一、理論基礎(chǔ)

根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器可分為線性功率放大器和開關(guān)型功率放大器，線性功率放大器包含：A、B、C、AB類放大器，開關(guān)型功率放大器包含：D、E、F類放大器。為獲得較好的線性度和高增益，因此射頻PA一般使用線性功率放大器。

功率放大器的電路可以由以下幾個部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。

1. A類功放

A類功放輸出級中兩個（或兩組）晶體管永遠處于導(dǎo)電狀態(tài)，也就是說不管有無訊號輸入它們都保持傳導(dǎo)電流，并使這兩個電流等于交流電的峰值，這時交流在最大訊號情況下流入負載。A類功放的工作方式具有最佳的線性，每個輸出晶體管均放大訊號全波，完全不存在交越失真（Switching Distortion），即使不施用負反饋，它的開環(huán)路失真仍十分低，因此被稱為是聲音最理想的放大線路設(shè)計。但這種設(shè)計有利有弊，A類功放放最大的缺點是效率低，因為無訊號時仍有滿電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。

2.B類功放

B類功放放大的工作方式是當無訊號輸入時，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。當有訊號時，每對輸出管各放大一半波形，彼此一開一關(guān)輪流工作完成一個全波放大，在兩個輸出晶體管輪換工作時便發(fā)生交越失真，因此形成非線性。
B類放大器的偏置電壓設(shè)置在截止點。

3.AB類功放

AB類功放通常有兩個偏壓，在無訊號時也有少量電流通過輸出晶體管。它在訊號小時用A類工作模式，獲得最佳線性，當訊號提高到某一電平時自動轉(zhuǎn)為B類工作模式以獲得較高的效率。
AB類放大器的效率和線性度在A類和B類放大器之間,其最大的特點是導(dǎo)通角的范圍為180°~360°,相應(yīng)的設(shè)計目標就是實現(xiàn)他在一個周期的50%和100%之間的某段時間內(nèi)導(dǎo)通的工作方式,對于單MOS管來說,就是使他的漏極有電流通過的時間多于半個周期。 通過將晶體管偏置到略高于其截止點但遠低于A類放大器的中心Q點，我們可以創(chuàng)建一個AB類放大器電路。那么AB類放大器的基本目的是保持基本的B類配置，同時通過將每個開關(guān)晶體管偏置到略高于閾值來改善其線性度。
AB類放大器的偏置電路有電壓偏置、電阻偏置、可調(diào)節(jié)放大器偏置、二極管偏置，下面以電壓偏置電路為例進行講解：
如圖所示，這里通過使用適當?shù)墓潭ㄆ秒妷簛韺崿F(xiàn)晶體管的偏置。當輸入信號變?yōu)檎禃r， TR1 基極電壓增加，產(chǎn)生相似量的正輸出，從而增加流過 TR1 的集電極電流向負載R L提供電流 。然而，由于兩個堿基之間的電壓是固定且恒定的，所以 TR1 的傳導(dǎo)的電流增加都將導(dǎo)致 TR2 的傳導(dǎo)電流相反的減少。結(jié)果，晶體管 TR2 最終關(guān)閉，留下正向偏置晶體管， TR1 ，為負載提供所有電流增益。同樣，對于輸入電壓的負半部分，發(fā)生相反的情況。也就是說，當輸入信號變得更負時， TR2 導(dǎo)通負載電流而 TR1 關(guān)閉。
然后我們可以看到輸入時電壓 VIN 為零，兩個晶體管由于其電壓偏置而略微導(dǎo)通，但隨著輸入電壓變得更正或負，兩個晶體管中的一個傳導(dǎo)更多要么下沉來獲取負載電流。由于兩個晶體管之間的切換幾乎立即發(fā)生并且是平滑的，因此大大降低了影響B(tài)類配置的交叉失真。然而，當兩個晶體管切換時，不正確的偏置會導(dǎo)致尖銳的交越失真尖峰。

各類功放靜態(tài)工作點選擇：

二、性能參數(shù)

1.增益

增益是每個放大器最重要的指標。它表示放大器對輸入信號的放大能力，以dB為單位。放大器的增益隨頻率而變化，頻率高，放大器的損耗也就高（增益在整個頻率范圍內(nèi)不是線性的）。

2.增益平坦度

如果放大器在工作頻帶內(nèi),增益的波動很大,這就意味著對與同一個輸入信號,有些增益高,有些增益低,會造成輸出信號在幅度上的失真。輸出信號與輸入信號在幅度上的失真稱為AM-AM失真。為了描述放大器增益變化的劇烈程度,就引入了增益平坦度這一指標。增益平坦度是指在一定的條件下,整個工作頻帶內(nèi)放大器的增益變化范圍

