射頻MOS功率放大電路模擬器的設計方案分析，射頻功率放大器的特性與使用好壞分析

　　射頻MOS功率放大電路模擬器的設計方案分析

　　1. 引言

　　本文設計的50MHz/250W 功率放大器采用美國APT公司生產(chǎn)的推挽式射頻功率MOSFET管ARF448A/B進(jìn)行設計。APT公司在其生產(chǎn)的射頻功率MOSFET的內部結構和封裝形式上都進(jìn)行了優(yōu)化設計，使之更適用于射頻功率放大器。下面介紹該型號功率放大器的電路結構和設計步驟。

　　2．50MHz/250W射頻功率放大器的設計

　　高壓射頻功率放大器的設計與傳統低壓固態(tài)射頻功率放大器的設計過(guò)程有著(zhù)顯著(zhù)的不同，以下50MHz/250W功率放大器的設計過(guò)程將有助于工程技術(shù)人員更好的掌握高壓射頻功率放大器的設計方法。

　　2.1射頻功率MOSFET管ARF448A/B的特點(diǎn)

　　ARF448A和ARF448B是配對使用的射頻功率MOSFET，反向耐壓450V，采用TO-247封裝，適用于輸入電壓范圍為75V－150V的單頻C類(lèi)功率放大器，其工作頻率可設置為13.56MHz、27.12MHz和40.68 MHz。ARF448A/B的高頻增益特性如圖1所示。從圖中可以看出，當頻率達到50MHz時(shí)，ARF448的增益約為17dB。

　　2.2 設計指標

　　50MHz/250W功率放大器的設計指標如下：

　?。?）工作電壓：》100V；（2）工作頻率：50MHz；

　?。?）增　　益：》15dB；（4）輸出功率：250W；

　?。?）效　　率：》70%；（6）駐波比：》20:1；

　　2.3 設計過(guò)程

　　功率放大器的輸入阻抗可以用一個(gè)Q值很高的電容來(lái)表示。輸入電容的取值可以參照相應的設計表格，從中可以查出對應不同漏極電壓時(shí)的電容取值。當ARF448的漏極電壓為125V時(shí)，對應的輸入電容值為1400pF。輸入阻抗取決于輸入功率、漏極電壓以及功率放大器的應用等級。單個(gè)功率放大器開(kāi)關(guān)管負載阻抗的基本計算公式如式（1）所示。

　　注意，利用公式（1）可以準確的計算出A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)射頻功率放大器的并聯(lián)負載阻抗，但并不完全適用于C類(lèi)應用。對于C類(lèi)射頻功率放大器，應當采用式（2）：

　　可以算出，當Vdd為150V時(shí)，Rp的取值相當于Vdd為50V時(shí)的9倍，這對輸出負載匹配非常有利。但是，需要注意的是，此時(shí)功率 MOSFET輸出電容的取值并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。由于高壓狀態(tài)下的并聯(lián)輸出阻抗顯著(zhù)增大，輸出容抗也將顯著(zhù)增大。換句話(huà)說(shuō)，此時(shí)輸出容抗將起主要作用。因此，在設計過(guò)程中，應當采取相應的措施克服輸出容抗的作用。

　　推挽工作過(guò)程需要一個(gè)平衡電路，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的漏極均與一個(gè)雙股扼流電感相連，采用這樣的結構有利于磁通的平衡。

　　綜合考慮最大輸出功率和最壞工作條件，Vdd應取為125V。這樣，每個(gè)開(kāi)關(guān)管將提供125W的輸出功率，與1400pF的輸出電容Cos并聯(lián)的漏極阻抗為90歐姆?？梢圆捎迷黾臃至髌骰虼?lián)電感的方法對輸出電容進(jìn)行補償。由于已經(jīng)在開(kāi)關(guān)管的漏極上采用了雙股扼流電感，因此輸出電容補償措施可以考慮采用串聯(lián)補償電感。

　　為了使漏極阻抗呈純阻性，應當在開(kāi)關(guān)管的漏極上串聯(lián)電感。Rp可以通過(guò)公式（2）計算得到，而Cos是Vdd的反函數。計算出Rp和Xcos之后，選取適當地串聯(lián)電感，可以實(shí)現共扼匹配，如圖2所示。其中，Cop與并聯(lián)輸出阻抗Cos有關(guān)。

　　通過(guò)公式（2）可以計算出Rp等于90歐姆，輸出電容為125pF。在50MHz頻率下，電抗Xcos為－j25.4歐姆。由此可以算出Rs為6.6歐姆，而所需的最優(yōu)取值為6.25歐姆。這就需要將漏極電壓稍稍調低或者將輸出功率

　　稍稍調高即可獲得所需的最優(yōu)取值。但是，在實(shí)際工作過(guò)程中，如果不能通過(guò)調整漏極電壓或輸出功率的方法獲得所需的串聯(lián)等效阻抗值，可以考慮在開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)一個(gè)電容以增大Cos的取值，這樣Ls的取值也將相應的變化。增大Ls使Xcos過(guò)補償可以增大有效Rs值。如果在負載端增加一個(gè)分流電容，可以增大有效Rs值。圖3中的電容C8就是這個(gè)分流電容。這樣，電感、分流電容和輸出電容就構成了一個(gè)π形網(wǎng)絡(luò )。

