射頻功率放大器的阻抗匹配設計

本文主要對射頻功率放大器電路設計進(jìn)行介紹，主要介紹了射頻功率放大器電路設計思路部分，以及部分設計線(xiàn)路圖。

一、阻抗匹配設計

大多數PA都內部集成了到50歐姆的阻抗匹配設計網(wǎng)絡(luò )，不過(guò)也有一些高功率PA將輸出端匹配放在集成芯片外部，以減小芯片面積。

常用的匹配設計有微帶線(xiàn)匹配設計、分立器件匹配設計網(wǎng)絡(luò )等，在典型設計中有可能會(huì )將兩者共同使用，以改善因為分立器件數值不連續帶來(lái)的匹配設計不佳的問(wèn)題。

PA阻抗匹配設計原理和射頻中的阻抗匹配相同，都是共軛匹配設計，主要實(shí)現功率的最大傳輸。常用工具可以使用Smith圓圖來(lái)觀(guān)察阻抗匹配設計變化，同時(shí)用ADS軟件來(lái)完成仿真。

二、諧波抑制

由本人微博《射頻功率放大器 PA 的基本原理和信號分析》得知，諧波一般是由器件的非線(xiàn)性產(chǎn)生的倍頻分量。諧波抑制對于CE、FCC認證顯得尤為重要。由于諧波的頻率較分散，所以一般采用無(wú)源濾波器來(lái)衰減諧波分量，達到抑制諧波的效果。

不僅PA，其它器件包括調制信號輸出端都有可能產(chǎn)生諧波，為了避免PA對諧波進(jìn)行放大，有必要在PA輸入端即添加抑制電路。

上圖所示無(wú)源濾波器常用于2.4G頻段的芯片輸出端位置，該濾波器為五階低通濾波器，截止頻率約為3GHz，對2倍頻和3倍頻的抑制分別達到45.8dB和72.8dB。

使用無(wú)源濾波器實(shí)現諧波抑制有以下優(yōu)點(diǎn)：

l 簡(jiǎn)單直接，成本有優(yōu)勢

l 良好的性能并且易于仿真

l 可以同時(shí)實(shí)現阻抗匹配設計

三、系統設計優(yōu)化

系統設計優(yōu)化主要從電源設計，匹配網(wǎng)絡(luò )設計出發(fā)，實(shí)現PA性能的穩定改善。

3.1 電源設計

功率放大器是功耗較大的器件，在快速開(kāi)關(guān)的時(shí)候瞬間電流非常大，所以需要在主電源供電路徑上加至少10uF的陶瓷電容，同時(shí)走線(xiàn)盡量寬，讓電容放置走線(xiàn)上，充分利用電容儲能效果。PA供電電源一般有開(kāi)關(guān)噪聲和來(lái)自其它模塊的耦合噪聲，可以在PA靠近供電管腳處放置一些高頻陶瓷電容。有必要也可以加扼流電感或磁珠來(lái)抑制電源噪聲。

從SE2576L的結構框圖可以看出，該PA一共由三級放大組成，每一級都單獨供電，前面兩級作為小信號電壓增大以及開(kāi)關(guān)偏置電路，其工作電流較小，最后一級功率放大，其電流很大。參考DEMO設計，VCC1串聯(lián)47R電阻，并聯(lián)一個(gè)1uF電容用于濾波;VCC2則添加1000pF和10pF兩個(gè)高頻電容，充分濾除100MHz到6GHz左右頻段的干擾信號。功率輸出端同時(shí)也提供直流供電路徑，所以流過(guò)L25的電流最大，C188用于在PA打開(kāi)瞬間提供電流;添加L25、C193作用是防止射頻信號泄露，并對電源產(chǎn)生干擾，耦合到放大器的前端，造成自激或振蕩。同時(shí)在主供電電路上使用一個(gè)10uF陶瓷電容和10pF電容組合，減小PA供電網(wǎng)絡(luò )與其它模塊電源之間相互干擾。

3.2 輸入輸出端傳輸線(xiàn)

