導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇功率放大電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

所謂的轉(zhuǎn)換效率是指功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的功率之比，而電源功率是指直流功率，即電源輸出的平均電流與電壓的積。

功率放大電路：是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。

在很多電子設(shè)備中，要求放大電路的輸出級(jí)能夠帶動(dòng)某種負(fù)載，例如驅(qū)動(dòng)儀表，使指針偏轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，使之發(fā)聲；或驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？傊蠓糯箅娐酚凶銐虼蟮妮敵龉β?，這樣的放大電路統(tǒng)稱為功率放大電路。

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篇2

關(guān)鍵詞:GaAs HBT;功率放大器;溫度補(bǔ)償電路;在片

Abstract:A new on-chip temperature compensation circuit for GaAs-based HBT RF amplifier applied to wireless communication was presented. The simple compensation circuit is composed of one GaAs HBT and five resistors with various values, which allows the power amplifier to achieve better thermal characteristics with a little degradation in performance. It effectively compensates for the temperature variation of the gain and the output power of the power amplifier by regulating the base quiescent bias current. The temperature compensation circuit is applied to a 3-stage integrate power amplifier for wireless communication application, which results the gain variation improved from 4.3dB to 1.1dB in the temperature range between -20℃ and +80℃.

Key word: GaAs HBT; power amplifier; temperature compensation; on chip;

1引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,對(duì)功率放大器的需求量日益增大[1,2],并且對(duì)功率放大器提出越來(lái)越高的要求[3]。眾所周知, InGaP/GaAs HBT射頻功率放大器的功率增益和輸出功率都嚴(yán)重地受到外界環(huán)境溫度的影響[4]。因此,提高功率放大器的熱穩(wěn)定性顯得尤為重要。目前提高射頻功率放大器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?一般采用片外元件控制功率放大器的偏置電流或者輸入信號(hào)的方式調(diào)節(jié)功率增益和輸出功率,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用。這種片外調(diào)節(jié)的方式將使功率放大器模塊體積更加臃腫。為了提高集成度,實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化,將溫度補(bǔ)償電路于功率放大器在同一單片內(nèi)實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[4 - 6]。

本文基于無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用,提出一種應(yīng)用于InGaP/GaAs HBT射頻功率放大器的在片溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)。這種溫度補(bǔ)償電路由一個(gè)GaAs HBT和五個(gè)阻值大小不同的TaN薄膜電阻組成,通過(guò)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)基極靜態(tài)偏置電流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)功率放大器的溫度補(bǔ)償。通過(guò)這種在片的方式實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,大大提高了功率放大器的集成度,既有利于提高電路性能,更有利于節(jié)省成本。

2GaAs HBT VBIC 大信號(hào)模型

實(shí)驗(yàn)采用由穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供的商用化的GaAs HBT VBIC大信號(hào)模型進(jìn)行模擬仿真,該模型包括基于G-P模型的HBT本征晶體管和襯底寄生晶體管兩部分。圖1示出GaAs HBT VBIC大信號(hào)模型的等效電路圖。等效電路除了晶體管本征部分和襯底寄生晶體管之外,還包括熱效應(yīng)等效網(wǎng)絡(luò)和剩余相位網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)驗(yàn)中采用VBIC大信號(hào)模型具有如下特點(diǎn):精確模擬基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng);準(zhǔn)確表征寄生襯底晶體管;提高Kirk效應(yīng)的HBT準(zhǔn)飽和特性;增強(qiáng)電子渡越時(shí)間模型;近似的分布式基極描述;弱化雪崩電流效應(yīng);小信號(hào)相位漂移以及瞬態(tài)分析相位漂移的一致性處理;改進(jìn)的空間電荷電容模型;準(zhǔn)確模擬自熱效應(yīng);改善的溫度模型。

為了準(zhǔn)確地描述外部環(huán)境溫度變化引起的熱效應(yīng)以及自熱效應(yīng),GaAs HBT VBIC模型專(zhuān)門(mén)針對(duì)這種現(xiàn)象建立了與外部環(huán)境溫度相關(guān)和異質(zhì)結(jié)結(jié)溫相關(guān)的熱等效網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。

3溫度補(bǔ)償電路

由于InGaP/GaAs HBT具有很強(qiáng)的熱敏感性,器件性能受外部環(huán)境溫度以及自熱效應(yīng)的影響很明顯,從而導(dǎo)致基于InGaP/GaAs HBT研制的射頻功率放大器增益明顯的受環(huán)境溫度影響。圖2(a)示出單級(jí)功率放大器的小信號(hào)增益隨環(huán)境溫度變化的特性曲線,由圖可以看出,隨著溫度的增加增益急速下降。這被認(rèn)為與HBT器件的跨導(dǎo)變化莫大的關(guān)系,因?yàn)閷?duì)于GaAs基HBT器件而言,靜態(tài)偏置電流會(huì)隨溫度的增加而減小,從而導(dǎo)致器件跨導(dǎo)隨之減小。眾所周知,功率放大器的增益與器件的跨導(dǎo)呈之比。因此調(diào)節(jié)HBT器件的跨導(dǎo)是改善放大器功率增益隨溫度變化的有效手段。圖2(b)示出AB類(lèi)工作的功率放大器小信號(hào)增益與基極靜態(tài)偏置電流的關(guān)系曲線。由圖可以看出基極靜態(tài)偏置電流的微量增加,會(huì)導(dǎo)致功率放大器增益的顯著提升。這同樣是因?yàn)镠BT器件跨導(dǎo)的變化引起的,因?yàn)閷?duì)于工作在AB類(lèi)的功率放大器而言,HBT器件的跨導(dǎo)隨著靜態(tài)配置電流的增加而顯著增加。由此可見(jiàn),可以通過(guò)調(diào)節(jié)功率放大器的基極靜態(tài)偏置電流的方法,提高HBT器件跨導(dǎo),從而有效地改進(jìn)放大器功率增益的溫度特性,因此,在功率放大器HBT器件的基極偏置端添加一個(gè)溫度補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)基極靜態(tài)偏置電流顯得非常必要。

圖3示出InGaP/GaAs HBT射頻功率放大器帶溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的射極跟隨器型偏置電路原理圖,其中黑色虛線框內(nèi)為溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。該偏置電路由一個(gè)InGaP/GaAs HBT和五個(gè)阻值大小各不相同的TaN薄膜電阻組成。由晶體管HBT Q2的基極電壓Vs決定Q2的發(fā)射極電流,由發(fā)射極電流和發(fā)射極電阻共同決定偏置電路的輔助電壓Vaux,通過(guò)輔助電壓Vaux和輔助電阻Raux調(diào)節(jié)射極跟隨器型偏置電路中二極管結(jié)構(gòu)連接的晶體管D2的集電極電壓V1。

對(duì)于射極跟隨器型偏置電路,功率放大器的基極靜態(tài)電流主要由發(fā)射極跟隨器晶體管Q1的輸入電阻和基極電壓V2決定。隨著外部環(huán)境溫度的改變,溫度補(bǔ)償電路通過(guò)調(diào)節(jié)電壓V1的方法,進(jìn)而調(diào)節(jié)晶體管Q1的基極電壓V2和功率放大器晶體管QRF的基極電壓Vin,從而調(diào)節(jié)功率放大器晶體管QRF的基極靜態(tài)偏置電流,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)功率放大器的功率增益隨環(huán)境溫度變化的穩(wěn)定性的目的。對(duì)于溫度補(bǔ)償電路而言,需要對(duì)晶體管Q2各端選擇合適的電阻值,確保在室溫條件下輔助電阻Raux兩端電壓Vaux等于V1。

當(dāng)溫度升高時(shí),溫度補(bǔ)償電路節(jié)點(diǎn)aux的電壓Vaux減小速度低于V1的減小速度,致使Vaux大于V1,因此有附加電流從節(jié)點(diǎn)aux流向節(jié)點(diǎn)1,從而提高節(jié)點(diǎn)1的電壓V1,進(jìn)一步提高電壓V2和功率放大器晶體管QRF基極電壓Vin。一方面,提高電壓V2會(huì)使得參考電阻Rref兩端電壓降低,減小參考電流Iref;另一方面,提高Q1的基極電壓V2和QRF的基極電壓Vin,使得晶體管Q1的基極和發(fā)射極兩端電壓增加,降低晶體管Q1的基極電阻,從而提高晶體管Q1的基極電流,進(jìn)而提高功率放大器晶體管QRF的基極靜態(tài)偏置電流。反之,當(dāng)溫度降低時(shí),電壓Vaux低于V1,因此有附加電流從節(jié)點(diǎn)1流向節(jié)點(diǎn)aux,從而使得電壓V1、V2和Vin都將降低,導(dǎo)致晶體管Q1的基極電流減小,進(jìn)而降低功率放大器晶體管QRF的基極靜態(tài)偏置電流。

特別需要提及的是,對(duì)于調(diào)節(jié)高溫和低溫條件下的的功率增益大小,輔助電阻Raux阻值的選取非常重要,合適的阻值能將電阻Raux兩端的電壓差調(diào)節(jié)到需要的值,達(dá)到高溫和低溫時(shí)的功率增益沒(méi)有明顯差異。

4結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證上述提出的溫度補(bǔ)償電路的可行性,將溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用到實(shí)際功率放大器電路中。圖4示出應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)的單片集成射頻功率放大器的原理圖。對(duì)于射頻功率放大器而言,需要盡可能的得最高的效率和最高增益。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),功率放大器的晶體管選擇合適的發(fā)射極面積,并設(shè)法使功率放大器工作在AB類(lèi)。實(shí)現(xiàn)將溫度補(bǔ)償電路與射頻功率放大器集成在單顆GaAs基片上。

基于穩(wěn)懋半導(dǎo)體公司提供的商用InGaP/GaAs HBT VBIC大信號(hào)模型,分別對(duì)有無(wú)溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器進(jìn)行仿真。圖5示出有無(wú)溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器在環(huán)境溫度為-20℃, 25℃ 和+85℃條件下的小信號(hào)S21參數(shù),其中圖5(a)為沒(méi)有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的S21參數(shù),圖5(b)為有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)。由圖可以看出溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能有效地減小小信號(hào)S21參數(shù)隨溫度變化的變化量。圖6示出有無(wú)溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器功率增益隨溫度變化的特性,其中實(shí)線為沒(méi)有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu),虛線為有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。由圖可以看出,當(dāng)溫度從-20℃ 增加到 +85℃時(shí),沒(méi)有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的功率放大器增益從14.3dB下降到12.8dB,下降量為1.5dB,而有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的功率放大器增益從13.7dB下降到13.4dB,下降量只有0.3dB。由此看出,溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使得功率放大器的功率增益隨溫度的變化的穩(wěn)定性大大提高。圖7(a)(b)分別示出有無(wú)溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的功率放大器功率特性曲線,其中圖7(a)沒(méi)有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu),圖7(b)有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。由圖可以看出,引入溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu),使得功率放大器在不同輸入信號(hào)條件下的的功率增益、輸出功率和效率隨溫度的變化量都大幅度減小。由圖可以看出,在-20℃到+85℃的溫度范圍內(nèi)變化時(shí),具有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)功率放大器的輸出功率能穩(wěn)定在37.7dBm以上,同時(shí)功率附加效率PAE在57%以上。從上述系列的結(jié)果可以看出,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的溫度補(bǔ)償電路非常適合應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)的射頻功率放大器。

5結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于InGaP/GaAs HBT射頻功率放大器的溫度補(bǔ)償電路,這種溫度補(bǔ)償電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與功率放大器電路集成在同一個(gè)單片芯片的特點(diǎn)。采用該溫度補(bǔ)償電路通過(guò)調(diào)節(jié)功率放大器的基極靜態(tài)偏置電流的方式補(bǔ)償放大器功率增益隨環(huán)境溫度的變化,有效地提高功率放大器的熱特性。將溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用到實(shí)際射頻功率放大器中,使得在溫度范圍-20℃到+85℃內(nèi)變化時(shí),功率放大器的功率增益隨溫度的變化量從1.5dB下降到只有0.3dB,功率放大器的輸出功率能穩(wěn)定在37.7dBm以上。本文提出的溫度補(bǔ)償電路是一種非常適合應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)的射頻功率放大器的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] F. Ali, A. Gupta, A. Higgins, "Advances in GaAs HBT power amplifiers for cellular phones and military applications," 1996 IEEE MTT-S Microwave Symp. Dig., pp. 61-66, June 1996.

