射頻MOS功率放大電路模擬器的設計方案分析

　　1. 引言

　　本文設計的50MHz/250W 功率放大器采用美國APT公司生產的推挽式射頻功率MOSFET管ARF448A/B進行設計。APT公司在其生產的射頻功率MOSFET的內部結構和封裝形式上都進行了優化設計，使之更適用于射頻功率放大器。下面介紹該型號功率放大器的電路結構和設計步驟。

　　2．50MHz/250W射頻功率放大器的設計

　　高壓射頻功率放大器的設計與傳統低壓固態射頻功率放大器的設計過程有著顯著的不同，以下50MHz/250W功率放大器的設計過程將有助于工程技術人員更好的掌握高壓射頻功率放大器的設計方法。

　　2.1射頻功率MOSFET管ARF448A/B的特點

　　ARF448A和ARF448B是配對使用的射頻功率MOSFET，反向耐壓450V，采用TO-247封裝，適用于輸入電壓范圍為75V－150V的單頻C類功率放大器，其工作頻率可設置為13.56MHz、27.12MHz和40.68 MHz。ARF448A/B的高頻增益特性如圖1所示。從圖中可以看出，當頻率達到50MHz時，ARF448的增益約為17dB。

　　2.2 設計指標

　　50MHz/250W功率放大器的設計指標如下：

　　（1）工作電壓：》100V；（2）工作頻率：50MHz；

　　（3）增　　益：》15dB；（4）輸出功率：250W；

　　（5）效　　率：》70%；（6）駐波比：》20:1；

　　2.3 設計過程

　　功率放大器的輸入阻抗可以用一個Q值很高的電容來表示。輸入電容的取值可以參照相應的設計表格，從中可以查出對應不同漏極電壓時的電容取值。當ARF448的漏極電壓為125V時，對應的輸入電容值為1400pF。輸入阻抗取決于輸入功率、漏極電壓以及功率放大器的應用等級。單個功率放大器開關管負載阻抗的基本計算公式如式（1）所示。

　　注意，利用公式（1）可以準確的計算出A類、AB類和B類射頻功率放大器的并聯負載阻抗，但并不完全適用于C類應用。對于C類射頻功率放大器，應當采用式（2）：

　　可以算出，當Vdd為150V時，Rp的取值相當于Vdd為50V時的9倍，這對輸出負載匹配非常有利。但是，需要注意的是，此時功率 MOSFET輸出電容的取值并沒有發生明顯的變化。由于高壓狀態下的并聯輸出阻抗顯著增大，輸出容抗也將顯著增大。換句話說，此時輸出容抗將起主要作用。因此，在設計過程中，應當采取相應的措施克服輸出容抗的作用。

　　推挽工作過程需要一個平衡電路，每個開關管的漏極均與一個雙股扼流電感相連，采用這樣的結構有利于磁通的平衡。

　　綜合考慮最大輸出功率和最壞工作條件，Vdd應取為125V。這樣，每個開關管將提供125W的輸出功率，與1400pF的輸出電容Cos并聯的漏極阻抗為90歐姆。可以采用增加分流器或串聯電感的方法對輸出電容進行補償。由于已經在開關管的漏極上采用了雙股扼流電感，因此輸出電容補償措施可以考慮采用串聯補償電感。

　　為了使漏極阻抗呈純阻性，應當在開關管的漏極上串聯電感。Rp可以通過公式（2）計算得到，而Cos是Vdd的反函數。計算出Rp和Xcos之后，選取適當地串聯電感，可以實現共扼匹配，如圖2所示。其中，Cop與并聯輸出阻抗Cos有關。

　　通過公式（2）可以計算出Rp等于90歐姆，輸出電容為125pF。在50MHz頻率下，電抗Xcos為－j25.4歐姆。由此可以算出Rs為6.6歐姆，而所需的最優取值為6.25歐姆。這就需要將漏極電壓稍稍調低或者將輸出功率

