射频
MOS功率扩展电路模拟器的规划计划剖析
1. 导言
本文规划的50MHz/250W 功率扩展器选用美国APT公司出产的推挽式射频功率MOSFET管ARF448A/B进行规划。APT公司在其出产的射频功率MOSFET的内部结构和封装形式上都进行了优化规划，使之更适用于射频功率扩展器。下面介绍该类型功率扩展器的电路结构和规划进程。
2.50MHz/250W射频功率扩展器的规划
高压射频功率扩展器的规划与传统低压固态射频功率扩展器的规划进程有着显着的不同，以下50MHz/250W功率扩展器的规划进程将有助于工程技能人员更好的把握高压射频功率扩展器的规划办法。
2.1射频功率MOSFET管ARF448A/B的特色
ARF448A和ARF448B是配对运用的射频功率MOSFET，反向耐压450V，选用TO-247封装，适用于输入电压规模为75V-150V的单频C类功率扩展器，其作业频率可设置为13.56MHz、27.12MHz和40.68 MHz。ARF448A/B的高频增益特性如图1所示。从图中能够看出，当频率到达50MHz时，ARF448的增益约为17dB。
2.2 规划方针
50MHz/250W功率扩展器的规划方针如下：
(1)作业电压：》100V;(2)作业频率：50MHz;
(3)增 益：》15dB;(4)输出功率：250W;
(5)效 率：》70%;(6)驻波比：》20:1;
2.3 规划进程
功率扩展器的输入阻抗能够用一个Q值很高的电容来表明。输入电容的取值能够参照相应的规划表格，从中能够查出对应不同漏极电压时的电容取值。当ARF448的漏极电压为125V时，对应的输入电容值为1400pF。输入阻抗取决于输入功率、漏极电压以及功率扩展器的运用等级。单个功率扩展器开关管负载阻抗的底子核算公式如式(1)所示。
留意，运用公式(1)能够精确的核算出A类、AB类和B类射频功率扩展器的并联负载阻抗，但并不彻底适用于C类运用。关于C类射频功率扩展器，应当选用式(2)：
能够算出，当Vdd为150V时，Rp的取值适当于Vdd为50V时的9倍，这对输出负载匹配十分有利。可是，需求留意的是，此刻功率 MOSFET输出电容的取值并没有发生显着的改动。由于高压状况下的并联输出阻抗显着增大，输出容抗也将显着增大。换句话说，此刻输出容抗将起首要作用。因而，在规划进程中，应当采纳相应的办法战胜输出容抗的作用。
推挽作业进程需求一个平衡电路，每个开关管的漏极均与一个双股扼流电感相连，选用这样的结构有利于磁通的平衡。
归纳考虑最大输出功率和最坏作业条件，Vdd应取为125V。这样，每个开关管将供给125W的输出功率，与1400pF的输出电容Cos并联的漏极阻抗为90欧姆。能够选用添加分流器或串联电感的办法对输出电容进行补偿。由于已经在开关管的漏极上选用了双股扼流电感，因而输出电容补偿办法能够考虑选用串联补偿电感。
为了使漏极阻抗呈纯阻性，应当在开关管的漏极上串联电感。Rp能够经过公式(2)核算得到，而Cos是Vdd的反函数。核算出Rp和Xcos之后，选取适当地串联电感，能够完成共扼匹配，如图2所示。其间，Cop与并联输出阻抗Cos有关。
