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高效率F类对讲机功率放大器的设计与实现
信息来源:   发布时间:2013-10-23   浏览:


摘要:研究了 F类射频功率放大器的电路结构与工作原理,并设计了一个工作频段为405 ~ 415 MHz、输出功率为30 dBm、功率附加效率达到65%的高效率低谐波失真的F类对讲机功率放 大器。为了达到设计指标,设计采用了一些特殊的方法,包括采用两级单端结构功率放大器结 构、F类功率放大器输出匹配网络,并针对谐波失真过大进行了片外滤波器的设计,有效地滤除 了谐波(各阶谐波小于-69 dBc)。最后采用2pmGaAsHBT工艺F类对讲机功率放大器,经过对 实际芯片的测试证明结果完全满足设计指标。

澳洲赛车关键词:F类射频功率放大器;单端结构;输出匹配网络;谐波失真;片外滤波器

澳洲赛车中图分类号:TN722 文献标识码:A 文章编号: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)

澳洲赛车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

澳洲赛车EEACC: 1220

o引言

无线电对讲机的应用非常广泛,即时沟通、一 呼百应、经济实用、运营成本低、不耗费通话费 用、节约使用方便,同时还具有组呼通播、系统呼 叫、机密呼叫等功能。在处理紧急突发事件中,在 进行调度指挥中其作用是其他通信工具所不能比拟 的。无线电对讲机和其他无线通信工具(如手机)

其市场定位各不相同,难以互相取代,还将长期使 用下去。数字通信可以提供更丰富的业务种类、更 好的业务质量、更好的保密特性、更好的连接性和 更高的频谱效率⑴。

功率放大器的设计对于对讲机的性能有着重要 的影响。针对对讲机对饱和输出功率、功率附加效 率、谐波失真等几个特性指标要求较高的特点,设
计采用F类功率放大器工作模式来提高效率,针对 设计过程中谐波失真过大的问题,提出了一种谐波
最后采用2 [im GaAs HBT工艺实现了高效率F类对 讲机功率放大器。
1 F类功率放大器工作原理

F类功率放大器使用输出滤波器对晶体管集电 极电压或者电流中的谐波成分进行控制,归整晶体 管集电极的电压波形或者电流波形,使得它们没有 重叠区,减小开关的损耗,提高功率放大器的效率。

如果驱动信号是一个占空比为50%的方波信 号,晶体管可近似作为一个理想开关,集电极看到 的基频阻抗为Rl’高阶奇次谐波阻抗为无穷大,而 高阶偶次谐波阻抗为0。因此晶体管集电极的电压


波形中将包含有各奇次谐波成分,它是一个理想的 方波。由于晶体管集电极看到的各高阶奇次谐波阻 抗为无穷大,而各高阶偶次谐波阻抗为0,因此流 过开关的电流中仅包含有基频频率成分和各髙阶偶 次谐波成分。在传统功率放大器分析中,巳经知道 B类放大器中流过输出晶体管的电流就仅具有这些 成分,因此F类放大器流过开关的电流波形与B类 放大器的电流波形一样,也是半个周期的正弦波。 流过开关电流中的基频成分在负载Rl上产生输出功 率,而其他髙阶偶次谐波成分则由LC并联谐振网络 短路到地,因此负载上的电压波形和电流波形都是 理想的正弦波,没有谐波损耗[2]。

晶体管集电极电压的峰值为2Fd。,基频成分的 幅度为

n - 7 ^dc (1)

澳洲赛车如果流过开关的电流峰值为/pk,则这个电流中 的基频成分和直流成分分别为

/1=孕

晶体管的宽度应根据最大电流要求/-来确定。 而优化负载阻抗值为 R

op,_ A、/pk F类放大器的输出功率为

^out 一 兀 ^dc ,pk

电源提供的直流功耗为

^dc _ ^dc ^dc —兀 ^dc ^pk 一 ^out

因此理想F类放大器的效率为100%。

F类放大器的功率利用因子为
设计难点在于高效率、低谐波的设计目标,因 此电路采用了开关模式功率放大器中的F类工作模 式,并对谐波进行了优化。图2为F类功率放大器 输出滤波器网络。