　　稍稍調高即可獲得所需的最優取值。但是，在實際工作過程中，如果不能通過調整漏極電壓或輸出功率的方法獲得所需的串聯等效阻抗值，可以考慮在開關管上并聯一個電容以增大Cos的取值，這樣Ls的取值也將相應的變化。增大Ls使Xcos過補償可以增大有效Rs值。如果在負載端增加一個分流電容，可以增大有效Rs值。圖3中的電容C8就是這個分流電容。這樣，電感、分流電容和輸出電容就構成了一個π形網絡。

　　盡管功率放大器的DC非常高，但是由于工作頻率高達50MHz，MOSFET的輸入電容將使其輸入阻抗呈現射頻短路狀態。雖然可以通過增加匹配網絡來實現阻抗匹配，但是匹配網絡的Q值將很高，其成本也將大大提高。最適宜的方法是采用一個簡單的電感網絡來控制變換過程。

　　輸入阻抗在功率放大器工作過程中并不是固定不變的，由于密勒電容效應的作用，輸入阻抗的變化范圍將相當大。

　　圖3是50MHz/250W功率放大器的電路原理圖。門極匹配通過變壓器和調諧網絡實現。變壓器可以提供推挽結構所需的平衡輸入。推挽結構可以使單個MOSFET的有效輸入阻抗增大約四分之一。注意，變壓器次級不能懸空，應通過接地電阻接地。輸出電路采用前面提到的串聯補償方法，大電感用于獲得滿意的輸出電阻匹配效果，電容C8是輸出電感網絡的分流電容。T2是雙股環形分流扼流電感，該電感位于L2/L3補償扼流電感的低阻抗端，射頻電壓對它的影響很小，因此不會飽和。輸出耦合電容需要承擔射頻電流，因此需要采用表面積較大的型號。

　　圖4為實際電路布局圖，該電路采用雙面覆銅板，直接固定在散熱器上。線路板背面均為表面貼元件。而開關管則通過板上的矩形孔直接固定在散熱器的底面。

　　圖5和圖6所示分別為C類功率放大器在50MHz頻率條件下，增益和效率與輸出功率之間的關系圖。從圖中可知，輸出功率為150W時的增益最大，高出設計值約4dB，這主要是因為C類功率放大器工作過程中需要進行壓縮，因此實際工作時還是能夠滿足設計要求的。而最大效率則出現在輸入和輸出之間實現共扼匹配的時候。

　　在對實際電路進行檢驗時，將Vdd以5V步長由110V增大到135V，實驗結果清楚地顯示增益和效率的最佳值出現在125V時。對電路重調后，將電壓范圍擴大到100V－150V，也能獲得滿意的效果，但是此時將可能出現峰值效率的情況。如果進一步擴大電壓范圍，L2和L3的值就需要作相應的改動。

　　負載冗余測試是在25:1的駐波比條件下進行的。用一根同軸電纜作衰減器，通過調諧電路改變反射系數的相位，結果并未發生不穩定的現象。

　　3. 結論

　　前面介紹了50MHz/250W射頻功率放大器的設計方法，該方法可以推廣到其他高壓射頻功率放大器的設計過程中。利用APT公司的專用射頻功率MOSFET將極大的簡化射頻功率放大器的設計過程。

　　射頻功率放大器的特性與使用好壞分析

　　身為射頻工程師，工作多多少少都會涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標、電路組成、效率提升技術、發展趨勢……關于射頻功率放大器，該知道的你都知道么？快來補補課吧！

　　射頻功率放大器RFPA的功能

　　射頻功率放大器RFPA是發射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中，調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大 一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。功 率放大器往往是固定設備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

　　在調制器產生射頻信號后，射頻已調信號就由RFPA將它放大到足夠功率，經匹配網絡，再由天線發射出去。

　　圖1 發射系統框圖

　　放大器的功能，即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容，我們稱之為“信號”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統”來說，它的“貢 獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那么它 就可以貢獻更多，這才體現出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機制設計”存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時間之后，不但不能再提供任 何“貢獻”，反而有可能出現一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災難性的。

　　射頻功率放大器RFPA的分類

　　根據工作狀態的不同，功率放大器分類如下：

　　圖2 功率放大器的分類

　　射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲 （A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器 電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類， 但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