经过公式(2)能够核算出Rp等于90欧姆，输出电容为125pF。在50MHz频率下，电抗Xcos为-j25.4欧姆。由此能够算出Rs为6.6欧姆，而所需的最优取值为6.25欧姆。这就需求将漏极电压稍稍调低或许将输出功率
稍稍调高即可取得所需的最优取值。可是，在实践作业进程中，假如不能经过调整漏极电压或输出功率的办法取得所需的串联等效阻抗值，能够考虑在开关管上并联一个电容以增大Cos的取值，这样Ls的取值也将相应的改动。增大Ls使Xcos过补偿能够增大有用Rs值。假如在负载端添加一个分流电容，能够增大有用Rs值。图3中的电容C8便是这个分流电容。这样，电感、分流电容和输出电容就构成了一个π形网络。
尽管功率扩展器的DC十分高，可是由于作业频率高达50MHz，MOSFET的输入电容将使其输入阻抗呈现射频短路状况。尽管能够经过添加匹配网络来完成阻抗匹配，可是匹配网络的Q值将很高，其本钱也将大大进步。最适合的办法是选用一个简略的电感网络来操控改换进程。
输入阻抗在功率扩展器作业进程中并不是固定不变的，由于密勒电容效应的作用，输入阻抗的改动规模将适当大。
图3是50MHz/250W功率扩展器的电路原理图。门极匹配经过变压器和调谐网络完成。变压器能够供给推挽结构所需的平衡输入。推挽结构能够使单个MOSFET的有用输入阻抗增大约四分之一。留意，变压器次级不能悬空，应经过接地电阻接地。输出电路选用前面说到的串联补偿办法，大电感用于取得满足的输出电阻匹配作用，电容C8是输出电感网络的分流电容。T2是双股环形分流扼流电感，该电感坐落L2/L3补偿扼流电感的低阻抗端，射频电压对它的影响很小，因而不会饱满。输出耦合电容需求承当射频电流，因而需求选用外表积较大的类型。
图4为实践电路布局图，该电路选用双面覆铜板，直接固定在散热器上。线路板反面均为外表贴元件。而开关管则经过板上的矩形孔直接固定在散热器的底面。
图5和图6所示别离为C类功率扩展器在50MHz频率条件下，增益和功率与输出功率之间的联系图。从图中可知，输出功率为150W时的增益最大，高出规划值约4dB，这首要是由于C类功率扩展器作业进程中需求进行紧缩，因而实践作业时仍是能够满足规划要求的。而最大功率则呈现在输入和输出之间完成共扼匹配的时分。
在对实践电路进行查验时，将Vdd以5V步长由110V增大到135V，试验成果清楚地显现增益和功率的最佳值呈现在125V时。对电路重调后，将电压规模扩展到100V-150V，也能取得满足的作用，可是此刻将或许呈现峰值功率的状况。假如进一步扩展电压规模，L2和L3的值就需求作相应的改动。
负载冗余测验是在25:1的驻波比条件下进行的。用一根同轴电缆作衰减器，经过调谐电路改动反射系数的相位，成果并未发生不安稳的现象。
3. 定论
前面介绍了50MHz/250W射频功率扩展器的规划办法，该办法能够推行到其他高压射频功率扩展器的规划进程中。运用APT公司的专用射频功率MOSFET将极大的简化射频功率扩展器的规划进程。
射频功率扩展器的特性与运用好坏剖析
身为射频工程师，作业多多少少都会涉及到功率扩展器。功率扩展器能够说是许多射频工程师绕不过的坎。功用、分类、功能方针、电路组成、功率进步技能、发展趋势……关于射频功率扩展器，该知道的你都知道么?快来补补课吧!
