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    高效率F類對講機功率放大器的設計與實現
    信息來源:   發布時間:2013-10-23   瀏覽:


    摘要:研究了 F類射頻功率放大器的電路結構與工作原理,并設計了一個工作頻段為405 ~ 415 MHz、輸出功率為30 dBm、功率附加效率達到65%的高效率低諧波失真的F類對講機功率放 大器。為了達到設計指標,設計采用了一些特殊的方法,包括采用兩級單端結構功率放大器結 構、F類功率放大器輸出匹配網絡,并針對諧波失真過大進行了片外濾波器的設計,有效地濾除 了諧波(各階諧波小于-69 dBc)。最后采用2pmGaAsHBT工藝F類對講機功率放大器,經過對 實際芯片的測試證明結果完全滿足設計指標。

    關鍵詞:F類射頻功率放大器;單端結構;輸出匹配網絡;諧波失真;片外濾波器

    中圖分類號:TN722 文獻標識碼:A 文章編號:1003-353X (2009 ) 03-0295-04

    Design and Realization of High Efficiency Class F Power Amplifier for

    Interphone Application

    Nan Jingchang, Liu Lei

    (School of Electrics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Hidudao 125105, China)

    Abstract: Circuit structure and working principle of the Class F power amplifier were presented,a high efficiency and low THD power amplifier for interphone application was designed, working at 405-415 MHz, output power 30 dBm,and PAE 65 %,some special methods were used in the design,including the two-stage single end structure power amplifier, output match net of Class F power amplifier, and the design of out of chip filter for big THD,disposing the THD effectively (THD is under - 69 dBc) . At last,the Class F power amplifier is implemented with 2 pm GaAs HBT technology. After testing of the real chip,it proves the results fulfill the design goal.

    Key words: Class F power amplifier; single end structure; output match net; THD; filter out of chip

    EEACC: 1220

    o引言

    無線電對講機的應用非常廣泛,即時溝通、一 呼百應、經濟實用、運營成本低、不耗費通話費 用、節約使用方便,同時還具有組呼通播、系統呼 叫、機密呼叫等功能。在處理緊急突發事件中,在 進行調度指揮中其作用是其他通信工具所不能比擬 的。無線電對講機和其他無線通信工具(如手機)

    其市場定位各不相同,難以互相取代,還將長期使 用下去。數字通信可以提供更豐富的業務種類、更 好的業務質量、更好的保密特性、更好的連接性和 更高的頻譜效率⑴。

    功率放大器的設計對于對講機的性能有著重要 的影響。針對對講機對飽和輸出功率、功率附加效 率、諧波失真等幾個特性指標要求較高的特點,設
    計采用F類功率放大器工作模式來提高效率,針對 設計過程中諧波失真過大的問題,提出了一種諧波
    最后采用2 [im GaAs HBT工藝實現了高效率F類對 講機功率放大器。
    1 F類功率放大器工作原理

    F類功率放大器使用輸出濾波器對晶體管集電 極電壓或者電流中的諧波成分進行控制,歸整晶體 管集電極的電壓波形或者電流波形,使得它們沒有 重疊區,減小開關的損耗,提高功率放大器的效率。

    如果驅動信號是一個占空比為50%的方波信 號,晶體管可近似作為一個理想開關,集電極看到 的基頻阻抗為Rl’高階奇次諧波阻抗為無窮大,而 高階偶次諧波阻抗為0。因此晶體管集電極的電壓


    波形中將包含有各奇次諧波成分,它是一個理想的 方波。由于晶體管集電極看到的各高階奇次諧波阻 抗為無窮大,而各高階偶次諧波阻抗為0,因此流 過開關的電流中僅包含有基頻頻率成分和各髙階偶 次諧波成分。在傳統功率放大器分析中,巳經知道 B類放大器中流過輸出晶體管的電流就僅具有這些 成分,因此F類放大器流過開關的電流波形與B類 放大器的電流波形一樣,也是半個周期的正弦波。 流過開關電流中的基頻成分在負載Rl上產生輸出功 率,而其他髙階偶次諧波成分則由LC并聯諧振網絡 短路到地,因此負載上的電壓波形和電流波形都是 理想的正弦波,沒有諧波損耗[2]。

    晶體管集電極電壓的峰值為2Fd。,基頻成分的 幅度為

    n - 7 ^dc (1)

    如果流過開關的電流峰值為/pk,則這個電流中 的基頻成分和直流成分分別為

    /1=孕

    晶體管的寬度應根據最大電流要求/-來確定。 而優化負載阻抗值為 R

    op,_ A、/pk F類放大器的輸出功率為

    ^out 一 兀 ^dc ,pk

    電源提供的直流功耗為

    ^dc _ ^dc ^dc —兀 ^dc ^pk 一 ^out

    因此理想F類放大器的效率為100%。

    F類放大器的功率利用因子為
    設計難點在于高效率、低諧波的設計目標,因 此電路采用了開關模式功率放大器中的F類工作模 式,并對諧波進行了優化。圖2為F類功率放大器 輸出濾波器網絡。