　　除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態外，還有使電子器件工作于開關狀態的丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

　　射頻功率放大器RFPA的性能指標

　　射頻功率放大器RFPA的主要技術指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實現不失真放大。總體來說，放大器的評判大概存在著如下指標：

　　增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的范圍內”，盡可能多的貢獻出“產出”。 工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。 工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大范圍內產生“貢獻”。對于一個窄帶放大器來說，其自身設計即便沒有問題，但是其貢獻可能是有限的。 穩定性。每一個晶體管都存在著潛在的“不穩定區域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩定。放大器的穩定性包括兩種，潛在不穩定和絕對穩定。前者可 能在特定條件和環境下出現不穩定現象，后者則能夠保證在任何情況下保持穩定。穩定性問題之所以重要，是因為不穩定意味著“震蕩”，這時放大器不但影響自 身，還會將不穩定因素輸出。 最大輸出功率。這個指標決定著放大器的“容量”。對于“大的系統”來說，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。 效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實現一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少，就是好的放大器。 線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進行正確的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現出這 種“畸形”的性質。

　　下面內容：射頻功放的電路組成、穩定和效率提升方式

　　射頻功率放大器RFPA的電路組成

　　放大器有不同類型，簡化之，放大器的電路可以由以下幾個部分組成：晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路

　　1、晶體管

　　晶體管有很多種，包括當前還有多種結構的晶體管被發明出來。本質上，晶體管的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源，其工作機制是將不含內容的直流的能 量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉化成有用的成分。一個晶體管，我們可以視之為“一個單位”。不同的晶體管不同的 “能力”，例如其承受功率的能力有區別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致；例如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；例如其面 向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

　　2、偏置及穩定電路

　　偏置和穩定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區分，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。

　　晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位，其定位不 同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現。有寫定位點上起伏較小，適合于小信號工作；有些定位點上起伏較大，適合于大功率輸 出；有些定位點上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開關狀態。一個恰當的偏置點，是正常工作的 礎。

　　穩定電路一定要在匹配電路之前，因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來，加上穩定電路的晶體管，是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。

　　3、輸入輸出匹配電路

　　匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口，不同的晶體管 之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類型來說，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時候做一定的 阻擋，來獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過了頭，否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時謹小慎微，因為他們更不穩定，同時，一定的保 留有助于他們發揮出更多的“不扭曲的”能量。

　　射頻功率放大器RFPA穩定的實現方式

　　每一個晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實現方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

　　窄帶的穩定電路是進行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實現的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個頻率范圍內貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負反饋。這種電路可以在一個很寬的范圍內工作。

　　不穩定的根源是正反饋，窄帶穩定思路是遏制一部分正反饋，當然，這也同時抑制了貢獻。而負反饋做得好，還有產生很多額外的令人欣喜的優點。比如，負反饋可能會使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負反饋的引入會提升晶體管的線性性能。

　　射頻功率放大器RFPA的效率提升技術

　　晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點（靜態工作點）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡跟蹤技術與Doherty技術。

　　包絡跟蹤技術的實質是：將輸入分離為兩種：相位和包絡，再由不同的放大電路來分別放大。這樣，兩個放大器之間可以專注的負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

　　Doherty技術的實質是：采用兩只同類的晶體管，在小輸入時僅一個工作，且工作在高效狀態。如果輸入增大，則兩個晶體管同時工作。這種方法實現的基礎是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態會直接的決定了另一支的工作效率。

　　手機射頻模塊功率放大器（PA）市場情況

　　手機功率放大器領域是目前手機里無法集成化的元件，手機性能、占位面積、通話質量、手機強度、電池續航能力都由功率放大器決定。

　　如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構 則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優缺點，適用于不同的手機。融合架構，PA的集成度高，對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優 勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優勢。缺點是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當復雜，并且PA集成時有開關損耗，性能會受影響。而對于后一種架構， 性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節省幾十毫安電流，相當于延長15%的通話時間。所以，業內人士的建議是，大于6個頻段時（不算 2G，指3G和4G）采用融合架構，而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。