負(fù)載牽引法在開關(guān)類功率放大器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要:為提高開關(guān)類功率放大器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，找出功放管的最優(yōu)輸出阻抗值，采用負(fù)載牽引法設(shè)計(jì)開關(guān)類功率放大器，得到最佳輸出阻抗值，然后設(shè)計(jì)輸出及輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果輸入功率為28 dBm時(shí)，功率附加效率達(dá)到69.352%，表明功率負(fù)載牽引方法為改進(jìn)開關(guān)類放大器設(shè)計(jì)，優(yōu)化開關(guān)類功放管性能提供了快速而有效的方法，提高了大信號下模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:負(fù)載牽引;開關(guān)類;功率放大器;最優(yōu)阻抗;功率附加效率

中圖分類號:TN722.7+5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-191-02

Application of Load-pull in Switch-mode Power Amplifier Design

SUN Dianju，WU Xuejie，HOU Lei，LIU Ru

(Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)

Abstract:To improve the accuracy of switch-mode power amplifier design and find the power amplifier optimum impe-dance，load-pull approach is adopted to design switch-mode power amplifier，the optimal output impendence is obtained，output and input matching network and harmonic traps are designed，the simulation results show that the power-added efficiency of 69352% with the input power of 28dBm is achieved，load-pull provides quick and efficiency approach，raises large-signal model accuracy for improving switch-mode power amplifier design and performance.

Keywords:load-pull;switch-mode;power amplifier;optimum impedance;power added efficiency

0 引 言

負(fù)載牽引法是微波通信電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一種實(shí)用的方法，能夠用于測量器件在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能，并且這種方法可以用于大信號和非線性條件下的功率放大管的測量。

功放的輸出功率主要取決于有源器件的負(fù)載阻抗，通過改變不同的負(fù)載阻抗值，測試功放的性能，這就是負(fù)載阻抗?fàn)恳幕驹?，搭建一套?shí)際的負(fù)載(源)阻抗?fàn)恳到y(tǒng)是很困難而且代價(jià)昂貴的，但是隨著微波EDA技術(shù)的發(fā)展，利用軟件方針實(shí)現(xiàn)負(fù)載(源)阻抗?fàn)恳呛芊奖愕腫1]。

本文采用的是美國安捷倫公司的ADS電子設(shè)計(jì)軟件(Agilent Design System)，ADS軟件可以提供電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于ADS的輔助設(shè)計(jì)將減少設(shè)計(jì)高精度高頻RF/微波模塊所需的步驟，并允許設(shè)計(jì)工程師在開始物理原型設(shè)計(jì)之前，做出可靠信息的決定和調(diào)整。

1 設(shè) 計(jì)

負(fù)載牽引方法可以通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗，找到讓有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗。同理，也可以得到讓功率管效率最高的匹配阻抗。這種方法可以準(zhǔn)確地測量出器件在大信號條件下的最優(yōu)性能，反映出器件輸入，輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性，為器件和電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

開關(guān)類功率放大器(D類，E類和F類)中輸出級MOS管被過驅(qū)動(dòng)為一個(gè)開關(guān)管使在整個(gè)周期內(nèi)電源提供的直流功耗為零，晶體管不消耗任何功率并且其效率在理想情況下為100%[3]。

在F類電路實(shí)現(xiàn)上，只考慮三階諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，對高于三階的諧波被認(rèn)為在輸出漏端電容處短路，且高于三階的諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)增加了無源元件的損耗，對性能提高并不明顯。

本文設(shè)計(jì)的是F類功率放大器。采用0.25 μm的飛思卡爾的GaAs工藝MSFG35010功率放大器晶體管[7]。 對功率管做直流仿真，取管子在AB類的偏置點(diǎn)，漏端直流供給電壓Vds取12 V，柵源電壓Vgs取-11 V。

對功放管進(jìn)行負(fù)載牽引仿真。如圖1所示。

圖2表示了輸出功率和效率的牽引曲線。在同一條等高線上的阻抗可以獲得相同的輸出功率(效率)，細(xì)實(shí)線為輸出功率等高線，負(fù)載牽引曲線最中心點(diǎn)的阻抗值可以獲得最大輸出功率為38 dBm;粗實(shí)線為效率等高線在最中心的點(diǎn)的阻抗值可以得到最大效率為61%，最中心的點(diǎn)為最大值，外圍的等高線每一個(gè)等高線下降一個(gè)1 dB功率，效率和功率曲線沒有閉合是因?yàn)樵谀承┳杩裹c(diǎn)諧波平衡仿真器不收斂，或者此時(shí)阻抗令放大器不穩(wěn)定造成的。

圖1 負(fù)載牽引電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 輸出功率和效率的牽引曲線

首先測試負(fù)載阻抗，得到最大輸出功率的負(fù)載阻抗為7.161-j2.481 Ω，此時(shí)效率為29.55%，增益為31 dB。然后再進(jìn)行源牽引仿真，將Z_l_fund的值改為7.161-j2.481 Ω，其他條件不變，電路測試見圖1。通過仿真結(jié)果可以看到不同源阻抗下得到的輸出功率和效率曲線，可得到最大效率為32%，最大輸出功率的源阻抗為6.57-j14.3 Ω，接下來再回到負(fù)載牽引里面將Z_s_fund改為6.57-j14.3 Ω，再進(jìn)行負(fù)載牽引，得到最大效率為61%時(shí)最佳負(fù)載阻抗值為7.311-j7.596 Ω。最終最佳負(fù)載阻抗和源阻抗不再變化，得到需要的值。

要實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸，必須按照負(fù)載牽引和源牽引所得的最佳輸入和輸出阻抗來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)上述匹配通常采用的匹配方法是在輸入和輸出端加入L型匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)阻抗匹配理論，利用ADS里面的smith chart對輸出匹配，將負(fù)載50 Ω匹配到功放管輸出端需要的值，設(shè)計(jì)輸出端的匹配電路。同樣的道理，設(shè)計(jì)輸入端的阻抗匹配電路，最后得到的完整的F類功率放大器的電路如圖3所示。

最后測試此F類功率放大器電路的輸出功率和輸入功率變化關(guān)系以及功率附加效率和增益變化如圖4和圖5所示，圖4中縱坐標(biāo)軸為輸出功率，橫坐標(biāo)軸為輸入功率值，圖5中縱坐標(biāo)為功率附加效率，橫坐標(biāo)為輸出功率。結(jié)果表明當(dāng)源功率為28 dBm時(shí)，輸出功率為37.739 dBm，功率附加效率為69.352%，很好地實(shí)現(xiàn)了F類功率放大器高效率的作用和特征。

圖3 F類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 輸出功率隨輸入功率變化圖

圖5 功率附加效率的變化圖

2 結(jié) 語

功率負(fù)載牽引法在經(jīng)過驗(yàn)證后，通過測量功放管的輸入，輸出匹配阻抗，可以準(zhǔn)確地描述出微波功率晶體管在大信號，非線性情況下的各種特性及最優(yōu)阻抗值，例如最大輸出功率，附加效率和器件輸入輸出阻抗等，彌補(bǔ)了基于小信號S參數(shù)的器件模型的不足，進(jìn)而為優(yōu)化電路性能奠定了基礎(chǔ)。由此可見，功率負(fù)載牽引方法為改進(jìn)開關(guān)類功放電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化器件性能提供了快速而有效的方法，提高了大信號下模型的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[7]Freescale Semiconductor Data Sheet[EB/OL].http://www.freescale.com/files/rf_if/doc/data_sheet/MRF-35010.pdf.