    為了滿足輸出功率iw的設計指標,輸出阻抗 7?一選擇5&pound;1。由于要提高效率,設計的輸出網絡為 F類功率放大器采用的輸出濾波器網絡,這個網絡 的特點是:晶體管工作時,在高階奇次諧波頻率處, 從晶體管漏端看到的高階奇次諧波阻抗為無窮大, 即開路;在高階偶次諧波頻率處,從晶體管漏端看 到的髙階偶次諧波阻抗為0,即短路。圖3為輸出匹 配網絡的仿真結果,從仿真結果可以看出,輸出網 絡對二次諧波進行了濾除,二階諧波的阻抗很小, 接近Ofl;三階諧波的阻抗很大,可視其為無窮大, 滿足設計的理論要求。
    圖3輸出匹配網絡仿真結果 Fig.3 Simulation results of output matching
    3電路仿真與諧波優化

    本次設計采用Agilent公司的ADS軟件對電路進 行了仿真和優化,晶體管采用2 pm GaAs HBT工藝 的Guramel-Poon模型,這里不再對模型的建立與參 數的提取進行討論,把重點放在仿真的結果和電路 的優化方面[4]。對以上設計電路進行仿真后得到以 下結果,雖然在輸出功率、增益和效率方面已經滿 足設計要求,但是諧波失真仍然較大,不能滿足設 計要求。所以,這里對諧波失真進行了優化,在片


    它的最大輸出功率比A類放大器高約1.05 dB[3]。

    2電路設計

    為了滿足設計指標,電路采用兩級單端功率放 大器級聯結構,圖1為功率放大器結構框圖。

    4版圖設計

    版圖設計使用Cadence公司的軟件工具Virtuoso。 器件采用THQuint公司提供的2 fim GaAs HBT工藝。 其中放大電路中使用的晶體管采用射頻模型,這樣 可以提高設計射頻電路的準確性。

    對于一個單片集成射頻功率放大器,良好的版 圖設計十分重要。因為通過并聯HBT管的電流很 大,HBT管特性微小的不同,或者位置放置的微小 差錯都會導致在個別管子不平衡的熱效應。在此設 計中,把管子畫成一排來平衡輸人、輸出相位補償。 為了減少耦合,射頻線的距離不應太近,最好可以 用直流線隔開。兩級管子不要共用一個地孔,因為 地孔到襯底的耦合效應等效為電感,使兩級管子之 間產生反饋,嚴重影響功率放大器的性能。片上螺 旋電感和走線要采用上層金屬,可以減少電阻線本 身的寄生電阻,同時減少襯底與電感之間的電磁場 _合在襯底中引入的損耗[5]。設計規則要嚴格按照 THQuint公司提供的設計手冊要求。電路版圖面積為 560 fxm x 540 fim0

    5實驗結果與討論

    為了測試芯片的性能,需要對PCB測試版進行 細致的設計,防止測試時對芯片性能產生影響。射 頻電路PCB的設計應考慮電磁兼容性,在這里主要 討論一下板材的選擇和一些重要走線的處理方法, 并應用Protel 99 SE對其進行了設計。

    印制電路板的基材主要有有機類與無機類兩大 類,而基材中最重要的性能是介電常數,它影響電 路阻抗及信號傳輸速率,對于高頻電路,介電常數 公差是首要考慮的更關鍵因素,應選擇介電常數公 差小的基材[6]。本設計中采用的是RF-4板材,2層 板,板厚1mm。射頻走線要遵循50 傳輸線的設計 原則,對于不同板材,可以用Appcad軟件來計算線 寬和線到地距離,在滿足射頻走線為50 fl的條件 下,走線線寬為40 mm,線到地距離30 mm,同時在 射頻線兩側要盡量多的打上地孔,位置靠近傳輸線 但不超出地銅箔,意在利用多層銅箔通過過孔并聯 獲得較低阻抗和較短的高頻電流傳輸路徑。

    圖6為電源電壓為3.6 V時實際芯片的測試結 果,從圖中可以看出工作頻率為410 MHz時輸出功

    6結論

    本文簡要介紹了 F類射頻功率放大器的工作原 理,設計了一個電源電壓為3.6 V,工作頻段為405 -415 MHz,輸出功率為30 dBm的F類對講機功率 放大器,在諧波失真較大時提出了一種優化的方 法,明顯改善了諧波失真。功率放大器的工藝采用 2 GaAs HBT工藝。功率放大器電路采用Agilent 公司的ADS軟件對電路進行了仿真和優化,并給 出了仿真結果;采用Cadence公司的軟件工具 VirtuosoS版圖進行設計,最終給出實際芯片的測 試結果,其中在410 MHz的工作頻率下,輸出功率 為30 dBm,增益為22 dBm,功率附加效率為66%, 各階諧波均小于-69 dBm,完全滿足設計指標。


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