@RD功放设计经验谈

功放基础功放原理与普通放大器原理雷同功放特点:高电压,大电流,大功率功放在通讯系统中主要用于发信机.是信号发射出去之前的最后的放大.功放组成1屏蔽盒：高频信号容易辐射,并且易受外界干扰.必须采取屏蔽措施.一般采用铜.铝等金属.屏蔽盒除了具有屏蔽作用外,也起机械保护,环境保护的作用.2介质基片：底板安装于屏蔽盒主体.3功放管：因功放管为功率大,发热多的元件.故功放管要与散热器连接紧密,以充分散热.微带线1.微带线由介质基片以及两边的导体带条和接地板构成。2.微带电路优点:成本低,可靠性高,小型化,轻量化。3.微带线的特性阻抗和相速。特性阻抗与匹配有关,主要由宽高比和介质常数决定;而相速决定的是电长度和几何长度的关系.4.微带线的损耗.微带线的损耗比同轴线,波导等要大,构成微带电路时,不能出现大的线损.微带线的损耗分成三部分.介质损耗:由于介质分子交替极化和晶格来回碰撞,产生的热损耗.导体损耗:电流通过导体带条引起的热损耗;辐射损耗:微带线有半个空间是开放的.•S参量•微波网络通常用散射参量(S参量)来分析。•S11=输出端口接负载时的输入反射系数•S22=输入端口接负载时的输出反射系数•S12=输入端口接负载时的反向增益•S21=输出端口接负载时的正向增益接负载就是使负载等于传输线的特性阻抗.S11和S22与反射系数性质相同.S21代表正向传输,S12代表反向传输.当网络是可逆的时候S12=S21,当网络是对称的时候S11=S22,S12=S21S参量与y,h,z参量的转换.很多功放管并没有给出S参数,而是给出的Z参数或者Y参数.如果仍然想用S参数来进行计算,必须进行转换.转换公式参考清华大学微带电路或者其他书籍•功放匹配电路•输入匹配得到增益和平坦度.输出匹配力求获得最大资用功率.•变阻.由于射频系统中传输均是以特性阻抗50欧姆来传输的.为了能和信源以及输出匹配,必须将功放的输入输出接口匹配到50欧姆.•滤波.避免高次谐波进入系统,应采取滤波措施.•功放匹配电路主要思想是将增益和功率结合起来达到最佳,然后引入变阻滤波概念,使功放能输出最大功率.•直流偏置与去耦•功放的线性化理想系统应该可以满足叠加原理,多种频率分量的输入,输出不会产生新的频率分量.但是实际中总会产生失真,出现新的频率分量.为了尽量降低非线性对应用的影响.通常采用回退技术来实现.但是回退同时导致效率降低,输出功率减小较多.现在,在射频领域,采用较多的线性化技术有预失真和前馈.预失真预失真是线性化技术中比较常用的方法.其实现方法是想办法在功放的输入端加入与功放失真产物或者特性相反的产物或者特性进行抵消.其优点是价格便宜,并且不存在稳定性的问题.根据实现的方法,预失真可以分为模拟预失真和数字预失真.前馈前馈技术直接在功放输出端对功放的失真进行抵消.前馈功放由于抵消时功率电平大,所以成本较高.但是改善的程度非常好.线性化技术理解起来或许简单,但是实现起来非常不易,需要各位同事充分发挥聪明才智,来攻克这些难题.功放设计•明确功放的主要指标.•选择介质基片并选择高性价比的功放管以及推动•进行仿真•设计匹配电路•设计检测以及控制电路•调试以及测试介质基片的选择介质基片的介电常数以及厚度对功放的电路参数有着非常关键的影响.根据使用的频率、电路功能和成本等出发来选取基片的材料。公司常用的是FR4、F4B等国产介质材料。由于基片厚度和微带线的宽度有关，基片越薄，微带线变细，导致导体损耗上升。铜箔厚度也和损耗有关，大功率电路，建议采用厚些的（1-2oz约35-70微米）。另外，要考虑铜箔和介质的粘合力。聚四氟乙烯玻璃纤维编制布材料做成的基片，具有较低的损耗，国内也已经生产，成本也较低，同时也是一种较好的基片。要求比较高的功放也通常使用进口的基片.国外基片相对一致性好,均匀度高,附着性好,损耗的,热导低.是做功放的好材料.但是成本高.