1、功率放大器的仿真設計0 引言各種無線通信系統的發展，大大加速了半導體器件和射頻功率放大器的研究進程。射頻功率放大器在無線通信系統中起著至關重要的作用，它的設計好壞影響著整個系統的性能。因此，無線系統需要設計性能良好的放大器。而且，為了適應無線系統的快速發展，產品開發的周期也是一個重要因素。另外，在各種無線系統中由于不同調制類型和多載波通信的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設計無線基站應用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰。采用EDA工具軟件進行電路設計可以掌握設計電路的性能，進一步有環設計參數，同時達到加速產品開發進程的目的。功率放大器（PA）在整個無線通信系統中是非常重要的

2、一環，因為它的輸出功率決定了通信距離的長短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時間。1 功率放大器基礎11 功率放大器的種類根據輸入與輸出信號間的大小比例關系，功率放大器可分為線性放大器與非線性放大器兩種。屬于線性放大器的有A類、B類及AB類放大器；屬于非線性的則有C類、D類、E類、F類等類型的放大器。（1） A類放大器是所有類型功率放大器中線性最高的，其功率元件在輸入信號的全部周期內均導通，即導通角為360°，但其效率卻非常低，在理想狀態下效率僅達到50%，而在實際電路中，則仍限制在30%以下。（2） B類功率放大器的功率元件只在輸入正弦波之半周期內導通，即導通角僅為180°

3、;，其效率在理想狀態下可達到78%，但在實際電路中所達到的效率不會超過60%。（3） AB類功率放大器的特性介于A類和B類放大器之間，其功率元件偏壓在遠比正弦波信號峰值小的非零直流電流，因此導通角大于180°但遠小于360°。一般情況下，其效率介于30%60%之間。（4） C類功率放大器的功率元件的導通時段比半周期短，即導通角小于180°。其輸出波形為周期性脈沖，必須并聯LC濾波電路后，才可得到所需要的正弦波。在理論上，C類放大器的效率可達到100%，但在實際電路中僅能達到約60%的效率。（5） D類、E類的功率放大器基本上都是所謂的開關模式放大器，其原理是將功率

4、元件當作開關使用，并借助輸出級的濾波及匹配網絡使輸出端得到完整的輸出波形。（6） F類功率放大器可算是C類功率放大器的延伸，他們的偏執方式相似，但F類放大器在功率管輸出端與負載間加入了頻波控制網絡，一次提高效率。在理論上他們都可以達到100%的效率，但在實際電路中仍受到開關切換時間等因素的控制而無法達到理想值。設計功放電路前必須先考慮系統規格要求的重點，再來選擇電路架構。以射頻功率放大器而言，有的系統需要高效率的功率放大器，有的需要高效率且線性度佳的功率放大器，有的需要較寬的操作頻帶等，然而這些系統需求往往是相互抵觸的，如B類、C類、E類架構的功率放大器皆可達到比較高的效率，但信號的失真卻較為

5、嚴重；而A類放大器是所有放大器中線性度最高的，但它最大的缺點是效率最低，這些缺點雖然可用各種Harmonic Termination電路的設計技巧予以改進，但仍無法提高到與高效率的功率放大器相當的水平。具有高效率、高線性度及高功率的功率放大器自然成為電路設計者所努力的一個目標。1.2 放大器的主要參數（1） 1db功率壓縮點通信系統中輸出功率單位通常以dBm表示：當放大器在非常低的輸入功率時，功率增益為常數，放大器工作在線性區。當輸入功率增加時，收到放大管非線性特性影響，放大器功率增益逐漸被壓縮，限制了最大輸出功率。在此區域，有線性失真、諧波和交互調變失真現象發生。若繼續再增加輸入功率，則因放

6、大管已工作在飽和區，其輸出功率幾乎維持不變。通常以輸出增益（Gout）比線性增益小1db的位置來定義放大器工作范圍的上限，也就是1dB輸出功率壓縮點（P1dB），則P1db點所對應的輸出功率值表示式為P1db（dBm）Pin（dBm）=Gout（dB）1（2）功率增益 小信號增益：當輸入多少的功率時，就會依照其放大功率來放大，這是理想的放大器，但事實上這是不可能做的出來。一個真正的放大器就會因其放大管之特性不同而有不同的飽和區，以致會導致其在一個區段內之增益有所不同。 輸出功率增益比：在不同的輸出功率，其增益也會有所不同。故有些放大器會特別標示，其在多少的輸出功率時的增益是多少。 效率因為在輸