[2] A. Bezooijen, A. V. Bezooijen, D. Prikhodko, et.al, “Biasing circuits for voltage controlled GSM power amplifiers,” in Proc. 11th GAAS Symp., Munich 2003. 6-10 October 2003,

[3] Gary Zhang, Sabah Khesbak, Anil Agarwal,et al. “Evolution of RFIC Handset Pas”, IEEE Microwave Magazine pp.60-69, February 2010.

[4] Kamhisa Yamauchi, Yoshitada Iyama, Mamiko Yamaguchi, et al. “X-band MMIC Power Amplifier with an On-chip Temperature Compensation Circuit”. IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, pp.2501-2506, Dec. 2001

[5] J. Jeon, J. Kim and Y. Kwon, “Temperature compensating bias circuit for GaAs HBT RF power amplifiers with stage bypass architecture” ELECTRONICS LETTERS pp. 1141-1143 September 2008

[6] Wang, N.L.: ‘Temperature compensated current mirror’. US Patent 6 556 082, April 29, 2003

[7] WIN Semiconductors Corp. “HBT3 H02U-41 InGaP/GaAs HBT Model Handbook” Ver.1.0.1 July, 2008

篇3

【關(guān)鍵詞】E類(lèi)功放 2.4GHz 偽差分 飽和輸出功率

1 引言

S著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，比如WCDMA、TD-SACDMA、CDMA2000等，大大加速了射頻功率放大器的研究和設(shè)計(jì)。射頻功率放大器是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的核心組成部分，功率放大器的性能指標(biāo)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的好壞，因此設(shè)計(jì)性能良好的功率放大器是當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

射頻功率放大器用來(lái)輸出大功率給外部負(fù)載。功率放大器通常是無(wú)線發(fā)射機(jī)中功耗最大的模塊，為了降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命，要求它具有較高的效率。射頻功率放大器可分為傳統(tǒng)功率放大器和開(kāi)關(guān)模式功率放大器，傳統(tǒng)功率放大器擁有良好的線性度，開(kāi)關(guān)模式功率放大器則具有很高的效率。E類(lèi)功率放大器是一種開(kāi)關(guān)模式的功率放大器，擁有較高的效率，其可應(yīng)用于手機(jī)藍(lán)牙系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及未來(lái)的可穿戴系統(tǒng)等，E類(lèi)射頻功率放大器的效率理論上可達(dá)到100%。

2 E類(lèi)功率放大器的原理和理論設(shè)計(jì)方程推倒

功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量。其轉(zhuǎn)換能量的能力通常用漏極效率

，其中Pout為輸出功率，Pc為漏級(jí)耗散功率。該式表明，要增加漏級(jí)效率，就必須減少漏級(jí)耗散功率的消耗。當(dāng)晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，可以有效的減少漏級(jí)耗散功率的消耗。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，有電流通過(guò)；由于此時(shí)的導(dǎo)通電阻極小，晶體管的電壓很小，并且趨向于零。當(dāng)晶體管斷開(kāi)時(shí)，晶體管電壓雖然有點(diǎn)高，但無(wú)電流通過(guò)晶體管，從而達(dá)到減小耗散功率的目的。E類(lèi)功率放大器就是按照電壓與電流不重疊出現(xiàn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的，使得在任意時(shí)刻，電壓與電流的乘積為零，即耗散功率為零。圖1為E類(lèi)功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該拓?fù)錂C(jī)構(gòu)由Grebennikov在2002年提出，經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，該放大器以其效率高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

在該E類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，電感L1為電路提供直流偏置，電容C1為外加電容和晶體管寄生電容之和，電感L2和電容C2構(gòu)成濾波諧振網(wǎng)絡(luò)，該諧振網(wǎng)絡(luò)諧振頻率為2.4GHz。RL為從晶體管獲得最大功率的最佳匹配負(fù)載。E類(lèi)射頻功率放大器由單個(gè)晶體管和負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)組成，在激勵(lì)信號(hào)的作用下，晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)晶體管閉合時(shí)，晶體管漏端的電壓由晶體管本身決定，即由其自身的導(dǎo)通電阻決定，當(dāng)晶體管斷開(kāi)時(shí)，晶體管漏端的電壓波形由其后端的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)所決定。圖2為理想E類(lèi)功率放大器兩端電壓、電流的波形圖。

為了使該功率放大器的效率達(dá)到100%，該功率放大器的瞬態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足以下三個(gè)條件：

（1）晶體管導(dǎo)通時(shí)，晶體管兩端的電壓必須為零，即晶體管的瞬態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在晶體管導(dǎo)通之前，完成電荷的釋放；

（2）當(dāng)晶體管截止時(shí)，晶體管兩端的電壓必須等晶體管完全截止后才開(kāi)始上升；

（3）晶體管導(dǎo)通時(shí)，晶體管兩端電壓的導(dǎo)數(shù)為零。只有這樣，流過(guò)晶體管的電壓和電流才不會(huì)發(fā)生重疊，從而保證其100%的效率。根據(jù)以上三點(diǎn)，可以列出微分方程。通過(guò)對(duì)微分方程進(jìn)行解析，可以得出E類(lèi)功率放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)各元器件的具體參數(shù)，具體的推倒過(guò)程文獻(xiàn)[1]已經(jīng)列出。其各元器件參數(shù)的方程為：

其中，Pout為電路設(shè)計(jì)者需要功率放大器輸出的功率，QL為串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因子。

3 存在的問(wèn)題和解決的方法

由于功率放大器輸出的是功率，且開(kāi)關(guān)類(lèi)的功率放大器和一般線性類(lèi)功率放大器相比，晶體管的狀態(tài)完全不一樣，開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以對(duì)于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的信號(hào)幅度必須足夠大，這樣才能使晶體管充分的開(kāi)啟和關(guān)閉。如圖1所示，開(kāi)關(guān)管一般都是通過(guò)一個(gè)電感直接接電源，所以為了保證可以充分驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，前級(jí)電路必須可以提供一個(gè)從0V到電源電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其次，為了使該功率放大器的飽和輸出功率盡量的高，以提高其漏極效率和功率附加效率，本設(shè)計(jì)采用了偽差分電路設(shè)計(jì)，使得飽和輸出功率比單端增加了3dB，由于最佳負(fù)載是根據(jù)理論公式計(jì)算出來(lái)的，應(yīng)該用負(fù)載牽引法，獲得最佳負(fù)載，從而獲得最大輸出功率。

3.1 反相器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于驅(qū)動(dòng)電路必須可以提供從0伏到電源電壓的滿擺幅信號(hào)，因?yàn)樵谏漕l前端中，功率放大器的前級(jí)電路是一個(gè)上變頻電路，上變頻電路的輸出信號(hào)幅度非常微弱，所以必須加驅(qū)動(dòng)電路才能驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，如果采用一般的放大器電路，很難輸出一個(gè)滿擺幅的信號(hào)，綜合考慮本設(shè)計(jì)決定采用反相器級(jí)聯(lián)輸出方波信號(hào)的方式來(lái)解決該題。

圖3為反相器驅(qū)動(dòng)的電路圖，該驅(qū)動(dòng)電路由六個(gè)晶體管、兩個(gè)電阻、一個(gè)電容組成；其中電阻R1、R2用于為第一、第二個(gè)反相器提供直流偏置，第三級(jí)反相器的輸出端直接接需要驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)管，C1為交流耦合電容。首先調(diào)整第一級(jí)反相器的參數(shù)，使得第一級(jí)反相器的靜態(tài)輸出為低電平，然后依次調(diào)整第二、第三級(jí)反向器的參數(shù)，使第二級(jí)靜態(tài)輸出為高電平，第三級(jí)靜態(tài)輸出為低電平，從而使后端的開(kāi)關(guān)管靜態(tài)偏置在截止?fàn)顟B(tài)。第一、第二、第三級(jí)反相器晶體管的尺寸按一定的比例增加，每一級(jí)反相器中PMOS管的寬長(zhǎng)比應(yīng)是NMOS管寬長(zhǎng)比的倍數(shù)。使得級(jí)聯(lián)反相器能夠很好的輸出方波波形，驅(qū)動(dòng)后面的晶體管。

3.2 差分電路設(shè)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了如圖4所示的差分結(jié)構(gòu)電路圖，在該差分結(jié)構(gòu)電路中，各名稱相同的器件均為參數(shù)相同的器件，該差分結(jié)構(gòu)電路由兩個(gè)參數(shù)完全相同的單端電路組成。輸入為差模電壓，任意時(shí)刻總是一個(gè)管子導(dǎo)通，一個(gè)管子截止。所以每一個(gè)周期電流兩次釋放到襯底，由此引起的耦合電流的頻率變?yōu)樾盘?hào)頻率的2倍，有利于減小襯底耦合給電路的干擾，其次在相同的電源電壓和輸出功率條件下，每個(gè)晶體管在差分結(jié)構(gòu)中比在單端結(jié)構(gòu)中承受的最大電流要小，如果在相同的電源電壓和電流下，差分結(jié)構(gòu)比單端的輸出功率要高。

4 電路仿真結(jié)果與分析

5 結(jié)束語(yǔ)

E類(lèi)射頻功率放大器是高效率的功率放大器，一直以來(lái)備受關(guān)注。本文對(duì)E類(lèi)放大器的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)相關(guān)器件參數(shù)方程進(jìn)行了推倒，設(shè)計(jì)出了功率放大器的驅(qū)動(dòng)電路，采用偽差分的電路結(jié)構(gòu)，提高了功放的飽和輸出功率的功率附加效率。榘E類(lèi)功率放大器運(yùn)用于高效率的平臺(tái)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Andrei.Grebennikov and Herbert Jaeger.Class E with parallel circuit-a new challenger for high-efficiency RF and microwave power amplifiers.IEEE MTT-S Digest.2002：1627-1630.

[2]羅世聰.CMOS偽差分E類(lèi)射頻功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子電路.2010，10（23）：49-52.

[3]王燕.CMOS射頻集成電路功率放大器設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]Ockgoo Lee，Kyu Hwan An.Analysis and design of fully integrated high-power parallel-circuit class E CMOS power amplifiers.IEEE transactions on circuits and system.vol.57，NO.3，2010.

[5]YuKi Yamashita，Daisuke Kanemoto.A 5GHz fully integrated CMOS class E power amplifier using self-basing technique with cascaded class-D drivers.IEEE international symposium on radio-frequency integration technology，2012.

