功率放大器設計的關鍵：輸出匹配電路的性能要點

1、功率放大器設計的關鍵：輸出匹配電路的性能對于任何功率放大器（功率放大器）設計，輸出匹配電路的性能都是個關鍵。 但是，在設計過程中，有一個問題常常為人們所忽視，那就是輸出匹配電路的 功率損耗。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡的電容器、電感器，以及其他耗能元 件中。功率損耗會降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。因為輸出匹配電路并不是一個50Q的元件，所以耗散損失與傳感器增益有很大 的區(qū)別。輸出匹配的具體電路不同，損耗也不一樣。對于設計者而言，即使他 沒有選擇不同技術(shù)的余地，在帶寬和耗散損失之間，在設計方面仍然可以做很 多折衷。匹配網(wǎng)絡是用來實現(xiàn)阻抗變化的，就像是功率從一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)傳送另一個 系統(tǒng)

2、或者子系統(tǒng)，RF設計者們在這上面下了很大的功夫。對于功率放大器，阻 抗控制著傳送到輸出端的功率大小，它的增益，還有它產(chǎn)生的噪聲。因此，功 率放大器匹配網(wǎng)絡的設計是性能達到最優(yōu)的關鍵。損耗有不同的定義，但是這里我們關心的是在匹配網(wǎng)絡中，RF功率以熱量的形式耗散掉的損耗。這些損耗掉的功率是沒有任何用途。依據(jù)匹配電路功能的不 同，損耗的可接受范圍也不同。對功率放大器來講，輸出匹配損耗一直是人們 關注的問題，因為這牽涉到很大的功率。效率低不僅會縮短通話時間，而且還 會在散熱和可靠性方面帶來很大的問題。例如，一個GSM功率放大器工作在3.5V電壓時，效率是55%能夠輸出34dBm 的功率。在輸出功率為最

3、大時，功率放大器的電流為1.3A。匹配的損耗在0.5dB到1dB的數(shù)量級，這與輸出匹配的具體電路有關。在沒有耗散損失時， 功率放大器的效率為 62%到 69%。盡管損耗是無法完全避免的，但是這個例子告 訴我們，在功率放大器匹配網(wǎng)絡中，損耗是首要問題。耗散損失現(xiàn)在我們來看一個網(wǎng)絡，研究一個匹配網(wǎng)絡（圖1a）中的耗散損失。電源通過無源匹配網(wǎng)絡向無源負載傳輸功率。在電源和負載阻抗之間沒有任何其他的限 制。把匹配網(wǎng)絡和負載合在一起考慮，電源輸出一個固定量的功率 Pdel 到這個 網(wǎng)絡（圖1b）。輸出功率的一部分以熱量的形式耗散在匹配網(wǎng)絡中。而其余的 則傳輸?shù)截撦d。Pdel是傳輸?shù)狡ヅ渚W(wǎng)絡和負載（圖1c

4、 ）上的總功率，PL是傳 輸?shù)截撦d的那部分功率。了解了這兩個量，我們就可以知道，實際上到底有多大的一部分功率是作為有 用功率從電源傳輸?shù)搅素撦d，其比例等于 PL/Pdel 。這是對功率放大器輸出匹配的耗散損失的正確測量，因為它只考慮了實際傳輸 功率以及耗散功率。反射功率沒有計算進去。由此可知，這個比例就等于匹配網(wǎng)絡工作時的功率增益GP而工作時的功率增益完整表達式為：這里，是負載反射系數(shù)，是匹配網(wǎng)絡的 s參數(shù)，損失就是增益的倒數(shù)。因此， 耗散損失可以定義為：Ldiss = 1/GP。對于功率放大器而言，我們?yōu)樗O計的負載一般是 50Q。通常，我們用來測量 s參數(shù)的系統(tǒng)阻抗也是50Q。如果系統(tǒng)阻抗

5、和負載都是50Q，那么就為0,于 是，上面的表達式就可以簡化為：在計算一個匹配網(wǎng)絡的耗散損失時，只需要知道它的傳輸值和反射散射參數(shù)的 大小，這些可以很容易地從s參數(shù)的計算過程中得到，因為網(wǎng)絡分析儀通常都 會采用線性的方式來顯示s參數(shù)的值。在評估輸入和級間耗散損失時，負載的 阻抗不是50Q,但是上述的規(guī)律依然適用。因為反射和耗散損失很容易混淆，射頻工程師有時就會采用錯誤的方法來計算 耗散損失。而最糟糕的方法就是采用未經(jīng)處理的s21來進行計算。一個典型的匹配網(wǎng)絡在1GHz （圖2 ）時，對功率放大器而言，是數(shù)值為 4+j0 Q的負載阻 抗。匹配網(wǎng)絡采用的是無損耗元件來進行模擬的，所以在匹配網(wǎng)絡中不