为了满足输出功率iw的设计指标,输出阻抗 7?一选择5£1。由于要提高效率,设计的输出网络为 F类功率放大器采用的输出滤波器网络,这个网络 的特点是:晶体管工作时,在高阶奇次谐波频率处, 从晶体管漏端看到的高阶奇次谐波阻抗为无穷大, 即开路;在高阶偶次谐波频率处,从晶体管漏端看 到的髙阶偶次谐波阻抗为0,即短路。图3为输出匹 配网络的仿真结果,从仿真结果可以看出,输出网 络对二次谐波进行了滤除,二阶谐波的阻抗很小, 接近Ofl;三阶谐波的阻抗很大,可视其为无穷大, 满足设计的理论要求。
图3输出匹配网络仿真结果 Fig.3 Simulation results of output matching
3电路仿真与谐波优化

本次设计采用Agilent公司的ADS软件对电路进 行了仿真和优化,晶体管采用2 pm GaAs HBT工艺 的Guramel-Poon模型,这里不再对模型的建立与参 数的提取进行讨论,把重点放在仿真的结果和电路 的优化方面[4]。对以上设计电路进行仿真后得到以 下结果,虽然在输出功率、增益和效率方面已经满 足设计要求,但是谐波失真仍然较大,不能满足设 计要求。所以,这里对谐波失真进行了优化,在片


它的最大输出功率比A类放大器高约1.05 dB[3]。

2电路设计

为了满足设计指标,电路采用两级单端功率放 大器级联结构,图1为功率放大器结构框图。

4版图设计

版图设计使用Cadence公司的软件工具Virtuoso。 器件采用THQuint公司提供的2 fim GaAs HBT工艺。 其中放大电路中使用的晶体管采用射频模型,这样 可以提高设计射频电路的准确性。

澳洲赛车对于一个单片集成射频功率放大器,良好的版 图设计十分重要。因为通过并联HBT管的电流很 大,HBT管特性微小的不同,或者位置放置的微小 差错都会导致在个别管子不平衡的热效应。在此设 计中,把管子画成一排来平衡输人、输出相位补偿。 为了减少耦合,射频线的距离不应太近,最好可以 用直流线隔开。两级管子不要共用一个地孔,因为 地孔到衬底的耦合效应等效为电感,使两级管子之 间产生反馈,严重影响功率放大器的性能。片上螺 旋电感和走线要采用上层金属,可以减少电阻线本 身的寄生电阻,同时减少衬底与电感之间的电磁场 _合在衬底中引入的损耗[5]。设计规则要严格按照 THQuint公司提供的设计手册要求。电路版图面积为 560 fxm x 540 fim0

5实验结果与讨论

为了测试芯片的性能,需要对PCB测试版进行 细致的设计,防止测试时对芯片性能产生影响。射 频电路PCB的设计应考虑电磁兼容性,在这里主要 讨论一下板材的选择和一些重要走线的处理方法, 并应用Protel 99 SE对其进行了设计。

印制电路板的基材主要有有机类与无机类两大 类,而基材中最重要的性能是介电常数,它影响电 路阻抗及信号传输速率,对于高频电路,介电常数 公差是首要考虑的更关键因素,应选择介电常数公 差小的基材[6]。本设计中采用的是RF-4板材,2层 板,板厚1mm。射频走线要遵循50 传输线的设计 原则,对于不同板材,可以用Appcad软件来计算线 宽和线到地距离,在满足射频走线为50 fl的条件 下,走线线宽为40 mm,线到地距离30 mm,同时在 射频线两侧要尽量多的打上地孔,位置靠近传输线 但不超出地铜箔,意在利用多层铜箔通过过孔并联 获得较低阻抗和较短的高频电流传输路径。

图6为电源电压为3.6 V时实际芯片的测试结 果,从图中可以看出工作频率为410 MHz时输出功

6结论

本文简要介绍了 F类射频功率放大器的工作原 理,设计了一个电源电压为3.6 V,工作频段为405 -415 MHz,输出功率为30 dBm的F类对讲机功率 放大器,在谐波失真较大时提出了一种优化的方 法,明显改善了谐波失真。功率放大器的工艺采用 2 GaAs HBT工艺。功率放大器电路采用Agilent 公司的ADS软件对电路进行了仿真和优化,并给 出了仿真结果;采用Cadence公司的软件工具 VirtuosoS版图进行设计,最终给出实际芯片的测 试结果,其中在410 MHz的工作频率下,输出功率 为30 dBm,增益为22 dBm,功率附加效率为66%, 各阶谐波均小于-69 dBm,完全满足设计指标。


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