[6]C.C.Ho，C.W.Kuo.A Fully Integrated 2.4GHz Class-E Amplifier With a 63% PAE by 0.18 CMOS Technologies.Solid-State Electronics.2004（48）：99-102.

[7]T.C.Kuo，B.Lusignan.A 1.5w Class-F RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Control.IEEE Journal of Solid-State Circuits.2002，37（06）：684-693.

[8]V.Saari，J.Pasi，R.Ryynanen.Integrated 2.4GHz Class-E CMOS Power Amplifier.IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，California，2005：645-648.

[9]李亮，李文淵，王志功.2.4GHz CMOS功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子器件.2006，29（02）：348-350.

[10]郝允群，莊奕棋，李小明.高效率E類(lèi)射頻功率放大器.半導(dǎo)體技術(shù).2004，29（02）：74-79.

作者簡(jiǎn)介

朱啟文（1990-），男，貴州省貴陽(yáng)市人?，F(xiàn)為貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路方向。

作者單位

貴州大學(xué)貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州省貴陽(yáng)市 550025

篇4

【關(guān)鍵詞】數(shù)字功率放大器；損壞與對(duì)策；數(shù)字電視發(fā)射機(jī)

一、前言

新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的輸入信號(hào)不是平常的視頻和音頻信號(hào)，而是將音頻、視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)壓縮、編碼，并與其他數(shù)據(jù)信息復(fù)用打包后的傳輸碼流(TS流)。輸入的TS流，經(jīng)過(guò)信道編碼與調(diào)制單元，形成符合一定制式標(biāo)準(zhǔn)的模擬中頻信號(hào)，然后上變頻至發(fā)射頻道，經(jīng)射頻放大后發(fā)送。這就是數(shù)字電視與模擬電視發(fā)射機(jī)的不同點(diǎn)。

二、數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器分析

1、 數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器的組成

功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的重要組成部分，它決定了發(fā)射機(jī)的功率輸出能力，是發(fā)射機(jī)成本最高的部分。模擬電視發(fā)射機(jī)有分放式和合放式之分。分放式指圖像載波信號(hào)和伴音載波信號(hào)經(jīng)不同的功率放大器分別放大，又稱雙通道方式，合放式指圖像載波信號(hào)和伴音載波信號(hào)用同一個(gè)功率放大器放大，也稱單通道方式。

而數(shù)字電視發(fā)射機(jī)不可能采用分放式，因?yàn)閿?shù)字音視頻信號(hào)總是復(fù)合在一起進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。因此，要想使模擬電視發(fā)射機(jī)的功率放大器直接用于數(shù)字電視發(fā)射機(jī)，就必須采用合放式。分放式的功率放大器要經(jīng)過(guò)改造才能用于數(shù)字電視發(fā)射機(jī)。如果圖像載波功率放大器和伴音載波功率放大器采用的是完全相同的功放模塊，則需要將功率放大器的輸入功率分配器和輸出功率合成器加以改造，將所用功放模塊都組合到一起。如果所用模塊不一樣，改造就比較困難。一種簡(jiǎn)單的辦法就是將伴音載波功率放大器廢棄不用，只用圖像載波功率放大器。

新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)對(duì)功率放大器的線性要求比模擬電視發(fā)射機(jī)要高的多，除了預(yù)校正電路（含在激勵(lì)器中）要提高性能之外，功率放大器的輸出功率要適當(dāng)下降。由于數(shù)字電視發(fā)射信號(hào)的峰均比遠(yuǎn)高于模擬發(fā)射信號(hào)的峰均比，為了保證滿足非線性失真指標(biāo)，只采用功率回退的辦法技術(shù)上不可取，對(duì)發(fā)射機(jī)的性價(jià)比也不利。分析數(shù)字電視發(fā)射技術(shù)就要分析非線性預(yù)校正技術(shù)，這是分析新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的又一核心技術(shù)。

HPA是系統(tǒng)中主要的非線性器件，其效率和線性度是一對(duì)矛盾。通常為了保證高效率，功放會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，這種非線性將會(huì)造成信號(hào)的畸變，使信號(hào)的輸出頻譜發(fā)生變化，產(chǎn)生帶內(nèi)、外干擾。為了補(bǔ)償功放的非線性對(duì)數(shù)字電視信號(hào)的影響，一方面可以采取功放的線性化技術(shù)，另一方面也考慮降低信號(hào)的PAPR技術(shù)。除了數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)以外還可以采用中頻的非線性預(yù)校正技術(shù)，在數(shù)字電視激勵(lì)器中采用分段非線性預(yù)校正技術(shù)，進(jìn)一步改善了整機(jī)的性能。為了保證新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的性能，還要進(jìn)行幅度、相位和時(shí)延的線性校正。不同制式的發(fā)射機(jī)、校正電路是不同的。這部分電路包含在激勵(lì)器中。

2、數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器的特點(diǎn)

新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的信號(hào)經(jīng)COFDM方式調(diào)制后輸出中頻模擬信號(hào)，通過(guò)上變頻送入放大部分。在OFDM系統(tǒng)中，每個(gè)載波之間的頻率間隔非常近，所以交調(diào)信號(hào)很容易落在頻帶內(nèi)，引起交調(diào)失真。數(shù)字電視的發(fā)射機(jī)較傳統(tǒng)類(lèi)型，在線性度，穩(wěn)定度等方面有著更高的要求。對(duì)發(fā)射機(jī)中的功率放大器要求必須工作在較高的線性狀態(tài)下，增益穩(wěn)定。

發(fā)射系統(tǒng)的放大部分分為激勵(lì)和主放大電路。其中激勵(lì)部分為寬帶功率放大器，為確保地面數(shù)字電視傳輸?shù)恼７€(wěn)定，需要具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，其工作頻段在470MHZ∽860MHZ，工作狀態(tài)為AB類(lèi)；要求增益大于10dB，交調(diào)抑制小于—35dB，噪聲功率密度大于130dBc/Hz。

放大器模塊采用LDMOS FET，具有以下顯著特點(diǎn)：

其一：可以在高駐波比（VSWR=

10:1）情況下工作。

其二：增益高（典型值13dB）

其三：飽和曲線平滑，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大。

其四：可以承受大的過(guò)驅(qū)動(dòng)功率，特別適用于DVB-T中的COFDM調(diào)制的多載波信號(hào)。

平衡放大器與單管放大器特性比較，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性，輸入輸出反射，噪聲特性元件離散性及對(duì)放大電路影響等方面表現(xiàn)出好的性能。

新一代數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器中廣泛應(yīng)用大功率LDMOS晶體管。LDMOS(Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor)即：橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體。起初，LDMOS技術(shù)是為900MHZ蜂窩電話技術(shù)開(kāi)發(fā)的，蜂窩通信市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)保證了LDMOS晶體管的應(yīng)用，也使得LDMOS的技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，今后它將取代雙極型晶體管技術(shù)。

與雙極型晶體管相比，LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可達(dá)14dB以上，而雙極型晶體管在5～6dB，采用LDMOS管的PA模塊的增益可達(dá)60dB左右。這表明對(duì)于相同的輸出功率需要更少的器件，從而增大功放的可靠性。LDMOS能經(jīng)受住高于雙極型晶體管3倍的駐波比，能在較高的反射功率下運(yùn)行而沒(méi)有破壞LDMOS設(shè)備。它較能承受輸入信號(hào)的過(guò)激勵(lì)和適合發(fā)射數(shù)字信號(hào)，因?yàn)樗懈叩乃矔r(shí)峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波數(shù)字信號(hào)放大且失真較小。LDMOS管有一個(gè)低且無(wú)變化的互調(diào)電平到飽和區(qū)，不像雙極型晶體管那樣互調(diào)電平高且隨著功率電平的增加而變化。這種主要特性允許LDMOS晶體管執(zhí)行高于雙極型晶體管二倍的功率，且線性較好。LDMOS晶體管具有較好的溫度特性溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)，因此可以防止熱耗散的影響。這種溫度穩(wěn)定性允許幅值變化只有0.1dB，而在有相同的輸入電平的情況下，雙極型晶體管幅值變化從05～0.6dB，且通常需要溫度補(bǔ)償電路。

新型LDMOS晶體管的功率越來(lái)越大，對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，每只晶體管的功率越大代表單個(gè)功率放大器所用的晶體管數(shù)量越少，設(shè)備的成本也就越低。最新的LDMOS FET是寬帶的，能夠覆蓋整個(gè)UHF波段。也就是說(shuō)，一個(gè)功放模塊在不需要調(diào)整的情況下在UHF波段的任一頻率下運(yùn)行。有點(diǎn)所謂“寬帶”的功率放大器工作在整個(gè)UHF波段，需要兩種甚至三種類(lèi)型的放大器覆蓋整個(gè)波段。其方框圖見(jiàn)圖1所示。

三、數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器損壞處理對(duì)策

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器，在電路調(diào)整時(shí)，由于調(diào)整不良產(chǎn)生反常震蕩引起損壞的達(dá)80%，其余20%損壞的原因差不多都是由阻抗失配所產(chǎn)生的集電極電流過(guò)大所致。其他的損壞原因有散熱器小，通風(fēng)不良，調(diào)試者失誤等造成。

圖2示出了防止功率放大電路所產(chǎn)生反常振蕩的處理對(duì)策。如果能完全防止電路產(chǎn)生這種反常振蕩，就能保證80%不會(huì)壞。

1、功率放大電路有效Q值

為了消除反常振蕩，首先必須降低基極偏壓用的高頻扼流圈的有效Q值。這是因?yàn)楣β史糯笃麟娐肥褂迷诖箅娏鞯碗妷旱那闆r下。根據(jù)歐姆定律，電路的阻抗比電子管低很多，所以，如果基極高頻扼流圈的Q值高，勢(shì)必變成易于引起大的反常振蕩的狀態(tài)。如果發(fā)生反常振蕩，則集電極電流瞬時(shí)增大到超過(guò)最大集電極電流，致使功率放大器損壞。

2、功率放大電路反常振蕩

另外，如功率放大電路有效Q值底，雖不至于損壞，但由于環(huán)境溫度變化和電源的斷合，也可能使功率放大器損壞。

對(duì)于反常振蕩如果通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行觀測(cè)的話，其波形如圖3所示。圖3所示的主要頻率成份只是基波，二次諧波必須由電路的性能來(lái)定。圖3是頻譜分析儀測(cè)試方框圖。對(duì)于其它反常振蕩頻率成份必須完全消除之。圖3所示的波形是十分反常的情況，通常并沒(méi)有那么嚴(yán)重。

3、功率放大電路阻抗不匹配

功率放大器損壞的又一個(gè)原因在于阻抗不匹配引起電流過(guò)大。

圖5是使功率放大器晶體管的輸出阻抗和負(fù)載（50Ω）相匹配的電路，L2、L3、C3和C4匹配網(wǎng)絡(luò)。在電路調(diào)整時(shí)，如果改變C3、C4的容量，而對(duì)晶體管集電極有大的失配的話，則集電極電流就會(huì)變得過(guò)大。

這表明：

在圖6所示的失配等效電路（a）中，給天線饋電的同軸電纜在任意點(diǎn)上可以斷開(kāi)。

令輸出匹配電路阻抗為ZL，在任意點(diǎn)開(kāi)路的可變長(zhǎng)度的同軸電纜的阻抗為：

Za=jZo•ctgL（1）

L是在B點(diǎn)開(kāi)路的電纜的長(zhǎng)度。如果同軸電纜在B點(diǎn)短路，則：

Za=jIo•tgL （2）

現(xiàn)在，只考慮電纜開(kāi)路的情況。改變同軸電纜長(zhǎng)度L，Za的變化如圖6（c）所示，即Za隨同軸電纜長(zhǎng)度L的變化在－∽～＋∽間變化。