　　盡管功率放大器的DC非常高，但是由于工作頻率高達50MHz，MOSFET的輸入電容將使其輸入阻抗呈現射頻短路狀態(tài)。雖然可以通過(guò)增加匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現阻抗匹配，但是匹配網(wǎng)絡(luò )的Q值將很高，其成本也將大大提高。最適宜的方法是采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電感網(wǎng)絡(luò )來(lái)控制變換過(guò)程。

　　輸入阻抗在功率放大器工作過(guò)程中并不是固定不變的，由于密勒電容效應的作用，輸入阻抗的變化范圍將相當大。

　　圖3是50MHz/250W功率放大器的電路原理圖。門(mén)極匹配通過(guò)變壓器和調諧網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。變壓器可以提供推挽結構所需的平衡輸入。推挽結構可以使單個(gè)MOSFET的有效輸入阻抗增大約四分之一。注意，變壓器次級不能懸空，應通過(guò)接地電阻接地。輸出電路采用前面提到的串聯(lián)補償方法，大電感用于獲得滿(mǎn)意的輸出電阻匹配效果，電容C8是輸出電感網(wǎng)絡(luò )的分流電容。T2是雙股環(huán)形分流扼流電感，該電感位于L2/L3補償扼流電感的低阻抗端，射頻電壓對它的影響很小，因此不會(huì )飽和。輸出耦合電容需要承擔射頻電流，因此需要采用表面積較大的型號。

　　圖4為實(shí)際電路布局圖，該電路采用雙面覆銅板，直接固定在散熱器上。線(xiàn)路板背面均為表面貼元件。而開(kāi)關(guān)管則通過(guò)板上的矩形孔直接固定在散熱器的底面。

　　圖5和圖6所示分別為C類(lèi)功率放大器在50MHz頻率條件下，增益和效率與輸出功率之間的關(guān)系圖。從圖中可知，輸出功率為150W時(shí)的增益最大，高出設計值約4dB，這主要是因為C類(lèi)功率放大器工作過(guò)程中需要進(jìn)行壓縮，因此實(shí)際工作時(shí)還是能夠滿(mǎn)足設計要求的。而最大效率則出現在輸入和輸出之間實(shí)現共扼匹配的時(shí)候。

　　在對實(shí)際電路進(jìn)行檢驗時(shí)，將Vdd以5V步長(cháng)由110V增大到135V，實(shí)驗結果清楚地顯示增益和效率的最佳值出現在125V時(shí)。對電路重調后，將電壓范圍擴大到100V－150V，也能獲得滿(mǎn)意的效果，但是此時(shí)將可能出現峰值效率的情況。如果進(jìn)一步擴大電壓范圍，L2和L3的值就需要作相應的改動(dòng)。

　　負載冗余測試是在25:1的駐波比條件下進(jìn)行的。用一根同軸電纜作衰減器，通過(guò)調諧電路改變反射系數的相位，結果并未發(fā)生不穩定的現象。

　　3. 結論

　　前面介紹了50MHz/250W射頻功率放大器的設計方法，該方法可以推廣到其他高壓射頻功率放大器的設計過(guò)程中。利用APT公司的專(zhuān)用射頻功率MOSFET將極大的簡(jiǎn)化射頻功率放大器的設計過(guò)程。

　　射頻功率放大器的特性與使用好壞分析

　　身為射頻工程師，工作多多少少都會(huì )涉及到功率放大器。功率放大器可以說(shuō)是很多射頻工程師繞不過(guò)的坎。功能、分類(lèi)、性能指標、電路組成、效率提升技術(shù)、發(fā)展趨勢……關(guān)于射頻功率放大器，該知道的你都知道么？快來(lái)補補課吧！

　　射頻功率放大器RFPA的功能

　　射頻功率放大器RFPA是發(fā)射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機的前級電路中，調制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大 一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線(xiàn)上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。功 率放大器往往是固定設備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

　　在調制器產(chǎn)生射頻信號后，射頻已調信號就由RFPA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò )，再由天線(xiàn)發(fā)射出去。

　　圖1 發(fā)射系統框圖

　　放大器的功能，即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容，我們稱(chēng)之為“信號”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個(gè)“系統”來(lái)說(shuō)，它的“貢 獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那么它 就可以貢獻更多，這才體現出它自身的“價(jià)值”。如果放大器的初始“機制設計”存在著(zhù)一定的問(wèn)題，那么在開(kāi)始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任 何“貢獻”，反而有可能出現一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災難性的。

　　射頻功率放大器RFPA的分類(lèi)

　　根據工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類(lèi)如下：

　　圖2 功率放大器的分類(lèi)

　　射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò )作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲 （A）、乙（B）、丙（C）三類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類(lèi)放大器電流的導通角等于180°，丙類(lèi)放大器 電流的導通角則小于180°。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類(lèi)， 但丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