射频功率扩展器RFPA的功用
射频功率扩展器RFPA是发射体系中的首要部分，其重要性显而易见。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所发生的射频信号功率很小，需求经过一系列的扩展 一缓冲级、中心扩展级、末级功率扩展级，取得满足的射频功率今后，才干馈送到天线上辐射出去。为了取得满足大的射频输出功率，有必要选用射频功率扩展器。功 率扩展器往往是固定设备或终端的最贵重、最耗电、功率最低的器材。
在调制器发生射频信号后，射频已调信号就由RFPA将它扩展到满足功率，经匹配网络，再由天线发射出去。
图1 发射体系框图
扩展器的功用，行将输入的内容加以扩展并输出。输入和输出的内容，咱们称之为“信号”，往往表明为电压或功率。关于扩展器这样一个“体系”来说，它的“贡 献”便是将其所“吸收”的东西进步必定的水平，并向外界“输出”。这一“进步的奉献”，即为扩展器存在的“含义”地点。假如扩展器能够有好的功能，那么它 就能够奉献更多，这才体现出它本身的“价值”。假如扩展器的初始“机制规划”存在着必定的问题，那么在开端作业或许作业了一段时间之后，不光不能再供给任 何“奉献”，反而有或许呈现一些不期然的“震动”，这种“震动”，关于外界仍是扩展器本身，都是灾难性的。
射频功率扩展器RFPA的分类
依据作业状况的不同，功率扩展器分类如下：
图2 功率扩展器的分类
射频功率扩展器的作业频率很高，但相对频带较窄，射频功率扩展器一般都选用选频网络作为负载回路。射频功率扩展器能够依照电流导通角的不同，分为甲 (A)、乙(B)、丙(C)三类作业状况。甲类扩展器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率扩展，乙类扩展器电流的导通角等于180°，丙类扩展器 电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率作业状况，丙类作业状况的输出功率和功率是三种作业状况中最高的。射频功率扩展器大多作业于丙类， 但丙类扩展器的电流波形失真太大，只能用于选用调谐回路作为负载谐振功率扩展。由于调谐回路具有滤波才能，回路电流与电压依然接近于正弦波形，失真很小。
除了以上几种依照电流导通角分类的作业状况外，还有使电子器材作业于开关状况的丁(D)类扩展器和戊(E)类扩展器，丁类扩展器的功率高于丙类扩展器。
射频功率扩展器RFPA的功能方针
射频功率扩展器RFPA的首要技能方针是输出功率与功率，怎么进步输出功率和功率，是射频功率扩展器规划方针的中心。通常在射频功率扩展器中，能够用LC谐振回路选出基频或某次谐波，完成不失真扩展。整体来说，扩展器的评判大约存在着如下方针：
增益。这是输入和输出之间比值，代表着扩展器的奉献。好的扩展器，都是在其“本身才能的规模内”，尽或许多的奉献出“产出”。 作业频率。这代表着扩展器对不同频率信号的承载才能。 作业带宽。这决议着扩展器能够在多大规模内发生“奉献”。关于一个窄带扩展器来说，其本身规划即使没有问题，可是其奉献或许是有限的。 安稳性。每一个晶体管都存在着潜在的“不安稳区域”。扩展器的“规划”需求消除这些潜在的不安稳。扩展器的安稳性包含两种，潜在不安稳和肯定安稳。前者可 能在特定条件和环境下呈现不安稳现象，后者则能够确保在任何状况下保持安稳。安稳性问题之所以重要，是由于不安稳意味着“震动”，这时扩展器不光影响自 身，还会将不安稳要素输出。 最大输出功率。这个方针决议着扩展器的“容量”。关于“大的体系”来说，期望他们在献身必定的增益的状况下能够输出更大的功率。 功率。扩展器都要耗费必定“能量”，还完成必定的“奉献”。其奉献与耗费之比，即为扩展器的功率。能够奉献更多耗费更少，便是好的扩展器。 线性。线性所表征的是扩展器关于许多输入进行正确的反响。线性的恶化表明扩展器在过量的输入的状况下将输入“畸变”或“歪曲”。好的扩展器不应该体现出这 种“变形”的性质。
下面内容：射频功放的电路组成、安稳和功率进步办法
射频功率扩展器RFPA的电路组成
扩展器有不同类型，简化之，扩展器的电路能够由以下几个部分组成：晶体管、偏置及安稳电路、输入输出匹配电路
1、晶体管
晶体管有许多种，包含当时还有多种结构的晶体管被创造出来。本质上，晶体管的作业都是体现为一个受控的电流源或电压源，其作业机制是将不含内容的直流的能 量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界取得，晶体管加以耗费，并转化成有用的成分。一个晶体管，咱们能够视之为“一个单位”。不同的晶体管不同的 “才能”，例如其承受功率的才能有差异，这也是由于其能获取的直流能量的才能不同所造成的;例如其反响速度不同，这决议它能作业在多宽多高的频带上;例如其面 向输入、输出端的阻抗不同，及对外的反响才能不同，这决议了给它匹配的难易程度。
