案例17-功放設(shè)計(jì)-5功率放大器

...................................................2AWR軟件簡(jiǎn) DOHERTY功率放大器設(shè)計(jì)理 基于MICROWAVEOFFICE的DOHERTY功放設(shè) 設(shè)計(jì)目 器件選 Carrier放大 直流工作點(diǎn)掃 負(fù)載牽 匹配電路設(shè) Carrier放大器的整體仿 Peaking放大 InputPower DOHERTY功放 溫補(bǔ)偏置和電源電路設(shè) 總 本文主要介紹了高效率ety微波功率放大器的仿真和設(shè)計(jì)方WR公司的Micoaveice微波電路設(shè)計(jì)套件對(duì)etyWR軟件的MRCT和XIM平面電磁仿真求解器對(duì)匹配電路進(jìn)行電磁抽?。∕）仿真可以給出更可靠的結(jié)果。關(guān)鍵字：Microwave Doherty微波功率放大器EM仿AWR軟件簡(jiǎn)AWR公司是全球射頻/微波電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具的領(lǐng)先供應(yīng)商與行業(yè)領(lǐng)跑者，其EDA產(chǎn)品廣泛用于，通信系統(tǒng)和其他無(wú)線(xiàn)通信電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與仿真。AWR公司軟件主要為射頻集（MCM，印刷電路板(PCB)及光電市場(chǎng)所應(yīng)用。AWR公司提供了一套完整的EDA軟件解決方案，真正簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的概念、仿真到生產(chǎn)的整個(gè)流程AWR公司的軟件主要包括MicrowaveOfficeogOfficeVisualSystemSimulator、AXIEM和yst。Micowaveice?Micowaveice獨(dú)特的構(gòu)架無(wú)縫整合了WR強(qiáng)大的創(chuàng)新頻設(shè)計(jì)工作更快速和簡(jiǎn)便。從設(shè)計(jì)輸入（原理圖與版圖，通過(guò)諧波平衡和時(shí)域仿真來(lái)綜合、優(yōu)化，電磁提取和驗(yàn)證，Micowavefice軟件充分展示了射頻/微波設(shè)計(jì)的未來(lái)趨勢(shì)。isualystemiulato?S)為復(fù)雜的通信系統(tǒng)提供了WR的旗艦射頻/微波設(shè)計(jì)套件MicrowaveOffice?一樣，VSS也建立在AWR獨(dú)特的ogOffice?在一個(gè)單機(jī)解決方案里為射頻集成電路與模擬集成電路的設(shè)計(jì)者們提供了一個(gè)易于使用活而又精確的設(shè)計(jì)ogice軟件獨(dú)特的構(gòu)架可控制和無(wú)縫地集成最佳的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)級(jí)到流片的整個(gè)設(shè)計(jì)流程：原理圖設(shè)計(jì)，綜合，仿真，優(yōu)化，版圖，提取，射頻集成電路的驗(yàn)證以及模擬設(shè)計(jì)。XM?三維平面電磁（M）是開(kāi)邊界的、基于矩量（MoM度、高速度的計(jì)算。無(wú)論是對(duì)射頻印刷電路板和模塊上的無(wú)源器件，XIM射頻和微波電路設(shè)計(jì)主要應(yīng)用MicrowaveOffice設(shè)計(jì)套件，MicrowaveOffice的特色統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)：面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)直接與內(nèi)核同步，而不需要通過(guò)許多層軟件。強(qiáng)大的第工具整合能力：AWR設(shè)計(jì)環(huán)境允許用戶(hù)就每一項(xiàng)工作選擇最好的第工具，并無(wú)縫整合到AWR軟件中。