3.三階截點

信號的三階分量將在信號的放大過程中產(chǎn)生。放大器增益在達到飽和點后開始下降，如果輸入功率持續(xù)增加，則基頻信號功率和三階信號功率將在特定點相交，該點稱為三階截點。通過計算該值，可以在設(shè)計時確定放大器的非線性行為。在選擇射頻器件時，三階交調(diào)指標的絕對值越大越好。其值越大，說明交調(diào)產(chǎn)物相對主信號來說越小，對系統(tǒng)的干擾影響越小。

4.線性度與1dB壓縮點

當輸出功率越大,放大器的效率就越高，但是放大器的輸出功率越大時，會造成放大器線性度的惡化，產(chǎn)生非線性失真。當放大器工作在小信號狀態(tài)時，可以視其為線性的，忽略非線性效應(yīng),得到器件的小信號模型和S參數(shù)。但是,當射頻功率放大器工作在大信號狀態(tài)時，不可避免的會出現(xiàn)非線性失真。描述功率放大器的線性度的主要參數(shù)為1dB功率壓縮點P1dB，當放大器的輸入功率比較低時，功率增益為常數(shù),放大器工作在線性區(qū)。當輸入功率增加時，輸出功率也隨輸入功率線性增加。但是當輸入功率增大到一定程度時,受到晶體管非線性特性的影響，放大器的輸出功率不再隨輸入線性增加,增益壓縮。若繼續(xù)增加輸入功率，晶體管已工作在飽和區(qū),其輸出功率幾乎維持不變，1dB功率壓縮點PidB指的是輸出增益比線性增益小1dB時的輸出功率。PidB與輸入信號的大小無關(guān)，是晶體管的自身屬性。

5.效率

在射頻功率放大器設(shè)計中,有多少直流功率被轉(zhuǎn)化為射頻功率輸出,是需要考慮的一個重要問題。描述此現(xiàn)象的指標為功率放大器的效率,以下為功率放大器常用的效率的定義：

在以上兩個定義當中,一般功率附加效率的數(shù)值最小,但是功率附加效率既考慮了輸出功率和直流功率的關(guān)系,又考慮到了的功率增益的影響,這樣就避免出現(xiàn)一個沒有功率增益的放大器,效率卻非常高的情況出現(xiàn)。所以,采用功率附加效率來描述放大器是比較合理的。

三、實例演示

因為AB類放大器在射頻功率放大器設(shè)計中，既兼顧到了效率,又考慮到了線性度的問題，屬于各個性能都比較平均的放大器，所以傳統(tǒng)的射頻功率放大器通常都偏置在AB類狀態(tài)下。本實例通過安捷倫公司的ADS 2020，設(shè)計仿真了一款應(yīng)用于460M無線通信系統(tǒng)的AB類功率放大器。

1.設(shè)計指標

偏置類型： AB類

輸出功率： 2W (33 dBm)

中心頻率： 460MHz

增益：G > 26 dB

PAE: >50%

電源電壓： +12V

2.晶體管選擇

因本實例芯片級輸出功率范圍是：-20dBm ~ +7dBm,選擇NXP的BFU590G和ST的PD55003兩個射頻功率管，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，BFU590G最大輸出功率：20 dBm，在IC = 50 mA，VCE =8V 時的增益有19.5dB，三階交調(diào)點為33dBm。PD55003最大輸出功率：3W，在VDD = 12.5 V, IDQ = 50 mA時的增益有17 dB，兩管增益相加有36.5dB,滿足增益需求，我們以BFU590G作為驅(qū)動級，PD55003作為輸出級。

3.晶體管模型

為了使用計算機進行模擬仿真設(shè)計,就要需要晶體管的模型被計算機所識別。通常所使用的仿真軟件一般都至于有普遍性，所以并不會有很多晶體管的模型，使用的晶體管模型一般都可以在官網(wǎng)找到。而每個晶體管由于工藝、類型以及材料的不同,其函數(shù)模型復(fù)雜，所以也不可能對每個晶體管都建立專一的模型，這就需要使用者首先要根據(jù)所選晶體管的性能，通過電容電阻二極管等具有簡單函數(shù)模型的元器件來建立等價的晶體管仿真模型，模擬晶體管的特性。如圖所示，為PD55003晶體管的等效模型。

