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射频功率放大器电路设计

2023-04-14 10:10
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本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍,主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分,以及部分设计线路图


一、阻抗匹配设计

大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络,不过也有一些高功率PA将输出端匹配放在集成芯片外部,以减小芯片面积。
常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等,在典型设计中有可能会将两者共同使用,以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。


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PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同,都是共轭匹配设计,主要实现功率的最大传输。常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化,同时用ADS软件来完成仿真。


二、谐波抑制

由射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析得知,谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。由于谐波的频率较分散,所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量,达到抑制谐波的效果。
不仅PA,其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波,为了避免PA对谐波进行放大,有必要在PA输入端即添加抑制电路。


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上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置,该滤波器为五阶低通滤波器,截止频率约为3GHz,对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。
使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点:
● 简单
● 良好的性能并且易于仿真
● 可以同时实现阻抗匹配设计


三、系统设计优化

系统设计优化主要从电源设计,匹配网络设计出发,实现PA性能的稳定改善。


3.1 电源设计
功率放大器是功耗较大的器件,在快速开关的时候瞬间电流非常大,所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容,同时走线尽量宽,让电容放置走线上,充分利用电容储能效果。PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声,可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。


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从SE2576L的结构框图可以看出,该PA一共由三级放大组成,每一级都单独供电,前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路,其工作电流较小,最后一级功率放大,其电流很大。参考DEMO设计,VCC1串联47R电阻,并联一个1uF电容用于滤波;VCC2则添加1000pF和10pF两个高频电容,充分滤除100MHz到6GHz左右频段的干扰信号。功率输出端同时也提供直流供电路径,所以流过L25的电流最大,C188用于在PA打开瞬间提供电流;添加L25、C193作用是防止射频信号泄露,并对电源产生干扰,耦合到放大器的前端,造成自激或振荡。同时在主供电电路上使用一个10uF陶瓷电容和10pF电容组合,减小PA供电网络与其它模块电源之间相互干扰。

3.2 输入输出端传输线
输入输出端传输线首先需要设计阻抗匹配,微带线也用50欧姆特性阻抗线走线。连接分立元件的微带线尽量短,并且分支器件放置在射频信号传输主微带线上,避免由天线效应产生的信号泄露和辐射。
如果有必要,可以在输入端预留谐波抑制低通滤波器和π型衰减网络。


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在PA输入端预留π型衰减网络,可以调节PA输入信号的动态线性范围,获得最佳的性能。如SE2576L增益为33dB,而11g线性输出最大为26dBm,则此时的输入信号强度最大为-7dBm。若产品设计输出功率为20-25dBm范围,那么输入信号范围则需要控制在− 13 到 − 8 d B m -13到-8dBm−13到−8dBm以内,而从芯片端输出的信号较大,如QCA9**1芯片输出信号大概为− 9 到 3 d B m -9到3dBm−9到3dBm具有最好的信号质量,加上4 到 8 d B 4到8dB4到8dB的衰减量可以优化线性范围。


3.3 接地处理
良好的接地不仅可以获得较优的性能,同时还可以改善温度。一般PA芯片的中间是一个大的接地焊盘,这个焊盘是主要的散热途径。至少放置3*3的接地孔,可以有效地将热量传递到其它层铜箔,扩大散热能力。为了减小地过孔的等效电感值,可以增大接地孔的尺寸。
芯片一些接地和NC的引脚可以连接到地,此时可以通过这些引脚将中间的地和顶层周围地连接,进一步减小过孔引入的感性,同时增大散热面积。


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芯片有效地接地,同时将顶层地区域设计的更大,减少控制线和电源线的切割,可以让热量通过最快捷的顶层铜箔散开。


3.4 电源布局
在完成器件的摆放后,再着重优化电源部分走线和布局。请参考以下原则:
● PA电源布局一般不使用电源岛,而是通过分支走线的方式来减小噪声和干扰;
● 共用大电容放置在分支点处,并添加一个高频陶瓷电容滤除射频信号噪声;
● 不同供电级数,电流不同,根据电流大小调整走线宽度;
● 高频电容靠近芯片关键放置;
● 若空间足够,可以将电源线走线长度控制在1/4波长,利用其高阻态,抑制噪声;或走一段线,也可以利用走线的等效电感,减小信号泄露。

3.5 输入输出端走线
● 使用50欧姆特性阻抗微带线;
● 隔直电容和衰减匹配网络靠近PA放置;
● 器件摆放紧凑,分支连接器件放置在射频微带线上;
● 使用微带线作匹配设计的网络,要严格按照要求计算两点线长;
● 若走线有弯折,可以串接一个器件跨接,或使用弧形线连接,避免直接走90°角;
● T型和π型网络要保持电路网络应有的结构,能够很直观看出其形态和功能,实现设计的统一,也是性能的保证。

以上内容就是射频功率放大器电路设计的大体思路以及设计过程,大体分为阻抗匹配设计、谐波抑制、系统设计优化。

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