6、存在功 率的耗散問題。然而，s21卻是-6dB，因為在50Q的源阻抗和4Q的負載之 間存在著巨大的不匹配問題。作為一個無損耗網(wǎng)絡，除了一些數(shù)字噪音外，模 擬的耗散損失為0dB。在電路的模擬當中，我們可能可以采用 S21來求出正確的耗散損失。這一過程 包括采用復雜模擬負載線的共軛阻抗來作為源阻抗。由于耗散損失和源阻抗并 沒有關系，所以，這是一個正確的方法，但是不便于使用。另一種通用的方法就是采用電路模擬器中的最大增益來計算。由于這一測量采 用了 ADS所以它用起來比較方便。但是，它有可能會得到錯誤的答案。在一 個只有50 Q串聯(lián)電阻的簡單電路里，顯然，負載也是 50Q，50Q串聯(lián)電阻的 耗散損失

7、是3dB,因為傳輸功率是均分給了串聯(lián)電阻和負載（表 1）。在這個例 子當中，模擬器可以選擇1GQ的負載阻抗。當50 Q的電阻和1GQ負載串聯(lián)在 一起時，它上面的電壓降非常低，而功率的耗散也非常的少。正確的計算方法應該是采用工作功率增益。用其他方法可能也能得到相同的結(jié) 果，但是不能保證一定可以得到結(jié)果。當負載為50Q時，要得到工作功率增益，是非常簡單的，我們沒有理由不用它。輸出匹配電路輸出匹配的具體電路不同，最終的損失也不同。在微波頻譜的低端，傳輸線占 據(jù)了太多的空間，所以采用了集總元件的方法。在一個功率放大器模塊的典型 輸出匹配電路中，使用大容量的隔直電容器來防止直流電流從功率放大器電源 流到

8、負載中去（圖 2）。用表面貼裝電容器和印制電感器以及表面貼裝電感器 組成的兩節(jié)低通匹配網(wǎng)絡，可以將 50Q的名義負載阻抗轉(zhuǎn)化成合適的負載線。 而負載線的設置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。手機放 大器的負載線變化范圍為1 Q到5Q。我們可以采用標準的或高 Q值電容器。還有另一個正在逐漸流行起來的做法就 是采用集成電容。在許多工藝技術(shù)（包括 GaAs和CMO）中，高品質(zhì)的金屬-高 介電質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的儲存電容器都是可以用的。有一家供應商提供不使用任何表 面貼裝元件的完整的GSM功率放大器模塊，所有的匹配網(wǎng)絡使用的都是引腳框 架走線和集成電容。除了可以減小尺寸外，采用集成電容在成本方

9、面有它的優(yōu) 勢，這點可以通過采用更好的生產(chǎn)線、降低裝配的復雜性、節(jié)省物流工作，以 及縮短交貨時間來實現(xiàn)。把損失降到最低 即使設計者無法選擇不同的技術(shù)，在帶寬和耗散損失之間，他們?nèi)匀豢梢杂泻?大空間可以在設計方面進行折衷。要想了解一個輸出匹配的損耗機制，有一個 辦法，就是采用無損耗元件來模擬匹配，然后每次在一個元件上引入損耗機制（表 2 ）。 電容器的品質(zhì)因數(shù)與它的電容量是成反比的。要想使輸出匹配的耗散損失達到 最小，那么在輸出匹配中， Cl 的值就必須盡可能地小。折衷是在帶寬和耗散損 失之間做出的。對于一個功率放大器的效率而言，耗散損失是非常關鍵的。耗散損失的值就等 于匹配網(wǎng)絡工作功率增益的倒

10、數(shù)，而與源阻抗的任何特性都沒有關系。當負載 阻抗為50Q時，耗散損失的計算公式非常簡單，且很容易應用在設計上。 也有其他的方式可以測量輸出匹配的損耗，但是這些測量方法有時會得到錯誤 的結(jié)果。在輸出匹配電路上，采用不同的電容器技術(shù)會帶來不同的損失。集成 電容非常適合用在低損失輸出匹配上。即使已經(jīng)選定了電容器技術(shù)，在帶寬和 耗散損失之間還是存在著很大的空間在設計方面進行折衷。表150 Q串聯(lián)電阻的耗散損失模擬結(jié)果 -3.5 dB最大增益 0.0 dBGp -3.0 dB表 2 輸出匹配的機械損耗有損失的兀件在1GHz時耗散損失L1 0.17 dBC1 0.66 dBL2 0.15 dBC2 0.11 dBCout 0.03 dB總計 1.11 dB圖1為計算求匹配網(wǎng)絡的耗散損失而構(gòu)造的網(wǎng)絡（a）。把匹配網(wǎng)絡