3.PD55003 仿真

1.直流仿真

直流仿真的目的是找到合適的靜態(tài)工作點，設(shè)置靜態(tài)工作點的目的就是要保證在被放大的交流信號加入電路時，不論是正半周還是負半周都能滿足發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置的三極管放大狀態(tài)。若靜態(tài)工作點設(shè)置的不合適，在對交流信號放大時就可能會出現(xiàn)飽和失真（靜態(tài)工作點偏高）或截止失真（靜態(tài)工作點偏低）。
調(diào)出直流仿真模板，這里的DisplayTemplate控件的作用是插入一個仿真顯示模板，如果不加入此控件，仿真出來的結(jié)果需要自己手動調(diào)出或者輸入公式調(diào)出，而加入此控件仿真后可自動顯示仿真結(jié)果。將晶體管模板連接好線路，設(shè)置VGS的電壓仿真范圍為1.5V ~ 3.6V，掃頻為30個點，VDS電壓仿真范圍為0V ~ 30V，掃頻為100個點，如下圖所示：

仿真結(jié)果如下：

可以看到在放大區(qū)，IDS只隨VGS的增大而增大，當VGS=3.3V，IDS=68mA，與數(shù)據(jù)手冊給出的數(shù)據(jù)對比相差不大，說明仿真是準確有效的，因此我們靜態(tài)工作取VGS=3.3V，VDS=12V。

2.穩(wěn)定性分析

在任何功率放大器的設(shè)計中,電路的穩(wěn)定性是非常重要的。如果功率放大器不穩(wěn)定,便不能發(fā)揮其正常功能而變成了振蕩器,甚至有可能會燒毀電路。通常使用改善穩(wěn)定性的措施都是通過一定的衰減或反饋使增益不會振蕩增大,即犧牲增益來改善穩(wěn)定性，在輸入或輸出端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻,對于低噪聲放大器,通常在輸出端加入阻性負載,而對于功率放大器,電阻一般設(shè)置在輸入端。(因為電阻會產(chǎn)生噪聲,消耗掉功率)

繪制電路圖如下：

“DC_Block”的作用是起到隔直流的作用，“DC-Feed”類似射頻扼流圈，經(jīng)常應(yīng)用在電源濾波電路中，對高頻RF（射頻）信號呈高阻，從而抑制高頻信號進入系統(tǒng)，與磁珠的功能有點類似。“StabFact”控件返回的是穩(wěn)定性因子。可以看到在電路輸入端串聯(lián)了一個電阻和電容，電容的作用是減小串聯(lián)電阻所帶來功率損耗。

仿真結(jié)果如圖所示：

可以看到在460MHz的時候穩(wěn)定因子大于1，這代表晶體管處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果穩(wěn)定因子小于1，則晶體管可能會發(fā)生振蕩。

3.負載牽引

我們知道，功率放大器不同于小信號放大器，輸出與輸入總是成線性關(guān)系，因為功率放大器的功放管工作趨近于飽和區(qū)，其s參數(shù)會隨著輸入功率的變化而變化。一般情況下,我們只需要滿足輸出與輸入的共軛匹配，即可滿足最大功率輸出的條件。但是,由于輸入功率改變帶來的s參數(shù)改變，簡單的共軛匹配不能滿足所有的輸入功率點。因此，我們需要在所有的輸入功率下進行仿真，得出在所有輸入功率下，滿足最大輸出功率的條件。
在不同的負載阻抗下，功率放大器的輸出功率和效率都不同，滿足最大輸出功率條件所對應(yīng)的負載阻抗就稱為最優(yōu)負載阻抗，用z_opt表示。在實際情況中，不一定最大功率輸出就是我們所需要的結(jié)果，因為輸出最大功率帶來的代價就是效率的降低，因此我們經(jīng)常要對輸出功率和放大效率進行一個折中，所以，我們選擇的最優(yōu)負載阻抗往往也不是輸出功率最大的阻抗點，而是我們選擇的一個功率效率折中阻抗點。LoadPull (負載牽引)技術(shù)就是通過仿真，來得到在一定輸入功率下，不同的負載阻抗與輸出功率和效率之間的關(guān)系。顧名思義，它是通過改變負載阻抗從而計算輸出功率和效率,最終得到z_opt的技術(shù)。LoadPull的實現(xiàn)需要一個|分復(fù)雜且龐大的系統(tǒng),但是ADS為我們集成好了LoadPull模板，我們只需要填寫對應(yīng)的輸入功率，連接好電路，設(shè)置好偏置等條件之后，直接進行電路仿真，即可得到Loadpull結(jié)果。
通常廠家在Datasheet中，會按照最大功率輸出設(shè)計提供合適的負載阻抗和源阻抗值，但是其數(shù)據(jù)含量有限，使用局限還是比較大，所以設(shè)計中必須自己測量最佳阻抗。
調(diào)出ADS的 LoadPull 模板，加上穩(wěn)定性電路，替換成自己的晶體管后，根據(jù)驅(qū)動級提供的輸出功率范圍，填上合適的輸入功率參數(shù)，Pavs是輸入功率，RFfreq是工作頻率，Vhigh是Vds的值，Vlow是Vgs的值。這里輸入功率我們填17dBm，頻率為460MHz，Vhight=12V，Vlow=3.3V。s11_rho對應(yīng)的是掃描圓半徑，s11_center對應(yīng)的是圓心，pts對應(yīng)的是采樣點，z0對應(yīng)的是特性阻抗。掃描圓中心點和半徑需要根據(jù)自己的仿真結(jié)果進行合適的調(diào)整，采樣點的設(shè)置得越多，得到的結(jié)果就越精確，但是仿真所耗費的資源就會越大，甚至會出現(xiàn)不收斂的情況，我們通常設(shè)置為200即可。