　　除了以上幾種按照電流導通角分類(lèi)的工作狀態(tài)外，還有使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的?。―）類(lèi)放大器和戊（E）類(lèi)放大器，丁類(lèi)放大器的效率高于丙類(lèi)放大器。

　　射頻功率放大器RFPA的性能指標

　　射頻功率放大器RFPA的主要技術(shù)指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實(shí)現不失真放大?？傮w來(lái)說(shuō)，放大器的評判大概存在著(zhù)如下指標：

　　增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著(zhù)放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的范圍內”，盡可能多的貢獻出“產(chǎn)出”。 工作頻率。這代表著(zhù)放大器對不同頻率信號的承載能力。 工作帶寬。這決定著(zhù)放大器能夠在多大范圍內產(chǎn)生“貢獻”。對于一個(gè)窄帶放大器來(lái)說(shuō)，其自身設計即便沒(méi)有問(wèn)題，但是其貢獻可能是有限的。 穩定性。每一個(gè)晶體管都存在著(zhù)潛在的“不穩定區域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩定。放大器的穩定性包括兩種，潛在不穩定和絕對穩定。前者可 能在特定條件和環(huán)境下出現不穩定現象，后者則能夠保證在任何情況下保持穩定。穩定性問(wèn)題之所以重要，是因為不穩定意味著(zhù)“震蕩”，這時(shí)放大器不但影響自 身，還會(huì )將不穩定因素輸出。 最大輸出功率。這個(gè)指標決定著(zhù)放大器的“容量”。對于“大的系統”來(lái)說(shuō)，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。 效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實(shí)現一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少，就是好的放大器。 線(xiàn)性。線(xiàn)性所表征的是放大器對于大量輸入進(jìn)行正確的反應。線(xiàn)性的惡化表示放大器在過(guò)量的輸入的狀態(tài)下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現出這 種“畸形”的性質(zhì)。

　　下面內容：射頻功放的電路組成、穩定和效率提升方式

　　射頻功率放大器RFPA的電路組成

　　放大器有不同類(lèi)型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路

　　1、晶體管

　　晶體管有很多種，包括當前還有多種結構的晶體管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機制是將不含內容的直流的能 量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉化成有用的成分。一個(gè)晶體管，我們可以視之為“一個(gè)單位”。不同的晶體管不同的 “能力”，例如其承受功率的能力有區別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致；例如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；例如其面 向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

　　2、偏置及穩定電路

　　偏置和穩定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區分，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。

　　晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱(chēng)之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位，其定位不 同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著(zhù)不同的性能表現。有寫(xiě)定位點(diǎn)上起伏較小，適合于小信號工作；有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸 出；有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當的偏置點(diǎn)，是正常工作的 礎。

　　穩定電路一定要在匹配電路之前，因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來(lái)，加上穩定電路的晶體管，是一個(gè)“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。

　　3、輸入輸出匹配電路

　　匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤(pán)的接受和輸出。這意味著(zhù)通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管 之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類(lèi)型來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤(pán)接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的 阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì )影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹小慎微，因為他們更不穩定，同時(shí)，一定的保 留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。

　　射頻功率放大器RFPA穩定的實(shí)現方式

　　每一個(gè)晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實(shí)現方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

　　窄帶的穩定電路是進(jìn)行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過(guò)增加一定的消耗電路和選擇性電路實(shí)現的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍內貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負反饋。這種電路可以在一個(gè)很寬的范圍內工作。

　　不穩定的根源是正反饋，窄帶穩定思路是遏制一部分正反饋，當然，這也同時(shí)抑制了貢獻。而負反饋做得好，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如，負反饋可能會(huì )使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負反饋的引入會(huì )提升晶體管的線(xiàn)性性能。

　　射頻功率放大器RFPA的效率提升技術(shù)

　　晶體管的效率都有一個(gè)理論上的極限。這個(gè)極限隨偏置點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會(huì )大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡(luò )跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。

　　包絡(luò )跟蹤技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相位和包絡(luò )，再由不同的放大電路來(lái)分別放大。這樣，兩個(gè)放大器之間可以專(zhuān)注的負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

　　Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類(lèi)的晶體管，在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)現的基礎是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會(huì )直接的決定了另一支的工作效率。

　　手機射頻模塊功率放大器（PA）市場(chǎng)情況

　　手機功率放大器領(lǐng)域是目前手機里無(wú)法集成化的元件，手機性能、占位面積、通話(huà)質(zhì)量、手機強度、電池續航能力都由功率放大器決定。

　　如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構 則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的手機。融合架構，PA的集成度高，對于3個(gè)以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu) 勢，5-7個(gè)頻帶時(shí)還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點(diǎn)是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當復雜，并且PA集成時(shí)有開(kāi)關(guān)損耗，性能會(huì )受影響。而對于后一種架構， 性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節省幾十毫安電流，相當于延長(cháng)15%的通話(huà)時(shí)間。所以，業(yè)內人士的建議是，大于6個(gè)頻段時(shí)（不算 2G，指3G和4G）采用融合架構，而小于四個(gè)頻段時(shí)采用PA與雙工器集成的方案PAD。