ALC高頻電路仿真技術(shù)經(jīng)過(guò)了十余年a手ALC行協(xié)作的諧波平衡分析，多速率諧波平衡分析和瞬態(tài)/時(shí)域仿真。強(qiáng)大的PC引擎提供了專(zhuān)門(mén)為諧波平衡分析的高效仿真器和對(duì)大規(guī)模超非線(xiàn)性RC設(shè)計(jì)的時(shí)域仿真器。（C使用基于版圖的模型對(duì)電路進(jìn)行提取-自動(dòng)從版圖中對(duì)傳輸線(xiàn)進(jìn)行識(shí)別并把這些結(jié)構(gòu)分解為現(xiàn)有模型，從而極大減少了對(duì)復(fù)雜互XIM三維平面電磁技術(shù)將精確快速的電磁分析引入射頻集成電路并使用電磁分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。XM專(zhuān)為三維高頻平面元件（集成電路、天線(xiàn)和印刷電路板）電磁接口：AWR的電磁接口可以在不離開(kāi)MicrowaveOffice設(shè)計(jì)環(huán)境的情況下將流行的電磁軟件：如Sonnet等工具整合到AWR自動(dòng)化技術(shù)：智能網(wǎng)絡(luò)（iNet）專(zhuān)為射頻設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)快速的互連線(xiàn)布線(xiàn)技術(shù)，類(lèi)似數(shù)字電路中的時(shí)延驅(qū)動(dòng)與連線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)概念。MicrowaveOffice設(shè)計(jì)規(guī)則校驗(yàn)/版圖電路圖一致性檢查允許您連接到：MentorGraphicCalibreICED等工具進(jìn)行版圖驗(yàn)證多PDK技術(shù)可對(duì)集成電路（IC，封裝（Package）和印刷電路（PCB）進(jìn)行同支持射頻和微波器件的非線(xiàn)性行為AWR的端對(duì)端射頻通信系統(tǒng)VisualSystem及電路包絡(luò)仿真工具無(wú)縫連（IFITER展了MicrowaveOffice的應(yīng)用范圍。Doherty功率放大器設(shè)計(jì)理當(dāng)前的通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)容量和頻譜利用效率多采用（RClassB類(lèi)功率放大器，在飽和工作狀6dB時(shí)效率只有20~30作效率成為功放技術(shù)研究的又一熱點(diǎn)。ety功放因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，Doherty功放的原理框圖如圖1所示Doherty功放由InputSplitter（Wilkinsonpowerdivider或者branchlinecoupler、OutCombinerCarrier放大器和一只Peaking放大器組成。通Carrier放大器工作在AB類(lèi)狀態(tài)，而Peaking放大器工C類(lèi)狀圖 Doherty功放原理框ety功放原理是應(yīng)用有源負(fù)載調(diào)制原理，動(dòng)態(tài)改變Caier和eakingCaier放大器提前進(jìn)ety（功率回退狀態(tài)下可以保持高效率線(xiàn)性工作。Doherty功放的Carrier和Peaking放大器電流和電壓工作特性曲線(xiàn)和負(fù)載調(diào)制特性如圖2所示。a中，在???????2輸入點(diǎn)（功率回退6dB點(diǎn)Carrier放大器電壓飽和Peaking放大器開(kāi)啟之后Carrier放大器電壓維持在飽和狀態(tài)，最終Carrier和Peaking放大器同時(shí)達(dá)到飽和電平，輸出峰值功率。圖b中給出了Doherty功放負(fù)載調(diào)制特性，CarrierPeaking放大器負(fù)載阻抗（ZCZP）隨輸入功率的變化過(guò)程。Z2Z0@