晶體管集電極的輸出阻抗為Zco，如圖6（a）。

把輸出匹配的阻抗ZL和從可變長(zhǎng)度的同軸電纜的A點(diǎn)看的阻抗Za表示為下式：

Zco=ZL+Za （3）

現(xiàn)在若把ZL看做為只有正的虛數(shù)部，則公式（3）的圖形如圖6（d）。這個(gè)圖是假定的，Zco的實(shí)數(shù)部不變化，只考慮虛數(shù)部的變化。則：

（a）失配等效電路。

（b）可變長(zhǎng)度同軸電纜阻抗從A點(diǎn)向B點(diǎn)看的阻抗，Za=-jZo•ctgL而Zo=同軸電纜線路特性阻抗。L=同軸電纜線路長(zhǎng)度。λ=所用頻率的波長(zhǎng)。B點(diǎn)斷開(kāi)。

（c）Za=jZo•ctgL的圖。

（d）Zco=ZL+Za[ZL=Im(ZL)Za只考慮了虛數(shù)部分]。

由圖6（a）可知：據(jù)Zco隨可變長(zhǎng)度的同軸電纜斷開(kāi)的B點(diǎn)的位置也在-∽～+∽間變化。

再看圖7所示失配時(shí)集電極高頻電流的情況。

當(dāng)Za在-∽～+∽間變化時(shí)，根據(jù)等效電路，流過(guò)晶體管集電極的高頻電流為：

（4）

式中：

iRF=流過(guò)集電極的高頻電流。

URF=集電極端點(diǎn)上呈現(xiàn)的高頻輸出電壓。

RL=晶體管工作時(shí)的輸出阻抗（實(shí)際上也含有虛數(shù)成份）。

如果把圖6（a）的阻抗和公式（4）比較，當(dāng)Za合ZL的合成阻抗為零時(shí)，高頻電流im最大，即：

（5）

但是，當(dāng)ZL+Za=±∽，即Zco為無(wú)限大時(shí)，高頻電流為最小，即：

（6）

所以，集電極內(nèi)部消耗的功率，在ZL和Za的合成阻抗為零時(shí)，此內(nèi)部損耗為最大。

晶體管電流輸出越高或RL越低，因此，當(dāng)天線饋電電纜在Zco=∽的點(diǎn)上開(kāi)路時(shí)，集電極電流過(guò)大和易于損壞是密切相關(guān)的。

上述的按長(zhǎng)度可變的同軸電纜來(lái)考慮失配的方法和在同軸傳動(dòng)輸出匹配電路的可變電容器時(shí)考慮失配的方法是一致的，但是，由于是考慮失配的基本方法，所以，把它用來(lái)進(jìn)行考慮仍有十分密切的關(guān)系。

4、功率放大器在失配時(shí)保護(hù)晶體管的兩種方法

為了在失配時(shí)保護(hù)晶體管，一般采用圖8所示的（A）、（B）兩種方法：

（1）防止天線饋電反常的方法，當(dāng)有反射波（或天線回路反常）時(shí)，直流放大器工作，從而使繼電器動(dòng)作，切斷集電極電路，使回路停止工作。

（2）防止輸出匹配可變電容變化過(guò)大的方法。即使可變電容Vc1、Vc2為零，回路中仍有C1、C2工作。

5、數(shù)字功率放大器特性參數(shù)要求與使用

（1）功率放大器應(yīng)滿足的參數(shù)要求

①輸出功率要在達(dá)到所規(guī)定的非線性指標(biāo)范圍之內(nèi)，才有實(shí)際意義。即輸出功率應(yīng)為線性輸出功率。

②應(yīng)具有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，以保證與傳輸圖像質(zhì)量直接相關(guān)的微分增益和微分相位失真，滿足技術(shù)指標(biāo)規(guī)定值（DG=2%，DP=5º）。

③在輸出電壓中不存在互調(diào)分量，至少要使三階互調(diào)分量達(dá)到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)（如IM3=-58dB）。

④盡量在滿足非線性指標(biāo)的前提下，加大輸出功率及具有高效的功率增益，以減少功率放大器的級(jí)數(shù)，縮小整機(jī)體積。

⑤輸出功率一頻響應(yīng)滿足8MHZ帶寬，不平坦度通常為±0.5dB。

⑥輸出功率受溫度影響要小，以確保輸出功率基本恒定。

（2）數(shù)字功率放大器的使用

功率放大器高頻大功率晶體管的特性參數(shù)，直流電流放大系數(shù)，如圖9所示的二種情況：

①不管直流電流放大系數(shù)怎樣低，必須保證在集電極電流高時(shí)仍不致顯著下降。

曲線1：hFE高，而Ic大的地方，hFE急劇下降。

曲線2：hFE延伸到Lc大的地方。

②直流電流放大系數(shù)大，但在集電極電流大時(shí)則應(yīng)急劇下降。

③實(shí)際上hFE大的晶體管在甲乙類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)，偏置電流的微小變化都可以表現(xiàn)出大的集電極電流變化，因而導(dǎo)致特性變壞。

④晶體管的直流放大系數(shù)也有超過(guò)100的情況，我們?nèi)绾魏侠淼膲旱蚳FE也是使用中應(yīng)該注意的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

⑤在使用中還應(yīng)該注意晶體管內(nèi)熱分布均勻化的問(wèn)題，高頻大功率晶體管，由于片狀結(jié)構(gòu)是重迭式的，所以有非常多的分割接點(diǎn)，整片都有接點(diǎn)。因此，必須加寬節(jié)點(diǎn)間的間隔以使熱分布均勻化，從而改善散熱條件。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器固態(tài)技術(shù)有了較大發(fā)展，如果使用得當(dāng)，壽命會(huì)更長(zhǎng)些。而且會(huì)節(jié)省大筆日常維護(hù)費(fèi)用。損壞維修的間隔期也可延長(zhǎng)到每年一次。而且在有效壽命期內(nèi)還會(huì)有更多的結(jié)余。

數(shù)字電視發(fā)射設(shè)備的價(jià)格與功率的關(guān)系式是：Y=mx+c

數(shù)字電視發(fā)射設(shè)備體積小，常數(shù)C也相對(duì)小。斜率m與功率成線性關(guān)系。因此，對(duì)于價(jià)格的比較主要取決于功率。

在走向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的今天，要求電視發(fā)射設(shè)備的投資成本必須在15∽20年設(shè)備有效使用壽命內(nèi)償付完。由于目前數(shù)字電視發(fā)射機(jī)固態(tài)器件有了較大改進(jìn)，更適應(yīng)各級(jí)電視發(fā)射臺(tái)在數(shù)字電視發(fā)射設(shè)備更新?lián)Q代及技術(shù)改造中的要求。這是我們對(duì)新一代數(shù)字電視發(fā)射設(shè)備進(jìn)行了以上的簡(jiǎn)介，以供參考。

作者簡(jiǎn)介：

李明星（1964—），男，河南湯陰人，大學(xué)專(zhuān)科，廣播電影電視專(zhuān)業(yè)工程師，現(xiàn)供職于河南有線電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司鶴壁分公司，主要從事廣播電視網(wǎng)絡(luò)工程傳輸工作，曾在國(guó)家級(jí)科技期刊上多篇，獲得科技論文獎(jiǎng)多項(xiàng)。

篇5

關(guān)鍵詞：GaN；負(fù)載牽引；射頻；功率放大器；管芯

中圖分類(lèi)號(hào)：TN722.75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）01-0075-02

0 引 言

在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，功率放大器是其主要的組成部分，它的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響巨大。在雷達(dá)的主要部件—— TR組件設(shè)計(jì)中，要求高功率和體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、低成本。人們對(duì)通信系統(tǒng)的質(zhì)量和業(yè)務(wù)范圍也要求越來(lái)越高。隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，電路集成度的迅速提高，人們對(duì)微波組件性能的期望值也越來(lái)越高。特別是對(duì)微波功率放大器，人們總希望其頻帶越來(lái)越寬、功率越來(lái)越大、通用性越來(lái)越強(qiáng)。GaN材料作為第三代半導(dǎo)體的代表，具有大帶寬、高飽和電子漂移速率和高擊穿電子強(qiáng)度等顯著特點(diǎn)。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）理論上可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率、更高的工作效率以及更高的抗輻照能力，代表固態(tài)微波器件的發(fā)展方向。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體射頻微波器件必將在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信系統(tǒng)中取得廣泛的應(yīng)用，而且也將解決航空航天電子設(shè)備等方面的難題[1]。

本文采用CREE公司的GaN管芯CGH60120D，采用ADS負(fù)載牽引技術(shù)設(shè)計(jì)C波段的微波功率放大器，其發(fā)射功率接近100 W。

1 理論基礎(chǔ)

功率放大電路設(shè)計(jì)包括同時(shí)提供準(zhǔn)確的有源器件建模、有效的阻抗匹配（依賴于技術(shù)要求和工作條件）、工作的穩(wěn)定性并易于實(shí)現(xiàn)等。功率放大器的設(shè)計(jì)品質(zhì)的評(píng)估是在穩(wěn)定工作條件下使得放大器級(jí)數(shù)最少、實(shí)現(xiàn)功率增益最大。為了穩(wěn)定工作，必須計(jì)算有源器件潛在的不穩(wěn)定工作的頻域。為了避免寄生振蕩，需要討論不同頻率范圍（從低頻到靠近器件的特性頻率）的穩(wěn)定電路技術(shù)。功率放大器的關(guān)鍵參數(shù)是它的線性度，這個(gè)參數(shù)對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)用是非常重要的。另外，功率放大器的其他參數(shù)有最大輸出功率、效率、l dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)點(diǎn)等。器件的偏置條件決定了工作狀態(tài)[2]。

2 直流仿真

放大器要想工作在正常狀態(tài)，就必須確定一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)直流仿真了解功放管的靜態(tài)工作點(diǎn) ，確定如圖 1所示的、正確的偏置和器件靜態(tài) I V曲線。

根據(jù) CGH60120D的資料顯示 ，該器件典型工作狀態(tài)下的漏級(jí)電壓為28 V，靜態(tài)電流為1.219 A，圖1中，橫坐標(biāo)為漏級(jí)電壓 ，縱坐標(biāo)為電流值 ，在 Vg為28 V的不同曲線中找到能夠使漏極電流為 180 mA的點(diǎn) ，這時(shí)的柵極電壓為-2.8V，這樣便確定了晶體管的 2個(gè)供電電壓值。

3 穩(wěn)定性

功率放大電路設(shè)計(jì)的目的在于在預(yù)先估計(jì)穩(wěn)定度并給定輸出功率值的情況下，得到最大功率增益和效率。功率放大電路的不穩(wěn)定性導(dǎo)致不希望的寄生振蕩，使得輸出信號(hào)失真。放大電路不穩(wěn)定的主要原因之一是通過(guò)有源器件的內(nèi)在電容、內(nèi)在電感，以及外部電路元件，由輸出端正反饋到輸入端口。因此，任何功率放大電路，特別是在射頻和微波頻率，穩(wěn)定性分析是非常關(guān)鍵的[3]。圖2所示是其電路的穩(wěn)定因子圖。

