基于負載牽引技術(shù)的射頻功率放大器設計

射頻功率放大器要輸出一定的功率給負載，利用負載牽引技術(shù)可以彈性地找到所需功率的負載點(diǎn)。這里描述了基于負載牽引技術(shù)的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的設計方法， 采用CMOS 工藝設計了放大電路，接著(zhù)對該放大電路進(jìn)行負載牽引，在此基礎上設計輸進(jìn)輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，最后使用ADS軟件進(jìn)行整體仿真，得到了滿(mǎn)足系統指標要求的功率放大器。

功率放大器處于通訊系統中信號發(fā)射機的最末端，用來(lái)放大信號，與小信號放大器不同， 它要輸出一定的功率給負載。效率是功率放大器的一個(gè)基本指標，就非恒包絡(luò )調制方式而言， 包絡(luò )中攜帶有用信息，因此又需要功率放大用具有一定的線(xiàn)性度。射頻功率放大器工作在大 信號狀態(tài)時(shí)，會(huì )由于晶體管的非線(xiàn)性而表現出較強的非線(xiàn)性特性，從而使得信號失真，所以小信號放大器的設計方法并不適合射頻功率放大器的設計。小信號分析法的發(fā)展主要是基于線(xiàn)性控制理論，線(xiàn)性控制理論發(fā)展了一系列行之有效的設計理論，這就使得小信號放大器 的設計變得簡(jiǎn)單可靠。而大信號，則是非線(xiàn)性控制要關(guān)注的題目，但非線(xiàn)性控制理論中數理 運算十分復雜，沒(méi)有線(xiàn)性控制理論那樣簡(jiǎn)單直觀(guān)。

利用負載牽引技術(shù)，可以在沒(méi)有大信號S參數的情況下，不斷變化負載阻抗，找到射頻功率放大器輸出功率最大（或效率最高）時(shí)的那個(gè)負載阻抗，即所謂的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功放的設計方法，借助高頻電路設計輔助軟件ADS 進(jìn)行負載牽引， 然后設計輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，接著(zhù)設計輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò )，在此基礎上進(jìn)行優(yōu)化。最后給出了增益、 輸出功率、附加效率等參數。

1 放大電路的設計

本次電路設計采用臺積電TSMC 0.18umCMOS 工藝，放大電路如圖1 所示，電路結構為差分形式，采取兩級放大，分別為驅動(dòng)級和輸出級。驅動(dòng)級采用差分的共源共柵（Cascode） 結構，可以提供適當的電壓增益；輸出級也是差分的共源共柵結構，在提供一定的電壓增益 的同時(shí)，還提供輸出功率，這種結構可以進(jìn)步功放輸出電壓的擺幅，從而降低對晶體管最大 電流能力的要求，進(jìn)步功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp 和Cn，在進(jìn)步隔離度的 同時(shí)起到級間阻抗匹配的作用。電感L1p、L2p、L1n、L2n 用作負載，電感Lnp 用來(lái)抵消源 極寄生電容對功放效率的影響，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工藝庫里的片上螺旋電感來(lái)實(shí)現， 而L2p 和L2n 采用高Q值的鍵合線(xiàn)電感實(shí)現，這樣可以有效進(jìn)步功放的增益。單路輸進(jìn)信號經(jīng)輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò )由巴倫轉換成兩路信號Vinp 和Vinn，放大后的兩路信號Voutp 和Voutn 經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò )由巴倫轉換成一路信號送至天線(xiàn)。

2 負載牽引技術(shù)的應用

負載牽引技術(shù)可以由實(shí)際丈量系統[2][3]和高頻電路設計輔助軟件[4]][5]兩種方式實(shí)現，但 是搭建一個(gè)負載牽引丈量系統的本錢(qián)相當之大，而且不易實(shí)現，本文采用ADS 軟件對上面 所設計的功率放大器使用負載牽引（Loadpull）技術(shù)有規則的搜尋史密斯（Smith）圓圖上的 每個(gè)區域，確定最佳負載的阻抗值；然后設計輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，將實(shí)際負載阻抗（通常為50Ω） 變換到最佳負載阻抗。負載牽引技術(shù)應用于功率放大器的設計如圖2 所示，中間的電路模塊 是在圖1 放大電路的基礎上引進(jìn)了巴倫從而使得信號單端輸進(jìn)單端輸出。