電路圖如下所示：

仿真結(jié)果如下所示：

可以看到，等效率圓和等功率圓顯示完整，均為封閉圓，意味著收斂（紅色對應(yīng)效率圓，藍色對應(yīng)功率圓），同時拖動m3，我們可以看到效率和功率的最大值以及對應(yīng)的阻抗點。這里顯示仿真出來的最大功率為32.92dBm，與我們所需要的33dBm相近，可以接受，我們記下此時的阻抗點為3.99+j6.79。

4.輸出阻抗匹配

如果頻率在GHz以上，為了避免LC元件所產(chǎn)生的的寄生效應(yīng)，以及從成本考慮，一般選取串聯(lián)階躍阻抗的微帶線進行匹配，同時為了抑制載波，在設(shè)計輸出匹配時使用低通形式。因為我們這里的頻率是460MHz，所以不考慮LC元件的寄生效應(yīng)，采用分立元件進行匹配。
當激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。共軛匹配在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負載電阻與信號源內(nèi)阻之比K，當兩者相等，即K=1時，輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路，當負載阻抗與信號源阻抗共軛時，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，如果負載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負載和信號源之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負載阻抗變換為信號源阻抗的共軛，實現(xiàn)阻抗匹配。

輸出阻抗匹配電路圖如下：

5.源端牽引

源端牽引與負載牽引做法類似，只不過是需要把負載牽引得出的輸出匹配電路代入到源端牽引電路中。

電路圖如下所示：

仿真結(jié)果如下所示：

可見輸出功率達到33dBm，滿足我們的要求。

6.輸入阻抗匹配

輸入阻抗匹配和輸出阻抗匹配做法一樣，匹配電路如下所示：

7.諧波平衡仿真測試

在ADS軟件中，分析非線性電路的最主要方法是使用諧波平衡仿真控制模塊，諧波平衡仿真用于仿真非線性電路中的增益壓縮、噪聲、諧波失真、效率和互調(diào)產(chǎn)物等，普遍適用于放大器、混頻器、振蕩器等非線性電路。對于射頻功率放大器來說，采用諧波平衡法仿真的目的就是進行大信號的非線性模擬，進而得到放大器的輸出1dB功率壓縮點,交調(diào)分量分析等與放大器非線性相關(guān)的性能參數(shù)。
插入諧波平衡仿真模板，“MeasEqn”是公式編輯器，在里面我們可以輸入所需要的的計算公式，現(xiàn)在模板里已經(jīng)存在計算功率和PAE的公式；在“VAR”里設(shè)置漏級電壓12V，柵極電壓3.3V，工作頻率460MHz；在“HarmonicBalance”控件里自定義設(shè)置掃描功率為16~17dBm，步進為1dBm，當我們自定義設(shè)置掃描功率后，“SweepPlan”控件默認的掃描計劃將不起作用，ADS將會以我們設(shè)置的步進掃描功率進行仿真。如下圖所示：

電路圖如下所示

仿真結(jié)果如下圖所示：

可以看到在輸入功率為16 ~17dBm的情況下，期望輸出功率最低可以達到33.5dBm，增益為17.5dB，PAE為58.3%，直流消耗為3.77W，電流和熱耗散功率、二三四五階交調(diào)點都可以清楚的看到。

BFU590G晶體管的仿真與此仿真類似，當兩個晶體管的仿真完成后，得到BFU590G的最佳輸出阻抗和PD55003的最佳輸入阻抗，我們將它們進行共軛匹配，從而將兩個晶體管級聯(lián)在一起，至此，PA級聯(lián)仿真完成，接下來的工作是打板回來調(diào)試。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的功率放大器ADS仿真实例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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