由圖2可以看出，在5 GHz時(shí)，該電路的穩(wěn)定因子為2.925，大于1，可知此電壓下，其電路是穩(wěn)定的。

4 負(fù)載牽引

功放的輸出功率主要取決于有源器件的負(fù)載阻抗，通過(guò)改變不同的負(fù)載阻抗值，測(cè)試功放的性能，這就是負(fù)載阻抗?fàn)恳?。同理改變?cè)醋杩沟闹祦?lái)獲得功放不同的性能叫做源阻抗?fàn)恳?。搭建一套?shí)際的負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳到y(tǒng)是很困難而且代價(jià)昂貴的，但是隨著微波 EDA技術(shù)的發(fā)展，利用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳呛芊奖愕腫4]。用ADS軟件中的LoadPull模塊對(duì)管芯進(jìn)行負(fù)載牽引情況如圖3所示。

由圖3中可得出其最佳負(fù)載阻抗為1.614+j*1.604。下來(lái)就可根據(jù)阻抗匹配理論 ，在 smithchar對(duì)輸出共扼匹配 ，利用微帶線完成匹配網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)在阻抗圓圖上的軌跡如圖 4所示。

由圖4可以得出，該管芯的負(fù)載匹配電路如圖5所示。

把負(fù)載阻抗加入電路，再用同樣方法進(jìn)行源阻抗?fàn)恳?，并在smithchar完成匹配電路。最后把源阻抗也加入電路中，得到的整體電路如圖6所示。

而對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化后，再對(duì)整體電路進(jìn)行諧波平衡仿真，其功率仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看到，該電路的最佳輸出功率為49.644 dBm，接近100 W，因而可達(dá)預(yù)期的功率輸出。功放的效率仿真結(jié)果如圖8所示，可以看到，其效率值達(dá)到56.278%，符合功放設(shè)計(jì)的預(yù)期值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)CREE公司的CGH60120D氮化鎵管芯進(jìn)行負(fù)載牽引仿真，結(jié)果證明：此芯片設(shè)計(jì)下的C波段功率放大器的最佳功率能達(dá)到100 W?？梢詽M足通信領(lǐng)域和雷達(dá)領(lǐng)域?qū)β史糯笃鞣糯笾档男枨蟆?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1] BAHL I.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2013.

[2]徐興福.ADS200射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2010.

[3] Pozar D M.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

篇6

【關(guān)鍵詞】功率放大器；音響放大器；電路設(shè)計(jì)

1 輸入級(jí)的設(shè)計(jì)

輸入級(jí)是音頻功率放大器的第一級(jí)電路，其主要作用是抑制零點(diǎn)漂移、穩(wěn)定輸出中點(diǎn)電壓，把輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行低失真放大。根據(jù)輸入級(jí)的作用，采用差動(dòng)放大電路是目前比較好的選擇。

1.1 差動(dòng)放大電路模式

由于差動(dòng)放大電路能夠有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此，在功率放大器輸入級(jí)的設(shè)計(jì)中被大量采用，典型的差動(dòng)放大電路。但由于V1和V2管參數(shù)的差異，使IC1，IC2不能?chē)?yán)格對(duì)稱，導(dǎo)致共模抑制比（CMRR）和電源抑制能力（PSRR）下降。因此，要提高差動(dòng)放大電路的性能，必須對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。具體辦法是，采用鏡像電流源V3，V4代替集電極電阻R1，R2，采用恒流源代替發(fā)射極電阻R5；鏡像電流源能保證兩管電流對(duì)稱，而恒流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻很大，可有效地提高差動(dòng)放大電路的共模抑制比（CMRR）和電源抑制能力（PSRR）。另外，V3，V4鏡像電流源又作為輸入級(jí)的負(fù)載，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻大，對(duì)信號(hào)的分流可以忽略，有利于提高輸入級(jí)的開(kāi)環(huán)增益和電壓轉(zhuǎn)換速率；經(jīng)測(cè)試，開(kāi)環(huán)增益可提高6dB，轉(zhuǎn)換速率可提高1倍。轉(zhuǎn)換速率（SR）是放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，單位是V/μs。該指標(biāo)越高，對(duì)信號(hào)的細(xì)節(jié)成分還原能力越強(qiáng)，否則會(huì)損失部分解析力。也可采用JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管組成差動(dòng)放大輸入級(jí)，對(duì)改善頻率響應(yīng)有明顯的效果。

1.2 差動(dòng)放大與Cascode渥爾曼電路模式

雖然改進(jìn)型的差動(dòng)放大電路能較好地解決典型差動(dòng)放大電路所存在的問(wèn)題，但是，上述差動(dòng)放大電路中的晶體管都是采用共射接法的。由于集電結(jié)電阻、電容rb'c，Cb'c連接在晶體管的輸入輸出端之間，造成晶體管內(nèi)部反饋，輸出電壓可通過(guò)rb'c，Cb'c反饋到放大電路的輸入端，一方面導(dǎo)致放大電路的高頻增益下降，即電路的高頻特性變差；另一方面，頻率越高，反饋信號(hào)的相移越大，導(dǎo)致放大電路在高頻區(qū)的工作不夠穩(wěn)定。典型的渥爾曼電路，該電路的電壓增益（即V1的電壓增益）Av=Vo/Vi≈R3/R4。由此可見(jiàn)，渥爾曼電路的電壓增益與晶體管V1，V2的參數(shù)無(wú)關(guān)，也就避免了晶體管的發(fā)射結(jié)電容Cb'e，Cb'c和基區(qū)電阻、發(fā)射結(jié)電阻rb'b，rb'e等參數(shù)對(duì)電路頻率特性的影響，從而獲得良好的高頻特性，由差動(dòng)放大與Cascode渥爾曼電路組成的輸入級(jí)。該電路由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和晶體三極管組成，具有良好的溫度特性。

2 推動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)

推動(dòng)級(jí)的音頻功率放大器的第二級(jí)電路，其主要作用是把輸入級(jí)輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行電壓放大，以足夠的電壓去驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)工作；推動(dòng)級(jí)應(yīng)工作在線性放大區(qū)，即甲類(lèi)工作狀態(tài)，整個(gè)功率放大器的增益主要由推動(dòng)級(jí)的電壓增益來(lái)決定，因此，要求推動(dòng)級(jí)的電壓增益、工作的穩(wěn)定性要高，頻帶要寬，動(dòng)態(tài)范圍要大，失真要小?？煽紤]選擇以下電路模式。

2.1 共射（源）放大電路模式

最簡(jiǎn)單的推動(dòng)級(jí)是采用單管共射（場(chǎng)效應(yīng)管共源）放大電路模式。該電路具有比較高的電壓增益，容易滿足增益方面的要求，過(guò)去采用比較多。在中頻段電壓增益為AV=-βRC/rbe（空載），問(wèn)題是要提高推動(dòng)級(jí)的增益，就必須增大集電極電阻R6的阻值，但阻值增大，會(huì)降低推動(dòng)管的動(dòng)態(tài)范圍，容易出現(xiàn)大信號(hào)非線性失真；采用鏡像電流源V6，V7代替推動(dòng)管的集電極電阻R6，采用恒壓源代替偏置電阻R7可解決上述問(wèn)題。但是，采用單管共射放大電路的穩(wěn)定性還是不理想。

2.2 差動(dòng)放大電路模式

針對(duì)單管共射放大電路的穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，推動(dòng)級(jí)可考慮選擇差動(dòng)放大電路（V5，V6），集電極采用鏡像電流源（V7，V8）作為負(fù)載；一方面提高推動(dòng)級(jí)工作的穩(wěn)定性、保證有足夠的電壓增益，另一方面又可以提高推動(dòng)級(jí)的穩(wěn)定性、改善非線性失真。然而，差動(dòng)放大電路中的晶體管還是屬于共射接法，對(duì)頻率特性的改善是限度的?？煽紤]選擇渥爾曼電路。

2.3 Cascode渥爾曼電路模式

渥爾曼電路的工作非常穩(wěn)定，高頻特性很好，較好地解決上述問(wèn)題；電路原理“輸入級(jí)的設(shè)計(jì)”中已作出分析，這里不再重復(fù)。圖4（a）、（b）中的V9，V10為輸出級(jí)的電流驅(qū)動(dòng)管。

3 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)

輸出級(jí)是功率放大器最后一級(jí)，主要起電流放大作用。若輸出級(jí)為晶體三極管，則采用射極輸出器電路模式；若輸出級(jí)為場(chǎng)效應(yīng)管，則往往采用源極輸出器電路模式。

為了降低輸出阻抗，常采用互補(bǔ)推挽方式，一般上管采用NPN管（或N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管），而下管則采用PNP管（或P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管），組成全互補(bǔ)輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。由于輸出功率有限，因此適合推動(dòng)效率較高的小音箱。

對(duì)于大功率落地式音箱或效率較低的音箱，采用單管互補(bǔ)輸出級(jí)輸出電流有限，阻尼系數(shù)低，控制力不足，容易出現(xiàn)大信號(hào)電流失真（“軟腳蟹”現(xiàn)象）；宜采用多管并聯(lián)互補(bǔ)推挽輸出級(jí)來(lái)提高輸出電流、阻尼系數(shù)KD和控制力。

多管并聯(lián)互補(bǔ)推挽輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)方式可考慮選用單管電流驅(qū)動(dòng)方式和多管電流驅(qū)動(dòng)方式。單管電流驅(qū)動(dòng)方式采用單個(gè)推動(dòng)管驅(qū)動(dòng)兩對(duì)管并聯(lián)互補(bǔ)推挽輸出級(jí)的方式比較常見(jiàn)，為了進(jìn)一步提高功率放大器的輸出功率，當(dāng)輸出級(jí)采用3～4對(duì)以上的大功率管時(shí)，容易出現(xiàn)問(wèn)題，就是當(dāng)大信號(hào)到來(lái)時(shí)，由于單個(gè)推動(dòng)管的輸出電流有限，容易出現(xiàn)過(guò)載失真，尤其是甲類(lèi)功率放大器。

多管電流驅(qū)動(dòng)方式。針對(duì)單管推動(dòng)多對(duì)大功率輸出所存在的問(wèn)題，可考慮采用電流驅(qū)動(dòng)管和大功率輸出管一對(duì)一驅(qū)動(dòng)方式。該驅(qū)動(dòng)方式能減輕單個(gè)推動(dòng)管在大信號(hào)期間負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題，有效地避免電流驅(qū)動(dòng)管可能出現(xiàn)的過(guò)載失真。另外，采用多管并聯(lián)推挽輸出級(jí)（也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管），還可以減少失真，提高功率放大器的控制力。

要想進(jìn)一步提高功率放大器線性動(dòng)態(tài)范圍，減少非線性失真，輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)可采用較高的電壓供電。如輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)采用±48V穩(wěn)壓供電，而輸出級(jí)采用±36V供電；由于采用獨(dú)立電源供電，電路工作的穩(wěn)定性更高。另外，采用場(chǎng)效應(yīng)管和晶體三極管混合功率放大器也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的高頻特性較好，并具有負(fù)溫特性，與晶體三極管正溫特性可實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。所以，場(chǎng)效應(yīng)管和晶體三極管混合功率放大器可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者嘗試采用差動(dòng)放大電路、渥爾曼電路組成輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)，多管并聯(lián)推挽組成輸出級(jí)，電流驅(qū)動(dòng)管和大功率輸出管采用一對(duì)一驅(qū)動(dòng)方式，并采用音響專(zhuān)用元器件組成音頻功率放大器。經(jīng)實(shí)際測(cè)試和試聽(tīng)，頻響、層次感、失真度、控制力有明顯的改善，效果理想。

參考文獻(xiàn)：

[1]張呂彥.基于鏡像電流源與電壓源的功率放大器[J].電聲技術(shù)，2010（12）.

