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基于负载牵引技术的射频功率放大器设计

发布时间:2020-06-30 20:50:13 阅读: 来源:脚踏阀厂家

本文引用地址:射频功率放大器要输出一定的功率给负载,利用负载牵引技术可以弹性地找到所需功率的负载点。这里描述了基于负载牵引技术的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的设计方法, 采用CMOS 工艺设计了放大电路,接着对该放大电路进行负载牵引,在此基础上设计输进输出匹配网络,最后使用ADS软件进行整体仿真,得到了满足系统指标要求的功率放大器。

功率放大器处于通讯系统中信号发射机的最末端,用来放大信号,与小信号放大器不同, 它要输出一定的功率给负载。效率是功率放大器的一个基本指标,就非恒包络调制方式而言, 包络中携带有用信息,因此又需要功率放大用具有一定的线性度。射频功率放大器工作在大 信号状态时,会由于晶体管的非线性而表现出较强的非线性特性,从而使得信号失真,所以小信号放大器的设计方法并不适合射频功率放大器的设计。小信号分析法的发展主要是基于线性控制理论,线性控制理论发展了一系列行之有效的设计理论,这就使得小信号放大器 的设计变得简单可靠。而大信号,则是非线性控制要关注的题目,但非线性控制理论中数理 运算十分复杂,没有线性控制理论那样简单直观。

利用负载牵引技术,可以在没有大信号S参数的情况下,不断变化负载阻抗,找到射频功率放大器输出功率最大(或效率最高)时的那个负载阻抗,即所谓的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射频功放的设计方法,借助高频电路设计辅助软件ADS 进行负载牵引, 然后设计输出匹配网络,接着设计输进匹配网络,在此基础上进行优化。最后给出了增益、 输出功率、附加效率等参数。

1 放大电路的设计

本次电路设计采用台积电TSMC 0.18umCMOS 工艺,放大电路如图1 所示,电路结构为差分形式,采取两级放大,分别为驱动级和输出级。驱动级采用差分的共源共栅(Cascode) 结构,可以提供适当的电压增益;输出级也是差分的共源共栅结构,在提供一定的电压增益 的同时,还提供输出功率,这种结构可以进步功放输出电压的摆幅,从而降低对晶体管最大 电流能力的要求,进步功放的效率。两级之间采用的耦合电容Cp 和Cn,在进步隔离度的 同时起到级间阻抗匹配的作用。电感L1p、L2p、L1n、L2n 用作负载,电感Lnp 用来抵消源 极寄生电容对功放效率的影响,其中L1p、L1n 和Lnp 采用工艺库里的片上螺旋电感来实现, 而L2p 和L2n 采用高Q值的键合线电感实现,这样可以有效进步功放的增益。单路输进信号经输进匹配网络由巴伦转换成两路信号Vinp 和Vinn,放大后的两路信号Voutp 和Voutn 经输出匹配网络由巴伦转换成一路信号送至天线。

2 负载牵引技术的应用

负载牵引技术可以由实际丈量系统[2][3]和高频电路设计辅助软件[4]][5]两种方式实现,但 是搭建一个负载牵引丈量系统的本钱相当之大,而且不易实现,本文采用ADS 软件对上面 所设计的功率放大器使用负载牵引(Loadpull)技术有规则的搜寻史密斯(Smith)圆图上的 每个区域,确定最佳负载的阻抗值;然后设计输出匹配网络,将实际负载阻抗(通常为50Ω) 变换到最佳负载阻抗。负载牵引技术应用于功率放大器的设计如图2 所示,中间的电路模块 是在图1 放大电路的基础上引进了巴伦从而使得信号单端输进单端输出。

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