射频功率放大器电路设计实例

3.3射频功率放大器电路设计实例3.3.1基于MGA83563的900MHz/1.9GHz/2.5GHz功率放大器电路MGA83563是中功率GaAsRFIC放大器，内部由两级FET功放电路组成，设计应用在频率范围为0.5～6GHz的发射机的驱动级和输出级。MGA83563工作电压为+3V，能提供+22dBm（158mW）的功率输出，具有37％的功率效率（PAE），输出P1dB为19.2dBm，输出OIP3为29dBm，放大器的输出内部匹配在50，MGA83563适合以电池为电源的个人通信设备应用，例如无线数据、蜂窝电话和PCS。MGA83563采用SOT-363（SC-70）封装，引脚1为电源电压（Vd1），引脚2,4,5为地（GROUND），引脚3为输入端（INPUT），引脚6为输出端和电源电压（OUTPUTandVd2）。一个覆盖900MHz/1.9GHz/2.5GHz的功率放大器电路和元器件布局图如图3.3.1所示，元器件参数见表3.3.1。电路是组装在0.031英寸的FR-4印制板上。C5（1000pF）是旁路电容器，用来消除加在与VCC连接的电源线上的级间反馈。MGA83563第一级FET的漏极连接到引脚1，电源电压VCC通过电感线圈L2连接在漏极上，电感线圈的电源端被旁路到地。这个级间电感线圈用来完成在第一级放大器和第二级放大器之间的匹配。电感线圈L2的数值取决于MGA83563特定的工作频率，L2的数值可以根据工作频率选择。电感L2的数值也与印制电路板材料、厚度和RF电路的版面设计有关。图3.3.1900MHz/1.9GHz/2.5GHz的功率放大器电路和元器件布局图电源电压通过引脚6加到第二级FET的漏极，并与RF输出连接。电感L3（RFC）被用来隔离RF输出信号到直流电源去，并在电感RFC的电源端加一个旁路电容C4滤去高频信号。在输出端的隔直电容C3防止电源电压加到下一级电路。为了防止输出功率的损耗，在工作频带上电感RFC的值（即电抗）为几百欧姆。在更高的工作频率时，可以使用一条高阻抗的传输线（/4）代替。因为MGA83563中两级放大器都是使用同一个电源，为了防止从RF输出级到第一级的漏极之间的电源线产生的反馈，应确保RF输出级到第一级的漏极之间的电源线有非常好的旁路。否则，电路将变得不稳定。连接到MGA83563的RF输入（引脚3）是直流接地电位。在MGA83563的输入端，可以不使用隔直电容，除非有一个DC电压出现在输入端。MGA83563的输出阻抗内部匹配为50，容易与负载阻抗匹配。可以采用一个并联的电容和串联的传输线组成的一个匹配网络，匹配输出为50。MGA83563内部的输入阻抗匹配对很多应用都是很适合的。如果需要改善输入回波损耗，需要一个更好的输入匹配的话，只需要简单地串联一个电感即可。在设计MGA83563印制电路板的时候，PCB版面设计应综合考虑电气特性、散热和装配。①PCB版面MGA83563封装引脚焊盘的尺寸建议采用推荐使用的微型SOT-363（SC-70）封装的印制电路板引脚焊盘。该设计提供大的容差，可以满足自动化装配设备的要求，并能够减少寄生效应，保证MGA83563的高频性能。②PCB材料的选择对于频率为3GHz的无线应用来说，可选择型号为FR-4或G-10印制电路板材料，典型的单层板厚度是0.020～0.031英寸，多层板一般使用电介质层厚度在0.005～0.010英寸之间。更高的频率应用例如5.8GHz，建议使用PTFE/玻璃的电介质材料的印制电路板。③接地所有MGA83563的外围元器件的布局以MGA83563的引脚焊盘为核心。适当的接地才能保证电路得到最好的性能和维持器件工作的稳定性。MGA83563全部的接地引脚端通过通孔被连接到PCB背面的RF接地面。每一个通孔将被设置紧挨着每个接地引脚，以保证好的RF接地。使用多个通孔可进一步最小化接地路径的电感。接地引脚端的PCB焊盘在封装体下面没有连接在一起，以减少连接到多级放大器的接地引脚端，从而减少级间不需要的反馈。每个接地引脚端都应该有它独立的接地路径。注意，PCB导线应尽量不要设计隐藏在芯片封装下面。④散热MGA83563的直流功率消耗为0.5W，已接近SOT-363的超小型封装的极限。因此，必须非常小心地对MGA83563进行充分散热。推荐使用一个有较多通孔的较薄的PCB，并在通孔上镀上较厚的金属层，以提供更低的阻值和更好的散热条件。不推荐使用0.031英寸厚的电路板，理由是在散热和电气特性上存在问题。3.3.2基于CGB240的蓝牙功率放大器电路CGB240是一个蓝牙射频功率放大器，其符合IEEE802.11b标准，可以应用于蓝牙（1级）、家庭RF、WLAN、无绳电话、2.4～2.5GHzISM频带等无线系统中。CGB240采用单电源供电，工作电压范围为2.0～5.5V，当电源电压VCC=3.3V时，输出功率Po为23dBm，电流为40～160mA，CGB240总的功率增加效率（PAE）为50％，采用4级模拟功率控制。在低功率模式，具有高的PAE，可以达到16dBm/30％。输出功率可通过一个模拟控制电压（VCTR）来调整。CGB240采用简单的外部输入、级间和输出匹配电路，并具有高的谐波抑制能力（典型值35dBc）。