[2]張呂彥.影響功率放大器瞬態(tài)響應(yīng)的因素及其改進(jìn)[J].電聲技術(shù)，2010（10）.

[3]周淑閣.模擬電子技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.

篇7

摘要：《低頻電子技術(shù)》是以高職應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生就業(yè)為導(dǎo)向，按照“以能力為本位，以職業(yè)實(shí)踐為主線，以項(xiàng)目課程為主體的模塊化專(zhuān)業(yè)課程體系”的總體設(shè)計(jì)要求，以形成掌握低頻電子技術(shù)的基本知識(shí)和操作技能為基本目標(biāo)，緊緊圍繞工作任務(wù)完成的需要來(lái)選擇和組織課程內(nèi)容，突出工作任務(wù)與知識(shí)的聯(lián)系，讓學(xué)生在完成職業(yè)任務(wù)的過(guò)程中，掌握知識(shí)、技能；養(yǎng)成適應(yīng)電子企業(yè)的職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)內(nèi)容；課程設(shè)計(jì)；組織與安排

一、傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）教材內(nèi)容安排不合理。有些地方該詳?shù)牟辉?該簡(jiǎn)的不簡(jiǎn),學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，造成厭學(xué)情緒。教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有做好基礎(chǔ)課程與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的銜接，也未能針對(duì)學(xué)生畢業(yè)后可能從事的工作進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。課程單調(diào)，缺少實(shí)踐性題目，課程內(nèi)容大部分比較陳舊，多年的老習(xí)題不變，已跟不上時(shí)代的要求。

（二）教學(xué)方法沒(méi)能跟上時(shí)代的步伐。一些教師習(xí)慣在“粉筆+黑板”的教學(xué)模式下發(fā)揮其聰明才智，教學(xué)方法基本采用灌輸式，他們不熟悉和不適應(yīng)新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，課堂教學(xué)講得過(guò)多、過(guò)細(xì)，并且缺乏新意，沒(méi)有給學(xué)生充分的思考空間。學(xué)生學(xué)起來(lái)一點(diǎn)興趣也沒(méi)有，興趣是最好的老師，沒(méi)興趣也就沒(méi)有學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

二、課程設(shè)計(jì)思路

對(duì)電子企業(yè)生產(chǎn)一線的元器件檢測(cè)、電子產(chǎn)品調(diào)試、電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、測(cè)試技術(shù)員、物料采購(gòu)與準(zhǔn)備、品質(zhì)檢驗(yàn)與管理等崗位群的典型工作任務(wù)進(jìn)行所需低頻電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)和技能的分析，選取“兩級(jí)小信號(hào)放大電路的組裝與測(cè)試”、“正弦波、方波、三角波變換電路的組裝與測(cè)試”、“實(shí)用音頻功率放大電路的組裝與測(cè)試”、“實(shí)用直流穩(wěn)壓電源的組裝與測(cè)試”、“實(shí)用功放的制作與綜合測(cè)試”等五個(gè)項(xiàng)目為載體實(shí)施教學(xué)。項(xiàng)目按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從相對(duì)單一到綜合應(yīng)用的邏輯關(guān)系排序。綜合項(xiàng)目以完成一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品為目標(biāo)成果，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和完成工作任務(wù)的成就感。

三、教學(xué)內(nèi)容組織與安排

1、會(huì)用萬(wàn)用表測(cè)量二極管的電阻，判斷正負(fù)極。

2、會(huì)分析使用二極管的恒壓降和理想模型。

3、會(huì)選用二極管 活動(dòng)1：二極管參數(shù)簡(jiǎn)單測(cè)試。

活動(dòng)2：二極管應(yīng)用電路。

半導(dǎo)體三極管特性及測(cè)試 1、會(huì)用萬(wàn)用表測(cè)量三極管電阻。

2、會(huì)用圖示儀對(duì)三極管性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。 活動(dòng)1：用萬(wàn)用表測(cè)量三極管電阻，判斷極性和性能。

活動(dòng)2：用圖示儀對(duì)三極管性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試

兩級(jí)放大電路組裝測(cè)試 1、會(huì)元器件參數(shù)測(cè)試。

2、會(huì)多級(jí)放大電路的組裝。

3、會(huì)多級(jí)放大電路靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

4、會(huì)對(duì)多級(jí)放大電路進(jìn)行調(diào)整。 活動(dòng)1：兩級(jí)放大電路組裝。

活動(dòng)2：兩級(jí)放大電路性能測(cè)試。

活動(dòng)3：最大不失真輸出信號(hào)的測(cè)試。

活動(dòng)4：通頻帶的測(cè)試

正弦波、方波、三角波變換電路的組裝與測(cè)試 無(wú)源濾波電路 1、會(huì)半波整流電路的分析和測(cè)量。

2、會(huì)全波整流電路的分析和測(cè)量。 活動(dòng)1：測(cè)量半波整流電路、全波整流電路對(duì)輸出信號(hào)的影響。

活動(dòng)2：測(cè)量濾波電容容量變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。

活動(dòng)3：測(cè)量濾波方式變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。

有源濾波電路 1、會(huì)低通、高通、帶通、帶阻濾波電路的分析和參數(shù)測(cè)試。 活動(dòng)1：測(cè)量二階低通濾波器頻響特性。

活動(dòng)2：測(cè)量二階高通濾波器頻響特性。

活動(dòng)3：測(cè)量帶通濾波器頻響特性。

音調(diào)控制電路 1、會(huì)音調(diào)控制電路分析。

2、會(huì)音調(diào)電阻的變化對(duì)輸出電壓影響的測(cè)量。

3、掌握衰減式、反饋式音調(diào)控制電路電路的特性和測(cè)試方法。 活動(dòng)1：測(cè)量衰減式音調(diào)控制電路在低頻出（100Hz）和高頻處（5KHz）音調(diào)電位器的變化對(duì)輸出電壓的影響。

活動(dòng)2：測(cè)量反饋式音調(diào)控制電路在低頻出（100Hz）和高頻處（5KHz）音調(diào)電位器的變化對(duì)輸出電壓的影響。

正弦波、方波、三角波變換電路的組裝與測(cè)試 1、會(huì)元器件特性測(cè)試。

2、會(huì)電路組裝。

3、會(huì)正弦波、方波、三角波變換電路的參數(shù)測(cè)試。 活動(dòng)1：正弦波、方波、三角波變換電路的組裝。

活動(dòng)2：正弦波、方波、三角波變換電路的測(cè)試。

實(shí)用音頻功率放大電路的組裝與測(cè)試 OCL和OTL放大電路 1、能對(duì)甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)功率放大電路的放大性能進(jìn)行比較。

2、會(huì)乙類(lèi)、甲乙類(lèi)功率放大電路的最大不失真輸出功率、效率的計(jì)算。

3、會(huì)OTL、OCL功率放大電路的參數(shù)測(cè)試。 活動(dòng)1：OCL功率放大電路的電路連接、靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試、最大不失真輸出功率、效率測(cè)量。

活動(dòng)2：OTL功率放大電路的電路連接、靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試、最大不失真輸出功率、效率測(cè)量。

常用集成功率放大電路 1、了解常用功率放大器。

2、會(huì)用LA4100構(gòu)成功率放大電路。

3、會(huì)集成功率放大電路參數(shù)的測(cè)試。 活動(dòng)1：LA4100構(gòu)成的集成功率放大電路的裝接。

活動(dòng)2：LA4100構(gòu)成的集成功率放大電路的最大不失真輸出功率、效率和頻響曲線測(cè)量。

實(shí)用音頻功率放大電路的組裝與測(cè)試 1、會(huì)元器件特性測(cè)試。

2、會(huì)電路組裝。

3、會(huì)音頻功率放大電路的測(cè)試與調(diào)整。 活動(dòng)1：一款實(shí)用音頻功率放大電路的組裝。

活動(dòng)2：一款實(shí)用音頻功率放大電路的測(cè)試與調(diào)整。

實(shí)用直流穩(wěn)壓電源的組裝與測(cè)試 串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源測(cè)試 1、會(huì)分析串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源電路。

2、會(huì)串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測(cè)試。 活動(dòng)1：串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的電路連接。

活動(dòng)2：串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測(cè)試（紋波電壓、輸出電阻等）。

線性集成穩(wěn)壓器 1、掌握常用三端集成穩(wěn)壓器電路的結(jié)構(gòu)。

2、會(huì)三端集成穩(wěn)壓器電路性能指標(biāo)的測(cè)試。 活動(dòng)1：三端集成穩(wěn)壓器電路性能指標(biāo)的電路連接。

活動(dòng)2：三端集成穩(wěn)壓器電路性能指標(biāo)的測(cè)試（紋波電壓、輸出電阻等）。

開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器 1、掌握開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器電路的結(jié)構(gòu)。

2、會(huì)開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器電路性能指標(biāo)的測(cè)試。 活動(dòng)1：開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器的使用及性能指標(biāo)的電路連接。

活動(dòng)2：開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器的使用及性能指標(biāo)的仿真分析（紋波電壓、輸出電阻等）。

實(shí)用直流穩(wěn)壓電源的組裝與測(cè)試 1、會(huì)元器件特性測(cè)試。

2、會(huì)電路組裝。

3、會(huì)實(shí)用直流穩(wěn)壓電源電路的測(cè)試與調(diào)整。 活動(dòng)1：實(shí)用直流穩(wěn)壓電源電路的組裝。

活動(dòng)2：實(shí)用直流穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)的測(cè)試紋波電壓、輸出電阻等）。

通過(guò)幾年來(lái)的探索和教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)凇兜皖l電子技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容組織與安排方面取得了一些效果，探索出了一個(gè)行之有效的教學(xué)方法。但如同科技的進(jìn)程是無(wú)止境一樣，課程的建設(shè)也是一個(gè)長(zhǎng)期、艱巨的過(guò)程。在這個(gè)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù)中，為達(dá)到“讓學(xué)生滿意的課程”這一目的，還應(yīng)有每一時(shí)期的階段性建設(shè)目標(biāo)，這就是先建設(shè)“合格課程”，再進(jìn)一步建設(shè)“精品課程”，即使某一階段結(jié)束了，也還要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，各個(gè)環(huán)節(jié)也要不斷地補(bǔ)充和修改。我們希望通過(guò)持續(xù)不斷的努力，使課程建設(shè)取得最佳效果，為培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代，具有高素質(zhì)的技術(shù)人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

文獻(xiàn)參考：

⑴付植桐. 電子技術(shù)（第2版）〔M〕北京：高等教育出版社，2004

⑵賈立新. 電子技術(shù)課程建設(shè)探索與實(shí)踐〔J〕電子電氣學(xué)報(bào)，2004，

篇8

關(guān)鍵詞:負(fù)載牽引;開(kāi)關(guān)類(lèi);功率放大器;最優(yōu)阻抗;功率附加效率

中圖分類(lèi)號(hào):TN722.7+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-191-02

Application of Load-pull in Switch-mode Power Amplifier Design

SUN Dianju,WU Xuejie,HOU Lei,LIU Ru

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract:To improve the accuracy of switch-mode power amplifier design and find the power amplifier optimum impe-dance,load-pull approach is adopted to design switch-mode power amplifier,the optimal output impendence is obtained,output and input matching network and harmonic traps are designed,the simulation results show that the power-added efficiency of 69352% with the input power of 28dBm is achieved,load-pull provides quick and efficiency approach,raises large-signal model accuracy for improving switch-mode power amplifier design and performance.