,Z

@ZZ @ ZZDoherty功放的工Doherty功放的工作狀態(tài)通?？蓜?個(gè)區(qū)域，低功率、率和高功率區(qū)在低功率區(qū)域（??????<0.5，Peaking功放處于關(guān)斷狀態(tài)，只Carrier放大器工作，Carrier放大器工作性區(qū)域在率區(qū)（0.5?????<功率回退區(qū)域eaking功放開(kāi)啟時(shí)刻，利用有源負(fù)載調(diào)制機(jī)制，使得Caier放大器的終端阻抗變?yōu)?00歐姆Carier放大器提前進(jìn)入飽和狀態(tài)（負(fù)載電壓達(dá)到飽和等于VDC提高了CariereakingCarier和eakingCaier放大器負(fù)載電Caier放大器負(fù)載電壓保持恒定，使得Caier放大器可以保持很好的線(xiàn)性度。整個(gè)erty功放的輸出負(fù)載電壓（eaking放大器輸出電壓）與Carrier放大器的輸出電流成正比，Peaking放大器的非線(xiàn)性理論上對(duì)Doherty功放輸出的線(xiàn)性沒(méi)有影響，Doherty功放輸出的線(xiàn)性度只與Carrier放大器的線(xiàn)性度有關(guān)，但由于工作在C類(lèi)狀態(tài)的Peaking放大器的非線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)制的非理想性，使得Doherty功放的線(xiàn)性并非那么理想但在功率回退區(qū)域仍然要比傳統(tǒng)的AB類(lèi)的1.0值輸出功率狀態(tài)，此時(shí)Peaking放大器達(dá)到飽和狀態(tài)，Carrier和Peaking放大器的工作狀態(tài)相當(dāng)于傳統(tǒng)平衡式放大器中的放大（飽和狀態(tài)基于MicrowaveOffice的Doherty功放設(shè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：高效率WCDMADoherty功工作頻段輸出功率：????????=46??????，PEP>增益：>15dB±效率：>LDMOS功率管性能優(yōu)異和價(jià)格低廉，其較高的性?xún)r(jià)比成為WCDMA功放設(shè)計(jì)的首選器件。鑒于以上設(shè)計(jì)需求，射頻功率管我們選取FREESCALE公司的MRF7S21080N溝道增強(qiáng)型LDMOS。該器件是FREESCALE公司專(zhuān)門(mén)為2.1GCDMA應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，適用于CDMA和多載波功率放大器應(yīng)用。該器件的主要性能：測(cè)試條單載波WCDMA號(hào)PAR=7.5????@0.01%????????,帶寬3.84MHz,器件工作在AB工作狀態(tài)??????=28??，??????=800????。工作頻功率增漏極效器件輸出信號(hào)PAR：6.5????@0.01%輸出功率：????????載波輸出功率：??1????>80??配造成的高達(dá)10:1的駐波比，不易損壞，可靠性較高。該器件的大信號(hào)模型可以從FREESCALE公司的獲取Carrier經(jīng)典Doherty功放結(jié)構(gòu)中，CarrierPeaking放大器采用相同的功率器件，只是偏置和工作狀態(tài)不同。下面我們主要介紹Carrier大器的設(shè)計(jì)Carrier放大器工作在AB類(lèi)工作設(shè)計(jì)主要包括偏置電路、利用軟件的IVCURVE掃描控件對(duì)器件進(jìn)行直流工作點(diǎn)掃描來(lái)確定器件的工作流工作點(diǎn)掃描原理圖和器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)如3示,我們選取的工作點(diǎn)為??????=2.76??，??????28??，??????=811????（tip：在標(biāo)定maker點(diǎn)時(shí)，可以利用makersearch功能進(jìn)行快速定IVCurve()[1,X](A)p1:Vswp=2850-012345VoltageIDTSNKTEMPIDVSWEEP_start28VSWEEP_stop28VSWEEP_step28VSTEP_start0VSTEP_stop5VSTEP_step0.1

