分布參數(shù)與集總參數(shù)*仿真：增益，輸入匹配和輸出匹配*提取封裝參數(shù)*使輸出功率最大：匹配負(fù)載線電阻*用K因子衡量放大器的穩(wěn)定性基本設(shè)計(jì)流程圖：設(shè)計(jì)步驟：依據(jù)級(jí)連放大器鏈的要求選擇器件。保證整個(gè)放大器鏈同時(shí)平滑地進(jìn)入飽和區(qū)。沒(méi)有任意一級(jí)

4、先飽和。*根據(jù)頻率，帶寬，成本目標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)選擇匹配電路結(jié)構(gòu)。*根據(jù)工作類(lèi)型和電源要求選擇偏置電路。MESFET要求偏置電路提供負(fù)柵壓。對(duì)于高線性電路，推薦使用A類(lèi)工作。在A類(lèi)工作時(shí)，直流漏極電流應(yīng)為器件Imax的1/2。*對(duì)增益和輸入匹配優(yōu)化輸入電路。*確定器件靜態(tài)IV曲線負(fù)載線。*提取封裝寄生元件，它們將是整個(gè)輸出匹配電路的一部分。*優(yōu)化輸出匹配電路達(dá)最佳值RL（這是達(dá)到RF輸出功率最大的條件）。*若需要，增加電路元件，保證寬帶無(wú)條件穩(wěn)定。小信號(hào)設(shè)計(jì)流程圖:小信號(hào)設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明： 使用器件的小信號(hào)S參數(shù)仿真和優(yōu)化增益和輸入匹配電路。 使用器件的IV曲線確定負(fù)載線RL。為使輸出功率最大，用RL表示

5、器件的“內(nèi)部”漏極負(fù)載，以此作為輸出匹配電路的“目標(biāo)”。該法以基本網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)復(fù)阻抗提供良好匹配，則網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于負(fù)載阻抗的復(fù)數(shù)共軛值?，F(xiàn)在的負(fù)載阻抗是純實(shí)數(shù)RL，所以最佳輸出匹配電路反映到器件漏極負(fù)載的阻抗是RL的復(fù)數(shù)共軛值，即RL，因?yàn)樨?fù)載阻抗的虛部為零。根據(jù)MESFET管IV曲線，計(jì)算最大RF功率輸出時(shí)的負(fù)載線RL 產(chǎn)生最大RF功率的合適輸出阻抗可由測(cè)試確定，也可用圖解管子的靜態(tài)IV曲線得到。負(fù)載線電阻RL必須用輸出匹配電路表示的管子輸出負(fù)載來(lái)表示。為得到最好線性，應(yīng)在線性最好的A類(lèi)工作狀態(tài)下，選擇負(fù)載線。通過(guò)最大化放大器的線性，可做出最適合于數(shù)字調(diào)制工作（如C

6、DMA或TDMA）的放大器。計(jì)算負(fù)載線電阻根據(jù)偏置電壓和輸出功率計(jì)算在A類(lèi)工作中，以輸出功率為函數(shù)，偏置條件為參量（Vb-Vs）計(jì)算RL， RL=SQR（Vb-Vs）/2Pout在IV圖中表示出依輸出功率求RL的公式。僅由要求的輸出功率和預(yù)計(jì)的漏源電壓就能直接求得RL。負(fù)載牽引實(shí)驗(yàn)表明，除了考慮純負(fù)載線電阻外，還必須考慮匹配一個(gè)小電抗，即與RL并聯(lián)的電容Cds。Cds值已由實(shí)驗(yàn)得到，約每毫米柵寬0.10PF。計(jì)算最小擊穿電壓與RL的關(guān)系:在器件可靠的前提下,擊穿電壓是確定GaAs MESFET器件偏置電壓和最大輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，器件可靠性是一個(gè)非常重要的因素。器件結(jié)合點(diǎn)間

7、的雪崩擊穿是器件非熱失效的主要原因。本節(jié)討論擊穿電壓與偏置條件和RF信號(hào)電平間的關(guān)系。先分析該重要論題的條件和考慮因素。在一組偏置電壓下，為了得到最大輸出功率，設(shè)計(jì)A類(lèi)GaAs MESFET功率放大器時(shí)，必須為管子的漏-源端提供最佳負(fù)載線電阻。該電阻很容易用圖解法從靜態(tài)IV曲線得到。如果管子輸出端接的不是最佳負(fù)載電阻，會(huì)怎樣呢？如負(fù)載電阻小于最佳值，RF輸出電壓峰值會(huì)減小，降低了擊穿失效的危險(xiǎn)。但如果負(fù)載電阻大于最佳值，RF輸出電壓將提高，就增加了擊穿的危險(xiǎn)。上圖標(biāo)出了RL，輸出功率和擊穿電壓的關(guān)系。 對(duì)指標(biāo)仿真的可行性 選管： 選用Fujitsu FLL351ME管，它可提供11dB增益，+