Keywords:load-pull;switch-mode;power amplifier;optimum impedance;power added efficiency

0 引 言

負(fù)載牽引法是微波通信電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一種實(shí)用的方法,能夠用于測(cè)量器件在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能,并且這種方法可以用于大信號(hào)和非線性條件下的功率放大管的測(cè)量。

功放的輸出功率主要取決于有源器件的負(fù)載阻抗,通過(guò)改變不同的負(fù)載阻抗值,測(cè)試功放的性能,這就是負(fù)載阻抗?fàn)恳幕驹?搭建一套實(shí)際的負(fù)載(源)阻抗?fàn)恳到y(tǒng)是很困難而且代價(jià)昂貴的,但是隨著微波EDA技術(shù)的發(fā)展,利用軟件方針實(shí)現(xiàn)負(fù)載(源)阻抗?fàn)恳呛芊奖愕腫1]。

本文采用的是美國(guó)安捷倫公司的ADS電子設(shè)計(jì)軟件(Agilent Design System),ADS軟件可以提供電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于ADS的輔助設(shè)計(jì)將減少設(shè)計(jì)高精度高頻RF/微波模塊所需的步驟,并允許設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)始物理原型設(shè)計(jì)之前,做出可靠信息的決定和調(diào)整。

1 設(shè) 計(jì)

負(fù)載牽引方法可以通過(guò)不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗,找到讓有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗。同理,也可以得到讓功率管效率最高的匹配阻抗。這種方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量出器件在大信號(hào)條件下的最優(yōu)性能,反映出器件輸入,輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性,為器件和電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

開(kāi)關(guān)類(lèi)功率放大器(D類(lèi),E類(lèi)和F類(lèi))中輸出級(jí)MOS管被過(guò)驅(qū)動(dòng)為一個(gè)開(kāi)關(guān)管使在整個(gè)周期內(nèi)電源提供的直流功耗為零,晶體管不消耗任何功率并且其效率在理想情況下為100%[3]。

在F類(lèi)電路實(shí)現(xiàn)上,只考慮三階諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),對(duì)高于三階的諧波被認(rèn)為在輸出漏端電容處短路,且高于三階的諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)增加了無(wú)源元件的損耗,對(duì)性能提高并不明顯。

本文設(shè)計(jì)的是F類(lèi)功率放大器。采用0.25 μm的飛思卡爾的GaAs工藝MSFG35010功率放大器晶體管[7]。 對(duì)功率管做直流仿真,取管子在AB類(lèi)的偏置點(diǎn),漏端直流供給電壓Vds取12 V,柵源電壓Vgs取-11 V。

對(duì)功放管進(jìn)行負(fù)載牽引仿真。如圖1所示。

圖2表示了輸出功率和效率的牽引曲線。在同┮惶醯雀呦呱系淖榪箍梢曰竦孟嗤的輸出功率(效率),細(xì)實(shí)線為輸出功率等高線,負(fù)載牽引曲線最中心點(diǎn)的阻抗值可以獲得最大輸出功率為38 dBm;粗實(shí)線為效率等高線在最中心的點(diǎn)的阻抗值可以得到最大效率為61%,最中心的點(diǎn)為最大值,的等高線每一個(gè)等高線下降一個(gè)1 dB功率,效率和功率曲線沒(méi)有閉合是因?yàn)樵谀承┳杩裹c(diǎn)諧波平衡仿真器不收斂,或者此時(shí)阻抗令放大器不穩(wěn)定造成的。

圖1 負(fù)載牽引電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 輸出功率和效率的牽引曲線

首先測(cè)試負(fù)載阻抗,得到最大輸出功率的負(fù)載阻抗為7.161-j2.481 Ω,此時(shí)效率為29.55%,增益為31 dB。然后再進(jìn)行源牽引仿真,將Z_l_fund的值改為7.161-j2.481 Ω,其他條件不變,電路測(cè)試見(jiàn)┩1。通過(guò)仿真結(jié)果可以看到不同源阻抗下得到的輸出功率和效率曲線,可得到最大效率為32%,最大輸出功率的源阻抗為6.57-j14.3 Ω,接下來(lái)再回到負(fù)載牽引里面將Z_s_fund改為6.57-j14.3 Ω,再進(jìn)行負(fù)載牽引,得到最大效率為61%時(shí)最佳負(fù)載阻抗值為7.311-j7.596 Ω。最終最佳負(fù)載阻抗和源阻抗不再變化,得到需要的值。

要實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸,必須按照負(fù)載牽引和源牽引所得的最佳輸入和輸出阻抗來(lái)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)上述匹配通常采用的匹配方法是在輸入和輸出端加入L型匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)阻抗匹配理論,利用ADS里面的smith chart對(duì)輸出匹配,將負(fù)載50 Ω匹配到功放管輸出端需要的值,設(shè)計(jì)輸出端的匹配電路。同樣的道理,設(shè)計(jì)輸入端的阻抗匹配電路,最后得到的完整的F類(lèi)功率放大器的電路如圖3所示。

最后測(cè)試此F類(lèi)功率放大器電路的輸出功率和輸入功率變化關(guān)系以及功率附加效率和增益變化如圖4和圖5所示,圖4中縱坐標(biāo)軸為輸出功率,橫坐標(biāo)軸為輸入功率值,圖5中縱坐標(biāo)為功率附加效率,橫坐標(biāo)為輸出功率。結(jié)果表明當(dāng)源功率為28 dBm時(shí),輸出功率為37.739 dBm,功率附加效率為69.352%,很好地實(shí)現(xiàn)了F類(lèi)功率放大器高效率的作用和特征。

圖3 F類(lèi)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 輸出功率隨輸入功率變化圖

圖5 功率附加效率的變化圖

2 結(jié) 語(yǔ)

功率負(fù)載牽引法在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后,通過(guò)測(cè)量功放管的輸入,輸出匹配阻抗,可以準(zhǔn)確地描述出微波功率晶體管在大信號(hào),非線性情況下的各種特性及最優(yōu)阻抗值,例如最大輸出功率,附加效率和器件輸入輸出阻抗等,彌補(bǔ)了基于小信號(hào)S參數(shù)的器件模型的不足,進(jìn)而為優(yōu)化電路性能奠定了基礎(chǔ)。由此可見(jiàn),功率負(fù)載牽引方法為改進(jìn)開(kāi)關(guān)類(lèi)功放電路設(shè)計(jì),優(yōu)化器件性能提供了快速而有效的方法,提高了大信號(hào)下模型的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]伊?xí)悦?李翔麟,鄒喻,等.基于負(fù)載牽引方法的微波功率放大器仿真與設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技,2007,34(10):24-27.

[2]羅希,劉永強(qiáng),蔡樹(shù)軍.采用功率測(cè)量負(fù)載牽引的阻抗匹配方法[J].半導(dǎo)體技術(shù),2008,33(10): 927-929.

[3]池保勇,余志平,石秉學(xué).CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4]Gao S,Butterworth P,Ooi S,et al.Microwave Class-F Power Amplifier Design Including Input Harmonic Terminations[A].Microwave Conference Proceedings[C].2005.

[5]Trask C,Class F Amplifier Loading Networks:A Unified Design Approach[A].IEEE MTT-S Int.Symp.Dig.[C].Anaheim,1999,1:351-354.

篇9

[關(guān)鍵詞]渦流檢測(cè) MAX038 探頭 帶通濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TH878； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）37-0243-01

1.硬件平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要如下圖2.1所示：首先信號(hào)發(fā)生模塊MAX038發(fā)出正弦信號(hào)，然后用功率放大模塊將正弦信號(hào)放大，提高帶負(fù)載能力，帶動(dòng)激勵(lì)線圈，接著把霍爾傳感器的輸出值，先經(jīng)過(guò)后期處理（如放大和濾波），然后通過(guò)求真有效值模塊使其變成直流量，最后通過(guò)A/D采集模塊用數(shù)碼管顯示出其值的大小。

2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

本系統(tǒng)采用MAX038來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，MAX038是MAXIM公司生產(chǎn)的一個(gè)只需要很少外部元件的精密高頻波形產(chǎn)生器，其工作電壓采取±5V 雙電源供電，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，選取如下電路圖2.2

2.2 功率放大電路

MAX038輸出的信號(hào)不足以帶動(dòng)負(fù)載線圈，霍爾傳感器輸出帶負(fù)載能力很弱，所以本論了兩個(gè)個(gè)功率放大電路，利用TDA2030A芯片來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，該芯片需要的元件少，輸出功率大，電路圖如2.3所示：

2.3 激勵(lì)線圈的繞制

本系統(tǒng)所采用的探頭線圈為放置式線圈，線圈繞制在環(huán)形的線圈骨架槽內(nèi)，線圈骨架材料采用聚四氟乙烯，匝數(shù)為300匝。

2.4 霍爾傳感器

由于本系統(tǒng)的線圈中加載的電流比較大，線圈周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)會(huì)比較大，所以本系統(tǒng)選取了霍爾傳感器UGN3503，它的測(cè)量磁場(chǎng)范圍為-670到670，采取正5伏電壓供電。

2.5 功率放大模塊

從霍爾傳感器輸出的信號(hào)微弱，帶負(fù)載能力弱，故對(duì)霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，功率放大模塊如前圖2.3所示。

2.6 濾波模塊

從霍爾傳感器輸出的信號(hào)微弱，抗干擾能力差，含有大量的諧波，因此濾波電路的設(shè)計(jì)也是極其重要的。本系統(tǒng)采用TI公司的FilterPro軟件，設(shè)計(jì)了四階的貝塞爾濾波器，其中心頻率為1KHz，通帶帶寬為50Hz，具體電路圖如下圖2.5所示：其中運(yùn)放芯片使用OP07。

2.7 求真有效值模塊

AD637是ADI公司的一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器， 本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，選取了如下的電路，如下圖2.6所示，其中Cav0.1uf，C1，C2為0.33uf。

2.8 數(shù)據(jù)采集模塊

ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)首先利用Proteus軟件進(jìn)行了仿真，根據(jù)渦流檢測(cè)的原理，在缺陷處和無(wú)缺陷處，此直流值的幅值是不一樣的，這時(shí)候，可以通過(guò)幅的大小來(lái)判斷有無(wú)缺陷。本系統(tǒng)在仿真的基礎(chǔ)上搭建了硬件電路圖。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)首先選取了鋁合金材料作為導(dǎo)電材料樣板，首先對(duì)光滑無(wú)缺陷的表面進(jìn)行了檢測(cè)并將其作為參考值。正常情況下其值大小為4.36V，然后對(duì)不同深度的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，其中較淺處缺陷情況下，其值大小為3.41V，較深處缺陷情況消癌，其值大小為2.79V，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)碼管值的大小能夠快速的判斷此處是否有缺陷，不過(guò)不足在于對(duì)于較小的缺陷還是不容易檢測(cè)出來(lái)的，而且需要有一個(gè)非缺陷處的值作為參考。

4.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種簡(jiǎn)單的低頻渦流檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)試件中無(wú)缺陷處，缺陷處進(jìn)行了比較，通過(guò)比較幅值的大小能快速判斷是否有缺陷。不過(guò)缺陷是需要無(wú)缺陷處的幅值作為基準(zhǔn)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張思全，陳鐵群，劉桂雄.渦流檢測(cè)自然裂紋與信號(hào)處理[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007.