RTH-CTH-

TEMP2D IDSVarName ValuesUnitTypeXoXo...Swpload-pullscipt功能來(lái)進(jìn)行負(fù)載牽引獲得最優(yōu)負(fù)載阻抗。這時(shí)我們可以通過(guò)對(duì)比datasheet中給出的負(fù)載牽引阻抗值和WR負(fù)載牽load-pullWR軟件loadpull給出的結(jié)果與datasheet中給出的值吻合的應(yīng)進(jìn)行單音和雙音的驗(yàn)證源阻抗和負(fù)載阻抗的有效（M3）的源阻抗，線(xiàn)性度與效率是一對(duì)。利用MicrowaveOffice進(jìn)行負(fù)載牽引的過(guò)程首先進(jìn)行大信號(hào)諧波平衡仿真，獲取器件的大信號(hào)輸入阻ZS1將源阻抗設(shè)為上面得ZS1，進(jìn)行負(fù)載牽引，獲取輸出功率和效率最高的負(fù)載阻抗點(diǎn)ZL1。將負(fù)載阻抗設(shè)為ZL1，仿真計(jì)算此時(shí)的器件的大信號(hào)輸入阻抗ZS2。ZS1與ZS2會(huì)略有不同，是由于晶體管反饋造將源阻抗設(shè)為ZS2，再次進(jìn)行負(fù)載牽引，獲取輸出功率和效率最高的負(fù)載阻抗點(diǎn)ZL2若此時(shí)負(fù)載牽引的結(jié)果收斂的話(huà)，等功率圓和等PAE圓與前面得到的結(jié)果會(huì)相差不多，ZL1和ZL2的值也會(huì)比較接近。若上面的負(fù)載牽引結(jié)果收斂，則負(fù)載牽引結(jié)束，否則應(yīng)繼重復(fù)上面的步驟直到結(jié)果收最后利用ZL2，再仿真計(jì)算器件的大信號(hào)輸入阻抗ZS3,通常ZS3ZS2相差不多。最終我們獲得源阻抗和負(fù)載阻抗值為ZL2和ZS3。此時(shí)通過(guò)與datasheet比較可以驗(yàn)證器件模型和諧波平衡仿真器件大信號(hào)輸入阻抗的原理圖和仿真結(jié)果如圖所示

InputMatchSwpMaxInputMatchSwpMaxLargeSignalInputConjugateofLargeSignalInput2060r3.04526x-9.293062140r4.89633x-11.50632200r7.90593x-14.0276SwpMin

& RF&

DG

DC

4負(fù)載牽引仿真原理圖和等功率、等PAE圓如圖5所示

SwpSwp49r42658x-438458r4.86665x-3.44887Swp0

5利用軟件的HBTUNNER2控件和loadpullscript功能設(shè)置負(fù)載在圓圖上的掃描區(qū)域，可以得到一組等功率圓PAE圓，從圖中找出對(duì)應(yīng)最大功率和PAE的點(diǎn)即為我們需要的負(fù)載阻抗點(diǎn)。使得50歐姆系統(tǒng)阻抗匹配到器件的最優(yōu)源阻抗和負(fù)載阻抗。匹配電路的設(shè)計(jì)可以借助軟件的IITR濾波器綜合工具中的MCH工MCHMCH得到WR設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)一步優(yōu)化。輸入匹配電路原理圖和版圖如圖6所示。版圖中，直流部分是利iNet畫(huà)出的，iNet是一種實(shí)時(shí)快速的互連線(xiàn)布線(xiàn)技術(shù)，利用iNet可以進(jìn)行復(fù)雜的多層布線(xiàn)，軟件自動(dòng)添加過(guò)孔iNet畫(huà)出的直流走線(xiàn)部分可以用ACE（自動(dòng)電路抽取技術(shù)）或者EM仿真來(lái)建模。