7、入功率轉換成輸出功率工程中，一定會有功率損耗的情形發生，并且效率與線性度往往都是互相抵觸的，因此在設計放大器電路時必須視系統要求而作適當取舍。以下為一般放大器效率的定義：集電極效率：功率附加效率：總效率：（4） 失真信號失真主要是由有源元件的非線性引起的。其失真主要為諧波失真、AM to PM Conveision、互調失真。（5） 鄰信道功率比ACPR由于功率放大器的非線性效應影響，當信號通過功率放大器時會產生頻譜“擴散”現象。中心頻率為fc、頻寬為B1中的功率與距離中心頻率f0、頻寬為B2中的功率的比值即為ACPR。1.3 CAD原理圖設計的一般步驟（1）依據要求設計出所需的電路圖。（2）

8、根據所設計出的電路圖利用Altium Designer。（3）進行功率放大器的電路設計，包括阻抗匹配、偏置電路和直流扼流等。（4）（5）（6）優化功放電路結構和電路參數。本設計具體介紹射頻功率放大器的設計步驟，設計一個性能滿足技術指標需求的射頻放大器，首先要在分析技術指標的基礎上合理的選擇器件；然后要具體分析器件的特性，設計合理的阻抗匹配網絡和偏壓網絡；接下來要對設計的電路進行仿真，驗證設計的正確性和合理性。這些步驟都是非常重要的，只有每個環節都踏實的落到實處，才能得到滿意的設計結果。射頻功率放大器主要技術指標工作頻率：950MHz輸入功率：30 dBm輸出功率：45 W電源電壓：28V2射頻

9、功率放大器的仿真設計本設計中仿真軟件使用Agilent公司的EDA軟件ADS(Advanced DesignSystem)此軟件平臺給用戶提供了從綜合，系統仿真再到完整的通信系統設計的解決方案，使用戶能夠方便有效的進行硬件系統的研究開發。2.1 直流掃描電路功放管的偏置狀態決定了兩個重要問題。一是輸入和輸出阻抗，在不同的偏置狀態下功放管的輸入輸出阻抗是不同的，所以在設計匹配電路之前就要先確定功放管的偏置狀態；二是放大器的工作類型，放大器有A類，B類和AB類等工作類型，功放管的靜態工作點決定了放大器的工作類型，所以應該根據需要設置正確的偏置狀態。根據數據手冊，MRF9045N工作時需要的直流供電

10、電壓為28.5V，本設計采用AB類放大器的工作類型，射頻放大器的設計一般都采用共柵極組態，源極直接接地。在ADS中搭建直流仿真電路模型，利用直流仿真器以柵極電壓為掃描變量進行直流偏置狀態的仿真。如圖1為MRF9045N的直流偏置電路，圖2為仿真結果。圖1：直流掃描電路圖2：直流掃描I/V曲線圖表 在圖2的仿真結果中我們可以看到選取的VGS=3.8V，靜態工作點電流IDS=717mA，與數據手冊上的數據相比，電流取得較大，這時為了獲得更好的線性度。仿真出的靜態工作點和資料給出的靜態工作點極為相近，從而驗證了仿真的真確性22 偏置及穩定性分析在放大器設計中改善穩定性的措施通常是在輸入或輸出端加入有

11、耗匹配網絡。這通常是以犧牲增益為代價換取穩定性。通過計算S參數滿足系統的穩定性條件后，實際工程中，可以再輸入端加平衡式衰減器的做法來抑制反射引起的震蕩來確保系統的穩定性。電路仿真后可以從仿真圖形中看到，若所得到的仿真圖在所要的頻率點即在945MHz時，StabFact<1，即穩定因子小于1，功率管在整個帶內是不穩定的，因此，必須添加穩定性措施。穩定性措施有很多種，本設計采用串聯小電阻的方法。圖3 添加穩定措施后的原理圖圖4 改善穩定措施后的曲線圖5 加入偏置后的原理圖2.3 負載牽引設計LoadPull通常功率放大器的目的是以獲得最大的輸出功率為主，因此將使得功率放大器的功率管工作在趨近

12、飽和區，S參數會隨著輸入線號的改變而改變，尤其是S21參數會因為輸入信號的增加而變小。因此，轉換功率增益將因功率元件工作在飽和區而變小，不同于輸出功率與輸入功率信號程正比關系的小信號狀態。換言之，原本功率元件在小信號狀態下，輸入/輸出端的共軛匹配就逐漸不再匹配。此時，功率元件就無法得到最大的輸出功率，所以設計功率級放大器的關鍵就在于匹配網絡，這就可以用負載牽引（LoadPull）原理找到功率放大器最大輸出功率時的最佳外部負載阻抗ZL。圖6為負載牽引電路原理圖及仿真結果圖6 負載牽引電路原理圖及仿真結果2.4 運用Smiith圓圖進行匹配圖7 Output_match原理圖圖8 Smiith匹配后自動生成的輸出匹配電路圖9 用實際元件替換理想元件