CGB240采用TSSOP-10封装，引脚功能见表3.3.2。CGB240内部结构方框图如图3.3.2所示，芯片内部包含有2级放大器。图3.3.2CGB240内部结构方框图CGB240使用微带线（TRL）匹配的蓝牙射频功率放大器电路和印制板图（PCB），如图3.3.3所示，在PCB中，VC1和VC2连接在一起，VCtr1和VCtr2连接在一起。元器件参数见表3.3.3。CGB240使用的分立元件匹配的蓝牙功率放大器电路和印制板图如图3.3.4所示，元器件参数见表3.3.4。图3.3.3CGB240使用微带线匹配的蓝牙功率放大器电路和印制板图图3.3.4CGB240使用分立元件匹配的蓝牙功率放大器电路和印制板图3.3.3基于HPMX3003的1.5～2.5GHzLNA/开关/功率放大器电路HPMX3003的内部包括一个低噪声放大器（LNA）、一个GaAs（砷化镓）MMIC（单片式微波集成电路）开关和一个功率放大器。HPMX3003的每一个部分都能单独使用，既能作为“射频前端”，也能作为功率级，还可应用于PCS、无线电话系统、无线局域网和ISM频带扩频系统的无线电收发器中。HPMX3003的LNA利用GaAs的低噪声特征，可构成一个匹配的宽带放大器，具有13dB的增益，2.2dB的噪声系数；HPMX3003的开关为线性操作并提供+55dBm的IP3；HPMX3003的功率放大器产生高达27.5dBm的输出功率，功率增加效率PAE为35％。HPMX3003采用微型SSOP-28封装。HPMX3003的1.5～2.5GHz应用电路如图3.3.5所示。该图在LNA输入（LNAin）和LNA输出（LNAout）的电感参数可根据工作频率范围调整（例如在1900MHz时为5nH，在2400MHz时为2.5nH）。图3.3.5中引脚1，2，3，5，6，9，10，12，16，17，19，20，23，24为接地端。接地引脚是器件的主要散热通道，使用多个通孔的连接形式，使寄生电感最小。功率放大器输入端（PAin）（引脚4）射频输入功率为+4dBm，输入端连接50的传输线，外接大于24pF的隔直电容。偏置电压通过500电阻接入一个100pF电容旁路到地。功率放大器（PAout）（引脚21，22和25）射频输出功率为+27dBm，偏置电压通过电感线圈接入。图3.3.5HPMX3003的1.5～2.5GHz应用电路（图中参数为在2.4GHz的应用）第1级功率放大器漏极偏置电压输入端（VD1）（引脚7）连接一个100pF的旁路电容。第2级功率放大器栅极偏置电压输入端（VG2）（引脚27）通过10电阻提供偏置，引脚端连接一个10pF的电容旁路到地，电源端连接一个1000pF的电容旁路到地。低噪声放大器输入（LNAin）（引脚11）使用50的传输线与开关引脚13连接，射频输入信号为20dBm，输入隔直电容大于24pF。低噪声放大器输出（LNAout）（引脚8）端的射频输出信号为7dBm，偏置电压通过电感线圈、10电阻接入，并连接100pF和1000pF旁路电容器，工作电压为3～5V，电流消耗为5mA。开关输入/输出端（SW1和SW2）（引脚13和18）通过50的传输线接到LNA或PA，传输线上不能传输直流电压。开关控制引脚（C1和C2）（引脚14和16）的开关关闭控制电压为0V，导通电压为3～5V。当C1关闭时C2一定要打开，反之，当C2关闭时C1一定要打开。天线连接引脚端（Antenna）（引脚15）通过50的传输线连接到天线，传输线上不能有直流电压。3.3.4基于AD8353的100MHz～2.7GHz功率放大器驱动电路AD8353是工作频率为100MHz～2.7GHz的宽带固定增益的线性放大器，采用CP-8封装，AD8353内部具有二级反馈放大器，有并联和串联两种反馈。第一级产生大约10dB的增益。第二级是PNP-NPN达林顿输出级，它也产生大约10dB的增益。单端输入单端输出，输入端和输出端的阻抗为50，可直接插入在一个50的系统中应用。器件工作在900MHz时，有20dB的增益，输出三阶截点（OIP3）大于23dBm，噪声系数为5.3dB，反向隔离度为35dB。工作在2.7GHz时，有15.6dB的增益，OIP3为19dBm，噪声系数为6.8dB，反向隔离度为30dB。AD8353可广泛应用于VCO缓冲器、通用TX/RX放大器、功率放大器预驱动器和低功耗天线驱动器中。AD8353应用电路原理图、元器件布局图和印制板图如图3.3.6所示。该电路采用2.7～5.5V的单电源供电。电源用0.47F和100pF的电容去耦。C1和C2为隔直电容，注意L1是射频扼流圈，仅在VCC=3V时使用，推荐值为100nH，用于提高输出级的电流。由于AD8353的输出端VOUT（引脚7）是输出放大器的集电极，当VCC=5V时，不必使用扼流圈，节点内偏置约为2.2V，从而，在VOUT输出端和其负载间需连接一个隔直电容，其值大小应不小于100pF。图3.3.6AD8353应用电路图AD8353可作为传输器功率放大器的驱动器（见图3.3.7）。这个放大器具有高反向隔离性能，也可作为一个本机振荡器缓冲器使用，它还能作为窄带上变频或下变频混频器的本机振荡器的驱动器（见图3.3.8）。图3.3.7作为功率放大器的驱动器图3.3.8作为本机振荡器的驱动器