导体损耗与基片厚度、铜箔厚度的关系FR-4基片tgδ=0铜箔厚度=70μmf=1GHz时基片厚度0.5mm基片厚度1mm基片厚度1.5mm损耗(dB/m)0.708910.377090.25938FR-4基片tgδ=0基片厚度=1mm时铜箔厚度17μm铜箔厚度35μm铜箔厚度70μm损耗(dB/m)0.399830.377090.35363采用RO4003基片(H=0.8mmT=35μm)，在信号频率为1GHz时，微带线的损耗为0.71204dB/m，带接地板的共面波导为0.99521dB/m•常用的放大器件1双极晶体管：早期多使用在单通道的模拟基站功放中。他存在两个问题：高阶互调和低电平的交叉失真，因此线性不好。2GaAsMESFET:线性好,但是功率做不大。3LDMOS硅射频横向扩散金属-氧化物-半导体：由于其采用了横向沟道结构，漏极、源极和栅极都在芯片表面，其中源极和沟道是短接的,不存在击穿电压的问题,延长了管子的使用寿命.采用双扩散技术即可决定沟道长度，不受光刻精度的限制。因此。其跨导、漏极电流、最高工作频率和速度都较一般MOSFET有大幅度的提高，还具有易集成的特点。与双极晶体管相比，其在大电流范围的跨导保持较大并为常数，故线性放大范围较大，并在较大输出功率时能有较大的线性增益。热阻也小。LDMOS的缺点是功率密度比较小,容易收到静电的破坏.LDMOS结构示意图LDMOSBJTLDMOS放大器与BJT放大器高阶互调的比较三.设计要点1.首先要根据要求的指标选择合适的放大器件，必须保证放大器的稳定性，功率管的工作参数必须低于最大额定参数，包括最大额定漏源电压、最大额定栅源电压、最大额定功耗、允许存储温度范围和结温。2.根据功率管生产厂家给出的输入、输出阻抗设计匹配网络。输入匹配网络的设计着眼于最大功率的传递，输出匹配网络的设计着眼于最大功率的输出。匹配电路应在要求的频带外给出最小的增益。3.馈电电路的设计：漏极电源馈电多采用四分之一波长高阻抗线，此时应考虑流过的电流大小，也有用电感的。栅极馈电也可用四分之一波长高阻抗线，也可用电阻隔离。由于功率管在工作温度变化时，应保持最佳工作静态电流，因此要进行温度补偿。采用二极管进行补偿的电路如左。功率管的工作点随温度变化约为-2mV/C,而现在的补偿电压公式为：dVg=dVd*R1/(R1+R2)对不同的管子补偿电压要求不同，并可能要增加二极管数目。新的补偿电路如左图，其补偿电压计算公式为：dVg=dVd与R1、R2无关，补偿效果比上面的好。还有其它的补偿方法可用，请查有关资料。•有源偏置电路Ic2=10Ig=IR一种集成放大器的偏置电路的考虑：输入输出隔直电容的取值，使在最低工作频率上有较低的电抗；RFC的电抗值取在10倍的特性阻抗值左右；Rbias由Vcc、Vd和Ibias计算得出。Cbypass采用大小电容并联的方法。Agilent公司建议采用碳膜电阻做降压电阻，利用其正温度特性来补偿电流变化。微波巴伦（不对称到对称转换）•将信号分成两路，幅度相等而相位相反，的器件，同时两输出端对地都是悬浮的。•用于反相功率合成器的输入及输出端。•主要指标为，工作频率范围、输出的幅度差、相位误差及允许的功率容量。低频的平衡到不平衡转换电路，可采用变压器来实现。两线圈之间要加静电屏蔽，以防止电容耦合破坏输出端的对称性。在射频频段，由于磁性材料的损耗增加，而不能采用这种电路。可用传输线变压器的绕法来构成。传输线变压器虽然是绕在磁芯上，但此时磁芯仅用来构成大电感，故可工作在较高的频率，其导磁率决定工作频率下限，传输线的长度，决定频率上限。用同轴线构成的巴仑。当ZA=50欧姆时，R=25欧姆。也可采用ZA=(50*2R)1/2，来进行阻抗转换，此时，同轴线的电长度应为四分之一波长。