8、35dBm輸出功率。適用于各種移動(dòng)電話和PCS基站放大器的輸出級(jí)。上圖有其靜態(tài)IV曲線。 上圖是FLL351ME的小信號(hào)S參數(shù)，必須將其讀入仿真器，計(jì)算增益，匹配和穩(wěn)定因子K。 Fujitsu FLL351ME推薦電路如圖。電路是分布參數(shù)電路，用Er=9.7，厚0.65mm的介質(zhì)電路板制成。該電路用于證明FLL351ME在某頻率（2.3GHz）提供增益和輸出功率的能力。我們以此電路開(kāi)始小信號(hào)設(shè)計(jì)過(guò)程。 根據(jù)FLL351ME數(shù)據(jù)表中的IV曲線，利用公式取得RL值。MESFET 管的輸出電路模型： 為了優(yōu)化MESFET管的輸出電路，為其提供準(zhǔn)確的RL，應(yīng)當(dāng)將管子的封裝參數(shù)計(jì)入輸出匹配電路。管子Cd

9、s和漏極，源極所有寄生元件都必須計(jì)入總輸出匹配電路。封裝寄生元件可從管子的 小信號(hào)S參數(shù)中取得。若管子無(wú)封裝，是一個(gè)裸露的芯片（混合或MMIC結(jié)構(gòu)），則可忽略封裝元件，簡(jiǎn)化輸出匹配電路。當(dāng)然，任何引線都必須計(jì)為電路元件。 集總元件匹配電路結(jié)構(gòu)： 匹配電路完成兩個(gè)功能： 為了得到高增益和最大輸出功率，匹配電路將50歐姆源和負(fù)載阻抗變換到合適的阻抗，匹配MESFET管的源極和漏極。匹配電路含有電抗元件，因此對(duì)頻率有選擇性。匹配電路也決定了放大器的中心頻率和帶寬。在較低頻率，上述集總元件匹配電路很有用。這時(shí)，小尺寸的集總電容和線繞電感比大尺寸的與波長(zhǎng)有關(guān)的分布參數(shù)電路重要。這一特定集總參數(shù)匹配電路是

10、低通結(jié)構(gòu)。高通結(jié)構(gòu)也能使用，可把兩者混合使用。若要在所需帶寬里達(dá)到良好匹配，要增加更多級(jí)電路。通常應(yīng)使用盡量少的級(jí)數(shù)，減少兩電路的復(fù)雜性和成本。偏置通過(guò)加在柵極和漏極電路的扼流電感和旁路電容提供。輸入和輸出端用串聯(lián)電容隔直流。分布參數(shù)元件匹配電路: 上圖匹配電路是前述集總元件匹配電路的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。在分布參數(shù)電路中，用細(xì)長(zhǎng)的微帶線代替電感。用短而寬的微帶線代替并聯(lián)電容。偏置扼流圈用1/4波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成。因?yàn)榉植紖?shù)匹配電路的元件尺寸與頻率成比例，則意味著類(lèi)似的電路在較高的頻率，會(huì)變得更小，所以非常適用于高頻電路。在低頻使用分布參數(shù)電路，其尺寸會(huì)太大，難以實(shí)現(xiàn)。 上圖摘自Fujitsu 1997年微

11、波半導(dǎo)體手冊(cè)第358頁(yè)。PCB板厚26密爾，介電常數(shù)9.7。在輸入和輸出端加了隔直流電容。柵、漏偏置扼流圈也已接入。下面我們來(lái)仿真該電路的性能。 可用ADS仿真整個(gè)單端FLL351ME放大器。得到小信號(hào)增益，輸入和輸出匹配，隔離以及穩(wěn)定因子K。如果需要，可用ADS優(yōu)化器改變?cè)?，改善電路性能?從上圖可見(jiàn)小信號(hào)增益，輸入匹配和輸出匹配性能都很好。增益大于10.0dB，輸入和輸出匹配在1.8GHz還不算壞，它在更高些的頻率（Fujitsu 電路中心頻率）有一峰值。預(yù)計(jì)調(diào)整輸出匹配電路匹配RL，產(chǎn)生最大輸出功率時(shí)，輸出匹配將變差。 由圖可見(jiàn)，在高于1.8GHz頻率（電路中心頻率），隨著輸入匹配的