6ACE采用耦合傳輸線(xiàn)模型來(lái)計(jì)算互耦，而不是進(jìn)行電磁仿真，求解速度快，可以用于前期設(shè)計(jì)，最后再做EM驗(yàn)證。匹配電路和偏置線(xiàn)中的bend和轉(zhuǎn)MTRACE2傳輸線(xiàn)模型添加的，MTRACE2簡(jiǎn)化了復(fù)雜版圖的建模以直接在版圖中修改走線(xiàn)的形式，MTRACE2的原理圖中包含了這些bend和轉(zhuǎn)彎的信息。CE對(duì)版圖中由iNet繪制的直流走線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)抽取建模，再利用自動(dòng)電磁抽取功能(MXRCT)CE抽取出的版圖和等效模型如圖7所示。7ACEiNet匹配電路和偏置線(xiàn)部分的M抽取結(jié)果如圖8所示。由iNet繪制的走線(xiàn)還可以利用M8中還給出了用全M抽取9M抽取的仿真結(jié)果，虛線(xiàn)為CE和M協(xié)同抽取的仿真結(jié)果。C技術(shù)建模的準(zhǔn)確性。8EM---9輸出匹配電路原理圖、版圖如圖10所示10---1---1Insertion11EMInsertionCarrierCarrier放大器的原理圖如圖12所示。圖中匹配電路以子電路的形式到原理圖中匹配電路的參數(shù)為已經(jīng)得到的EM仿真的結(jié)果。單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖13所示。

Fo.Fo...Xo...

Z=50Pwr=pin

NET="input

2CTH=-22D

Z=50 S

V=28VV=2.7612Carrier00013Carrier率約為60%。PeakingPeaking放大器工作在C類(lèi)狀態(tài)其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于工作點(diǎn)的選擇。Peaking放大器的工作點(diǎn)決定了其開(kāi)啟時(shí)刻同時(shí)會(huì)影響整個(gè)Doherty功放的輸出功率、增益和線(xiàn)性度。Peaking放大器的原理圖如圖14所示。圖中匹配電路以子電路的形式到原理圖中。匹配電路的參數(shù)為已經(jīng)得到的EM仿真的結(jié)果單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖 Xo..Xo...

Z=50Pwr=pin

NET="input D 2 GS

NET="out 3

Z=50Xo...Xo...

V=vgg_peak

V=2814Peaking15中給出的是Peaking放大器偏置在1.5V時(shí)的輸出功率、增益和PAE圖中我們可以看出Peaking放大器完全開(kāi)啟以后的增益要比Carrier放大器低4dBCarrier放大器高一些。peakpeak34 49.1150-15PeakingInputPowerInputPowerSplitter（輸入功分網(wǎng)絡(luò)）通常采用Wilkinsonpowerdivider或者branchlinecoupler。與Wilkinsonpowerdivider相比，由于回波在輸入端口的對(duì)消branchlinecoupler的輸入匹配更好，同時(shí)可以提供Carrier和Peaking放大器所需90度相移們選擇branchlinecoupler來(lái)設(shè)計(jì)InputPowerSplitter。為了對(duì)比等功分輸入和非等功分輸入兩種結(jié)構(gòu)的Doherty功放的性能差異分別設(shè)計(jì)了3dB等功分電橋和2dB電橋后者驅(qū)動(dòng)Peaking放大器的功率要比Carrier放大器高2.5dB。3dB分支線(xiàn)電3dB分支線(xiàn)電橋的原理圖如圖16所示。分支線(xiàn)電橋的四臂均???4，頻率較高時(shí)需要考慮四臂之間的耦合。傳統(tǒng)的方法是利用