篇10

關(guān)鍵詞： GaN； 功率匹配； 高效率功率放大器； 通信系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN722.75?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0083?03

Development of high efficiency power?amplifier based on new generation semiconductor GaN

GUO Dong， LI Liang， DOU Zhi?tong， LI Chao

（503th Institute of China Academy of Space Technology， Beijing 100086， China）

Abstract： In recent years， the requirement of power consumption is getting lower， and the space for the power amplifier getting smaller in wireless communication， radar and other fields， which requires the power amplifier to have higher efficiency and higher operating junction temperature. The new generation wide band gap semiconductor material GaN is able to meet the requirements. An S?band power amplifier based on CREE company′s GaN?based power amplifier tube CGH40045 was designed. In the design， power matching， heat dissipation and spurious suppression were considered. Final testing results show that within the bandwidth of 300 MHz， power gain ≥50 dB， saturated output power ≥46 dBm， efficiency ≥50%. The efficiency has been improved more significantly， compared with the previous GaAs power amplifier with 30% efficiency. In future communication systems， the power amplifiers based on the new generation semiconductor materials GaN have a very good application prospect.

Keywords： GaN； power matching； high efficiency power?amplifier； communication system

0 引 言

當(dāng)前，在射頻和微波頻段下常用的功率放大器多為基于GaAs材料的HFET和PHEMT器件，但是由于GaAs材料在電性能和熱性能上的局限，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足未來(lái)系統(tǒng)的需求。作為下一代微波功率器件的材料，GaN材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)擊穿電壓高，而且能夠產(chǎn)生高濃度的二維電子氣（2DEG），并具有很高的電子遷移率，因此能夠得到很高的功率輸出密度，同時(shí)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件能夠承受很高的結(jié)溫，可以很好地滿足大功率、高效率、高溫等性能要求[1]，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)等軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)重要的發(fā)展前沿之一。

近幾年以GaN為基礎(chǔ)的微波功率器件的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)步，如美國(guó)的CREE公司和TriQuint公司、日本的東芝公司以及富士通等公司，不斷地推出GaN大功率器件。其中TriQuint公司在2008年便推出了Ku頻段100 W的GaN芯片[2]，使GaN器件進(jìn)入了實(shí)用階段。而美國(guó)軍方也一直在大力扶持GaN器件的發(fā)展，目標(biāo)是將其軍事和空間應(yīng)用的電子器件轉(zhuǎn)向GaN器件。在國(guó)內(nèi)，主要是中電13所和中電55所對(duì)GaN器件進(jìn)行了研制[3?5]，其中中電13所的GaN器件從S波段一直覆蓋到Ka波段，產(chǎn)品逐步達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。

本文針對(duì)某通信系統(tǒng)對(duì)功率放大器低功耗、高效率的要求，基于GaN功放管研制了一款S波段40 W飽和輸出的功率放大器，主要進(jìn)行了功率匹配、熱設(shè)計(jì)考慮、雜散抑制等設(shè)計(jì)，最終測(cè)試結(jié)果顯示在工作帶寬內(nèi)，工作效率≥50%，明顯高于該系統(tǒng)之前采用的工作效率為30%的GaAs功率放大器。

1 GaN功率放大器設(shè)計(jì)方案

功率放大器位于系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，將上變頻板送入的功率進(jìn)行放大和濾波，發(fā)送到發(fā)射天線。該通信系統(tǒng)之前采用的為GaAs功率放大器，隨著系統(tǒng)對(duì)功耗要求的越來(lái)越苛刻，必須采用更高效率的功率放大器，從而使整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)換代。

系統(tǒng)對(duì)功率放大器的功能需求有：工作于S頻段，帶寬為300 MHz；有大功率、小功率、關(guān)斷三種工作狀態(tài)；對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行功率放大、濾波等處理。

具體的性能要求有：在300 MHz的帶寬內(nèi)功率增益≥50 dB；飽和輸出功率≥46 dBm；工作效率≥50%；具有開(kāi)路和短路保護(hù)的功能，具有小功率狀態(tài)（輸出功率為16～25 dBm）工作功能；具有電源關(guān)斷功能，所有電源可同時(shí)關(guān)斷和開(kāi)啟；在工作帶寬外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz。功率放大器的結(jié)構(gòu)尺寸為100 mm×40 mm×25 mm，電源以及控制信號(hào)共用一個(gè)微矩形接插件，射頻信號(hào)采用常見(jiàn)的SMA?K形式。環(huán)境溫度為-45～65 ℃。

根據(jù)指標(biāo)要求，進(jìn)行功率放大器方案的設(shè)計(jì)。至少需要三級(jí)放大器來(lái)滿足功率增益≥50 dB的要求，并且末級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)選用高效率的GaN器件，來(lái)滿足高功率和高效率的要求；在末級(jí)功放管輸出端接隔離器，隔離度≥25 dB，大大降低負(fù)載牽引對(duì)末級(jí)功放的影響，具有開(kāi)路和短路保護(hù)的功能[6]；設(shè)計(jì)電源控制電路，分別控制末級(jí)功放電源、其余器件電源，從而實(shí)現(xiàn)大功率狀態(tài)、小功率狀態(tài)、關(guān)斷狀態(tài)間的切換；對(duì)于帶外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz的指標(biāo)，在驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)放大器間加入一個(gè)低插損的腔體濾波器，使雜散電平滿足指標(biāo)要求。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器電路原理框圖

對(duì)于功率狀態(tài)控制電路，使用兩路TTL電平分別控制PMOS管電源開(kāi)關(guān)，從而分別控制末級(jí)GaN功率管的漏極電壓、其余器件的供電電壓。當(dāng)控制電壓為高電平時(shí)PMOS管打開(kāi)，這樣就可以通過(guò)關(guān)閉末級(jí)功放管的漏極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)小功率狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉其余器件的供電電壓時(shí)為關(guān)斷狀態(tài)，而兩路TTL電平都為高時(shí)則為大功率狀態(tài)。在功率控制的同時(shí)還要注意GaN功率管需要先加?xùn)艠O負(fù)壓，后加漏極的正壓。末級(jí)功放管電源控制電路原理框圖如圖2所示。

對(duì)于帶外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz的指標(biāo)，需計(jì)算腔體濾波器在帶外100 MHz處的抑制指標(biāo)。在帶外100 MHz處無(wú)組合頻率信號(hào)輸入，白噪聲的功率為-104 dBm/10 MHz，輸入端到驅(qū)動(dòng)級(jí)的增益為40 dB，噪聲系數(shù)為5 dB，則驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出的白噪聲功率約為-59 dBm/10 MHz，此時(shí)后面接的腔體濾波器抑制為45 dB以上時(shí)，可將白噪聲的功率降低到最小的噪底功率-104 dBm/10 MHz，后面末級(jí)功放和隔離器的總增益為10 dB，噪聲系數(shù)為4 dB，則最終在100 MHz處的雜散功率為-90 dBm/10 MHz，滿足指標(biāo)要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí)腔體濾波器在帶外100 MHz處的抑制設(shè)計(jì)為50 dB，從而留有余量[7]。

圖2 末級(jí)功放管電源控制原理框圖

2 GaN功率放大器仿真驗(yàn)證

進(jìn)行完方案設(shè)計(jì)后，要對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。主要包括：末級(jí)功放管的匹配仿真、腔體濾波器性能仿真、熱仿真。

一般來(lái)講GaN功放管可工作帶寬很寬，如CGH40045的工作帶寬可達(dá)DC～6 GHz，需要在工作頻帶內(nèi)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，從而得到較高的功率、增益以及效率。通常使用諧波平衡仿真來(lái)得到大信號(hào)狀態(tài)下功放管的仿真結(jié)果。仿真圖如圖3所示，經(jīng)過(guò)仿真可得，末級(jí)功放的飽和功率為47.5 dBm，功率增益為10.5 dB，工作效率≥55%。

圖3 末級(jí)功放管仿真電路圖

對(duì)于腔體濾波器，除了第1節(jié)中計(jì)算得到的在帶外100 MHz處的抑制設(shè)計(jì)為50 dB外，其帶內(nèi)的插損還要足夠小，從而降低對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)功放輸出功率的要求，提高整體的效率；此外在帶內(nèi)的駐波也要足夠好，使級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)級(jí)功放和末級(jí)功放時(shí)不引起自激，并且功率起伏小。此外限制腔體濾波器設(shè)計(jì)的為尺寸，寬度約為30 mm。腔體濾波器的仿真結(jié)果如圖4所示。插損為1 dB左右，帶內(nèi)回波損耗≤-15 dB，在帶外100 MHz處的抑制≥57 dB。

圖4 腔體濾波器仿真曲線

為了盡量減小GaN功放管到屏蔽盒間的熱阻，將功放管燒結(jié)在屏蔽盒上。對(duì)整個(gè)功率放大器進(jìn)行熱仿真，如圖5所示。圖5的環(huán)境溫度設(shè)置為105 ℃，仿真得到末級(jí)功放的最高殼溫為124 ℃，而末級(jí)功放管的熱耗為45 W，熱阻為1.9 ℃/W，則其結(jié)溫為210 ℃，相比于其最高結(jié)溫225 ℃留有余量，保證了長(zhǎng)期工作的可靠性。

圖5 熱仿真結(jié)果

3 GaN功率放大器的測(cè)試結(jié)果

最終功率放大器的實(shí)物如圖6所示。對(duì)功率放大器進(jìn)行測(cè)試，輸出功率、工作效率與輸入功率的關(guān)系見(jiàn)表1。

圖6 功率放大器實(shí)物

可見(jiàn)輸出功率≥46.5 dBm；工作效率≥50%。其他指標(biāo)測(cè)試結(jié)果為：在小功率狀態(tài)輸出功率為18～23 dBm，具備開(kāi)路和短路的保護(hù)功能，功率狀態(tài)控制電路功能正常；在工作帶寬外100 MHz處的雜散電平≤-87 dBm/10 MHz，均滿足指標(biāo)要求。

在該系統(tǒng)的前一代設(shè)備里使用的是GaAs功率放大器，其工作效率為30%，在使用GaN功率放大器作為末級(jí)功放后效率提高至50%，大大地降低了系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的效率，降低了散熱的壓力。

表1 功率放大器測(cè)試結(jié)果

[輸入功率 /dBm＼&輸出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 結(jié) 論

針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)低功耗越來(lái)越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，帶寬為300 MHz，飽和輸出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系統(tǒng)的效率，滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。GaN功放管的帶寬寬，輸出功率高，可在更高的溫度下工作，并且效率高，可大大降低系統(tǒng)的功耗，在通信系統(tǒng)中有著非常好的應(yīng)用前景，將會(huì)逐步替代GaAs功率管而得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帥，陳堂勝，張斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT內(nèi)匹配微波功率管[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，馮皓.X波段50 W GaN功放管的應(yīng)用研究[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2010，30（1）：70?73.

[5] 孫春妹，鐘世昌，陳堂勝，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管內(nèi)匹配技術(shù)要求[J].電子與封裝，2010，39（1）：23?25.