12、改善，輸出匹配變差。這是對(duì)產(chǎn)生最大輸出功率，優(yōu)化輸出匹配電路的結(jié)果。器件的輸出匹配：取得封裝寄生參數(shù)的方法：*從器件制造商處取得。*測(cè)量封裝寄生參量。*電磁分析（EM）封裝模型。*由器件S參數(shù)取得。 在準(zhǔn)備對(duì)產(chǎn)生最大射頻輸出功率優(yōu)化輸出匹配電路時(shí)，必須確定管子的封裝寄生元件。因?yàn)樗鼈兪强傒敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)的一部分。如不能從器件供應(yīng)商處得到，則須通過(guò)測(cè)量（非常困難）、計(jì)算（要求全面的EM仿真）或從小信號(hào)S參數(shù)提取?，F(xiàn)在最直接的方法是提取法，在下面介紹。 封裝MESFET管的等效電路包含一組管子本征元件加一組封裝寄生元件。圖中畫(huà)出了這兩類(lèi)電路元件的邊界。從小信號(hào)S參數(shù)提取封裝寄生元件。 使用封裝GaAs

13、 MESFET 管設(shè)計(jì)功率放大器的一個(gè)重要考慮，是準(zhǔn)確確定封裝寄生元件，因?yàn)檫@些元件是整個(gè)輸入和輸出匹配電路的一部分，影響整個(gè)仿真。因?yàn)檩敵銎ヅ潆娐肥桥c管子的負(fù)載電阻RL匹配的，不與包含封裝寄生元件的S參數(shù)匹配，所以設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí),這是重點(diǎn)考慮因素。負(fù)載線電阻RL是輸出匹配電路必須呈現(xiàn)給管子的阻抗，但這些寄生元件使RL產(chǎn)生變化。所以它們成為整個(gè)輸出匹配電路的重要部分。所有成功的設(shè)計(jì)努力，都必須考慮這些封裝元件的影響。ADS電路原理圖參照ADS例題“amodelB_pri under mw_ckts”。 封裝寄生元件可簡(jiǎn)單地模擬成串聯(lián)在柵、漏、源端的電阻-電感電路。可用HP/EESOF AD

14、S仿真該模型的電原理圖，分析該等效電路。用ADS優(yōu)化器調(diào)整模型的S參數(shù)，可以無(wú)限接近器件的小信號(hào)S參數(shù)。所有電路元件都指定為優(yōu)化變量，依次變化，使S參數(shù)與等效電路趨于一致。為了進(jìn)行快速和精確的優(yōu)化，用一組接近管子等效電路元件真實(shí)值為初值，是很重要的開(kāi)端。對(duì)于無(wú)封裝芯片，在A類(lèi)工作（Idss/2，Vds=8V）條件下，可根據(jù)GaAs MESFET管的總柵寬W（mm），定量計(jì)算出其等效電路元件近似值。這組管子參數(shù)為： Cgs=1.0 pF/mm Cgd=0.04 pF/mm Rin=4.1 Ohms-mm Rds=184 Ohms-mm Cds=0.20pF/mm Gm=0.082 S/mm 根據(jù)

15、管子的小信號(hào)S參數(shù)模型和IV曲線，仿真放大器的輸出功率特性： 如果設(shè)計(jì)師只有小信號(hào)S參數(shù)（及靜態(tài)IV特性曲線）作為模型來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器，他必須以盡可能與RL（相對(duì)RF最大輸出功率的負(fù)載線電阻）匹配為目標(biāo)，優(yōu)化和確定輸出匹配電路元件值。然后可優(yōu)化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸入匹配電路。這不會(huì)影響輸出功率。在優(yōu)化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模型，再在工作頻率對(duì)其優(yōu)化，達(dá)到與RL的最佳匹配。取得的漏、源封裝元件必須包括在該模型中，這些元件完全或在很大程度上確定了串聯(lián)匹配電感。而且，在ADS電原理圖中，考慮到所有元器件的寄生參量是很重要的。例如，通孔和貼片元件（電容、電阻和電感）。與元件廠商

16、聯(lián)系，取得各元件寄生參量的精確值。請(qǐng)記住，仿真只是盡可能精確到元件的模型值。 輸出匹配電路是在正確的頻率上諧振，但匹配情況很臨界。這表明匹配電路未合適地調(diào)整到RL，對(duì)于FLL351ME管為11歐姆。 管子漏極負(fù)載RL=11.4歐姆，要確定匹配電路距目標(biāo)值RL多遠(yuǎn)，就必須改變電路的仿真原理圖，去“測(cè)量”由整個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（端接50歐姆負(fù)載）表示的漏極負(fù)載阻抗。偏置電路的影響較小，在仿真時(shí)略去。 對(duì)匹配電路反映到管子漏極的阻抗進(jìn)行仿真，得阻抗實(shí)部約20歐姆，不是所要求的11歐姆。這說(shuō)明管子未匹配到最大輸出功率的阻抗。 根據(jù)管子的小信號(hào)S參數(shù)模型和IV曲線，優(yōu)化放大器的輸出功率特性： 如果設(shè)計(jì)師只有