163dB仿真來(lái)計(jì)算傳輸線(xiàn)之間的耦合效應(yīng)。WR軟件提供了一種新的方法來(lái)計(jì)算這種耦合問(wèn)題—CECE抽取出的同時(shí)因?yàn)椴恍枰M(jìn)行MM仿真來(lái)驗(yàn)證。用CE抽取出的電路模型和仿真結(jié)果如圖17示為CE抽取出的電路模型仿真結(jié)果，虛線(xiàn)為未考慮耦合效應(yīng)的電branchlinebranchline-02139MHz2140 -3.104dB-3.073 -3.148---------43.89-Frequency-173dBACEbranchbranchline-02140-3.148-2140-3.0732140-3.242140-3.049-- ----2161-38.29--Frequency-3124183dBEMM抽取版圖和仿真結(jié)果如圖18XM的電CEXIM和CEXM對(duì)電路中的損耗仿真結(jié)果更準(zhǔn)確一些。2dB分支線(xiàn)電2dB分支線(xiàn)電橋的原理圖、版圖、ACEEM仿真結(jié)果19所示。圖中實(shí)AXIEM的電磁仿真結(jié)果，虛線(xiàn)為ACE抽取的電路仿真結(jié)果。從圖中可以看出，EM仿真的結(jié)果與ACE抽取的仿結(jié)果相差不多3131242160-4.512160-2.1670branchline--0branchline-----FrequencyOutputOutputCombiner（輸出合路網(wǎng)絡(luò)）由Carrier放大器輸出端的ImpedenceInverterDoherty功放輸出端的???4線(xiàn)構(gòu)成。輸出合路網(wǎng)絡(luò)的版20所示。1120Doherty等功分輸入Doherty功放的原理圖如圖21所示中匹配電路、InputPowerSplitter和OutputCombiner是以子電路的形式到原理圖中的其中InputPowerSplitterOutputCombiner是利用AWR軟件的symbolgeneratorwizard生成的子電路符號(hào)，子電路符號(hào)與版圖21Doherty單音諧波平衡仿真結(jié)果如圖22所示。圖中給Doherty功放的輸出功率、增益和效率曲線(xiàn)，藍(lán)色線(xiàn)條為增益特性曲線(xiàn)，紅色為效率特性曲線(xiàn)。利用軟件的參數(shù)掃描功能對(duì)Peaking放大器的柵壓(Vgg_peak)進(jìn)行參數(shù)掃描得到了三組曲線(xiàn)。從圖中可以看出隨著Vgg_peak的增大，Doherty功放的峰值輸出功率和效率隨之增大，在6dB回退點(diǎn)效率與Vgg_peak成反比。折中考慮我們選擇=1.5V作為Peaking放大器的偏置paeandgainvs p6 p1:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p2:Freq=2140MHzvgg_peak=1p3:Freq=2140MHzvgg_peak=1.5p4:paeandgainvs p6 p1:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p2:Freq=2140MHzvgg_peak=1p3:Freq=2140MHzvgg_peak=1.5p4:Freq=2140MHzvgg_peak=0.5p5:Freq=2140MHzvgg_peak=1p6:Freq=2140MHzvgg_peak=1.522DohertyPAEandGAINVSPOUT圖23給出了等功分輸入和非等功分輸入兩種結(jié)構(gòu)的ohety功放的性能對(duì)比。圖中紅、粉和紫色曲線(xiàn)分別為等功分輸入（輸入為3dBcoupler）erty功放、輸出功率和增益特性曲線(xiàn)，另外3條曲線(xiàn)為對(duì)應(yīng)的非等功分輸入（輸入為2dBcouplerohety功放輸（eaking功放輸出功率小其增益與等功分輸入相差不多性區(qū)非等功分輸入的增（eaking6dB輸出功率回退點(diǎn)效率要比等功分輸入要doherty00考慮到erty功放輸入信號(hào)的特性，ety功放大部分時(shí)間WCMA信號(hào)的峰均值比（R）概率累積分布特性曲線(xiàn)。R<4dB的概率大于90。Doherty功放寬帶掃頻特性如圖24dohertydohertyfreq2110 2140 18.82170dohertypaequalinputdohertypaequalinput0p1:pin=p2:pin=-2110MHz2140MHz2170-16.14 -16.53dB-17.75--Frequency24Doherty綜上，Doherty功放的性能如下工作頻段輸出功率：????????=46??????，P3dB=增益輸入回波損耗：<?效率：45%@????????,DohertyAWR軟件提供了豐富的LAYOUT功能自動(dòng)生成的版圖可以省去大部分的LAYOUT時(shí)間，LAYOUT生成的版圖可以導(dǎo)出用于加工制版