輸入輸出端傳輸線(xiàn)首先需要設計阻抗匹配，微帶線(xiàn)也用50歐姆特性阻抗線(xiàn)走線(xiàn)。連接分立元件的微帶線(xiàn)盡量短，并且分支器件放置在射頻信號傳輸主微帶線(xiàn)上，避免由天線(xiàn)效應產(chǎn)生的信號泄露和輻射。

如果有必要，可以在輸入端預留諧波抑制低通濾波器和π型衰減網(wǎng)絡(luò )。

在PA輸入端預留π型衰減網(wǎng)絡(luò )，可以調節PA輸入信號的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性范圍，獲得最佳的性能。如SE2576L增益為33dB，而11g線(xiàn)性輸出最大為26dBm，則此時(shí)的輸入信號強度最大為-7dBm。若產(chǎn)品設計輸出功率為20-25dBm范圍，那么輸入信號范圍則需要控制在? 13 到 ? 8 d B m -13到-8dBm?13到?8dBm以?xún)?，而從芯片端輸出的信號較大，如QCA9**1芯片輸出信號大概為? 9 到 3 d B m -9到3dBm?9到3dBm具有最好的信號質(zhì)量，加上4 到 8 d B 4到8dB4到8dB的衰減量可以?xún)?yōu)化線(xiàn)性范圍。

3.3 接地處理

良好的接地不僅可以獲得較優(yōu)的性能，同時(shí)還可以改善溫度。一般PA芯片的中間是一個(gè)大的接地焊盤(pán)，這個(gè)焊盤(pán)是主要的散熱途徑。至少放置3*3的接地孔，可以有效地將熱量傳遞到其它層銅箔，擴大散熱能力。為了減小地過(guò)孔的等效電感值，可以增大接地孔的尺寸。

芯片一些接地和NC的引腳可以連接到地，此時(shí)可以通過(guò)這些引腳將中間的地和頂層周?chē)剡B接，進(jìn)一步減小過(guò)孔引入的感性，同時(shí)增大散熱面積。

芯片有效地接地，同時(shí)將頂層地區域設計的更大，減少控制線(xiàn)和電源線(xiàn)的切割，可以讓熱量通過(guò)最快捷的頂層銅箔散開(kāi)。

3.4 電源布局

在完成器件的擺放后，再著(zhù)重優(yōu)化電源部分走線(xiàn)和布局。請參考以下原則：

l PA電源布局一般不使用電源島，而是通過(guò)分支走線(xiàn)的方式來(lái)減小噪聲和干擾;

l 共用大電容放置在分支點(diǎn)處，并添加一個(gè)高頻陶瓷電容濾除射頻信號噪聲;

l 不同供電級數，電流不同，根據電流大小調整走線(xiàn)寬度;

l 高頻電容靠近芯片關(guān)鍵放置;

l 若空間足夠，可以將電源線(xiàn)走線(xiàn)長(cháng)度控制在1/4波長(cháng)，利用其高阻態(tài)，抑制噪聲;或走一段線(xiàn)，也可以利用走線(xiàn)的等效電感，減小信號泄露。

3.5 輸入輸出端走線(xiàn)

l 使用50歐姆特性阻抗微帶線(xiàn);

l 隔直電容和衰減匹配網(wǎng)絡(luò )靠近PA放置;

l 器件擺放緊湊，分支連接器件放置在射頻微帶線(xiàn)上;

l 使用微帶線(xiàn)作匹配設計的網(wǎng)絡(luò )，要嚴格按照要求計算兩點(diǎn)線(xiàn)長(cháng);

l 若走線(xiàn)有彎折，可以串接一個(gè)器件跨接，或使用弧形線(xiàn)連接，避免直接走90°角;

l T型和π型網(wǎng)絡(luò )要保持電路網(wǎng)絡(luò )應有的結構，能夠很直觀(guān)看出其形態(tài)和功能，實(shí)現設計的統一，也是性能的保證。

以上內容就是射頻功率放大器電路設計的大體思路以及設計過(guò)程，大體分為阻抗匹配設計、諧波抑制、系統設計優(yōu)化。

審核編輯：湯梓紅