2、偏置及安稳电路
偏置和安稳电路是两种不同的电路，但由于他们往往很难区别，且规划方针趋同，所以能够放在一同评论。
晶体管的作业需求在必定的偏置条件下，咱们称之为静态作业点。这是晶体管安身的底子，是它本身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了必定的定位，其定位不 同将决议了它本身的作业形式，在不同的定位上也存在着不同的功能体现。有写定位点上崎岖较小，适合于小信号作业;有些定位点上崎岖较大，适合于大功率输 出;有些定位点上讨取较少，开释朴实，适合于低噪声作业;有些定位点，晶体管总是在饱满和到之间徜徉，处于开关状况。一个恰当的偏置点，是正常作业的 础。
安稳电路必定要在匹配电路之前，由于晶体管需求将安稳电路作为本身的一部分存在，再与外界触摸。在外界看来，加上安稳电路的晶体管，是一个“全新的”晶体管。它做出必定的“献身”，取得了安稳性。安稳电路的机制能够确保晶体管顺利而安稳的作业。
3、输入输出匹配电路
匹配电路的意图是在挑选一种承受的办法。关于那些想供给更大增益的晶体管来说，其途径是全盘的承受和输出。这意味着经过匹配电路这一个接口，不同的晶体管 之间交流愈加顺利，关于不同种的扩展器类型来说，匹配电路并不是只要“全盘承受”一种规划办法。一些直流小、根基浅的小型管，更愿意在承受的时分做必定的 阻挠，来获取更好的噪声功能，可是不能阻挠过了头，否则会影响其奉献。而关于一些巨型功率管，则需求在输出时谨言慎行，由于他们更不安稳，一起，必定的保 留有助于他们发挥出更多的“不歪曲的”能量。
射频功率扩展器RFPA安稳的完成办法
每一个晶体管都是潜在不安稳的。好的安稳电路能够和晶体管交融在一同，构成一种“可继续作业”的形式。安稳电路的完成办法可划分为两种：窄带的和宽带的。
窄带的安稳电路是进行必定的增益耗费。这种安稳电路是经过添加必定的耗费电路和挑选性电路完成的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率规模内奉献。别的一种宽带的安稳是引进负反馈。这种电路能够在一个很宽的规模内作业。
不安稳的本源是正反馈，窄带安稳思路是遏止一部分正反馈，当然，这也一起按捺了奉献。而负反馈做得好，还有发生许多额定的令人欢喜的长处。比方，负反馈或许会使晶体管免于匹配，既不需求匹配就能够与外界很好的接洽了。别的，负反馈的引进会进步晶体管的线性功能。
射频功率扩展器RFPA的功率进步技能
晶体管的功率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态作业点)的挑选不同而不同。别的，外围电路规划得欠好，也会大大下降其功率。现在工程师们关于功率进步的办法不多。这儿仅讲两种：包络盯梢技能与Doherty技能。
包络盯梢技能的本质是：将输入别离为两种：相位和包络，再由不同的扩展电路来别离扩展。这样，两个扩展器之间能够专心的担任其各自的部分，二者合作能够到达更高的功率运用的方针。
Doherty技能的本质是：选用两只同类的晶体管，在小输入时仅一个作业，且作业在高效状况。假如输入增大，则两个晶体管一起作业。这种办法完成的根底是二只晶体管要合作默契。一种晶体管的作业状况会直接的决议了另一支的作业功率。
手机射频模块功率扩展器(PA)商场状况
手机功率扩展器范畴是现在手机里无法集成化的元件，手机功能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航才能都由功率扩展器决议。
怎么集成这些不同频段和制式的功率扩展器是业界一直在研讨的重要课题。现在有两种计划：一种是交融架构，将不同频率的射频功率扩展器PA集成;另一种架构 则是沿信号链路的集成，行将PA与双工器集成。两种计划各有优缺陷，适用于不同的手机。交融架构，PA的集成度高，关于3个以上频带巨有显着的尺度优 势，5-7个频带时还巨有显着的本钱优势。缺陷是尽管PA集成了，可是双工器仍是适当杂乱，而且PA集成时有开关损耗，功能会受影响。而关于后一种架构， 功能更好，功放与双功器集成能够进步电流特性，大约能够节约几十毫安电流，适当于延伸15%的通话时间。所以，业内人士的主张是，大于6个频段时(不算 2G，指3G和4G)选用交融架构，而小于四个频段时选用PA与双工器集成的计划PAD。