17、小信號(hào)S參數(shù)（及靜態(tài)IV特性曲線）作為模型來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器，他必須以盡可能與RL（相對(duì)RF最大輸出功率的負(fù)載線電阻）匹配為目標(biāo)，優(yōu)化和確定輸出匹配電路元件值。然后可優(yōu)化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸入匹配電路。這不會(huì)影響輸出功率。在優(yōu)化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模型，再在工作頻率對(duì)其優(yōu)化，達(dá)到與RL的最佳匹配。取得的漏、源封裝元件必須包括在該模型中，這些元件完全或在很大程度上確定了串聯(lián)匹配電感。而且，在ADS電原理圖中，考慮到所有元器件的寄生參量是很重要的。例如，通孔和貼片元件（電容、電阻和電感）。與元件廠商聯(lián)系，取得各元件寄生參量的精確值。請(qǐng)記住，仿真只是盡可能精確到元件的模型值。

18、 用ADS優(yōu)化器對(duì)最佳優(yōu)化RL=11.4歐姆調(diào)整輸出電路元件值，輸出匹配情況大大改善。反射損耗接近-15dB，表明與RL良好匹配。 通過(guò)再次對(duì)阻抗Z（最佳輸出電路反映到管子漏極終端的阻抗）仿真，可知目前阻抗的實(shí)部非常接近11歐姆。這表明管子的輸出阻抗與產(chǎn)生最大RF輸出功率的阻抗良好匹配。 下面，在寬頻帶內(nèi)，用ADS仿真計(jì)算放大器的穩(wěn)定因子。發(fā)現(xiàn)放大器在工作頻率是無(wú)條件穩(wěn)定的，但在低頻端，降為有條件穩(wěn)定。這是一個(gè)非常常見(jiàn)的結(jié)果，因?yàn)楦吖β蔒ESFET的跨導(dǎo)非常高，從而導(dǎo)致低頻潛在的高增益。就產(chǎn)生了低頻穩(wěn)定性問(wèn)題，必須通過(guò)添加穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)加以糾正。 為了在所有頻率達(dá)到無(wú)條件穩(wěn)定，放大器的穩(wěn)定因子K必須

19、大于1。為提高穩(wěn)定性，把一個(gè)50歐姆電阻和四分之一波長(zhǎng)短路線串聯(lián)的簡(jiǎn)單電路，并接于單端放大器的輸入端。該網(wǎng)絡(luò)大大提高了功率放大器的穩(wěn)定性，解決了功率MESFET高跨導(dǎo)引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。 添加了50歐姆電阻和1/4波長(zhǎng)短路線穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)后，放大器的低頻穩(wěn)定性明顯改善。下面，我們來(lái)檢查一下帶有最佳輸出電路和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的放大器的增益和匹配情況。 現(xiàn)在的放大器帶有最佳輸出電路和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其增益，輸入匹配情況和輸出匹配情況進(jìn)行最終仿真?？梢?jiàn)增益微降（約0.7dB），輸出匹配情況沒(méi)有前面好。這兩點(diǎn)是預(yù)期到的，因?yàn)樽罴演敵鲭娐肥菍?duì)最佳輸出功率匹配的，所以輸出電路對(duì)小信號(hào)S參數(shù)（S22）失配，引起增益和輸出匹配微

20、降。但總得來(lái)說(shuō)，增益和匹配性能還是很好的，并保證RF輸出功率最大，且有優(yōu)良的穩(wěn)定性。 譯自：“MESFET Power Amplifier Design : Small Signal Approach” 侯世淳 2002.4.28.于深圳微波線性功率放大器綜述1概述微波線性功率放大器在現(xiàn)代微波（無(wú)線）通信系統(tǒng)中的重要性越來(lái)越大。特別是在CDMA體制移動(dòng)通信系統(tǒng)中，線性功率放大器已經(jīng)是必不可少的重要部件。2基本指標(biāo)2.1 AM/AM AM/PM失真一個(gè)HPA的線性特征可以用AM/AM和AM/PM 曲線來(lái)表示. 輸入的RF 信號(hào)可以表示為：x(t)=Ri(t)´cosw0t+qx(t) (1) 相應(yīng)的輸出表示為：y(t)=GRi(f) ´cosw0t+qx(t)+yRi(f) (2)其中G和y表示AM/AM 和AM/PM曲線，如圖一。圖. 1 實(shí)測(cè)的放大器失真曲線理想的線性功放的曲線如圖2。圖. 2 理想的放大器AM/AM和AM/PM曲線2.2 雙音IMD、IP3、P1dB雙音IMD，在放大器輸入端加入兩個(gè)CW信號(hào)，在放大器的輸出端測(cè)量的3階、5階等信號(hào)大小，以dBc表示。IP3（三階截點(diǎn)）及P1dB定