详情请参阅：“ThreeBalunDesignsforPush-PullAmplifier“(AN1034.pdf)及”FerriteandWireBalunwithUnder1dBLossto2.5GHz”(00705068.pdf)对称巴仑的测试结果在功放中常采用功率合成技术，这样可使用小功率的功放管来实现输出大的功率。常用3分贝耦合器来实现功率合成，其优点是输入输出的驻波特性较好。也可用功分器来实现，但这是需加入四分之一波长线来改善输入和输出的驻波特性。•定向耦合器常用四端口网络形式，其中一号端口为输入端口（它与源阻抗匹配），输入功率为P1，P2、P3和P4分别为在端口2、3和4可得到的功率。当端口3为耦合端口时，耦合系数为C=-10log(P3/P1)。如果端口4是所希望的非耦合端口时，隔离度为I=-10log(P4/P1)。到主端口2的传输系数为T=10log(P2/P1)。定向性为D=I-C。主要指标还有中心频率及输入驻波比等。微带定向耦合器有分支线和平行耦合线耦合器。•分支线定向耦合器：可用微带线或带状线来实现，耦合端的输出信号和主线输出端的信号之间有90度的相位差。多做3dB耦合。•耦合传输线定向耦合器：由两段等宽的四分之一波长平行耦合传输线组成,通常用于功率检测等场合。当用耦合微带线来构成时，多做成弱耦合滤波器。用耦合带状线构成时可做成强耦合的定向耦合器。Z0=(Z0e*Z0o)1/2C=20Log[(Z0e+Z0o)/(Z0e-Z0o)]•功分器•用来将功率按要求分配的器件，常把将信号功率平均分配成两部分的称为功分器。其输出的两个端口之间是隔离的，当同时在输出端加上等幅同相的信号时，将在输入端输出两个功率之和，故该器件即可做功率分配用也可做功率合成用。•可用两段70.7欧姆特性阻抗的四分之一波长线来构成。在两个输出端之间接一100欧姆的电阻来形成隔离。•当对插损指标要求不高时，可用三个16欧姆的电阻结成星形，来进行功分。此时，输出信号衰减是6dB。4.散热片的设计：由于功放管在工作时，将耗散大量的热量，因此必须将功放管安装在低热阻的散热器上，以不使功放管的温度升高过多。散热片材料以紫铜为最好，其次是铝、黄铜和钢，表面黑化和打毛可提高散热效率，安装功放管处要加工得平整（要小于0.001），热界面处涂敷导热硅脂或强力散热膏，安装时应对螺钉的转矩等提出要求。散热片的面积按下式计算：要求的热阻为RT=(Tj-T0)/P0RT=RTj+RTC+RTr其中,RTj为功放管的热阻，RTC为功放管和散热器间的热阻，RTr是散热器的热阻，由RTr可求得散热器的面积。常用材料的导热系数λ(W/m·C)(试验温度20C)，其物理意义是：在单位长度上，两端温差为一个单位时，单位时间里通过热能的多少。材料名称导热系数材料名称导热系数银（99.9%)407铜(99.9%)372铝（纯）203铝合金164黄铜99碳素铜53焊锡33氧化铍208-225云母0.5空气0.026接触热阻参考数据，对一种大功率三极晶体管管壳封装给出的是，不加硅脂时是0.33，加硅脂时是0.24。常用材料表面的黑度材料和表面状况温度（C）ε精密研磨的铝200-6000.04–0.06强氧化的铝35-5000.2–0.31黄铜皮220.06灰暗的黄铜50-3500.22镀铬抛光的黄铜1000.075不同颜色的无光泽漆1000.92–0.96黑色无光泽漆40-1000.96–0.98调试功放时,经常会遇到自激的现象：1.功放管自身原因引起的自激振荡。功放管在一些频率范围内不是一个绝对稳定的器件。因而，当匹配电路设计的不合理时，在某些条件下，会产生了振荡。2.由于外部反馈引起的自激。一些功放集成块的馈电滤波电容，接地不良时，会引起振荡。功放管的源（发射）极接地不好时，引入了一个反馈也会引起振荡。3.模块增益过高时，通过输入与输出的耦合，也会引起自激。4.调试中要注意的地方，不要带电焊接电路，用万用表测量电压时，不能将表棒直接在微带线上测量，或在LDMOS的栅极或漏极上测量电压。防止感应电压的影响。•集总参数元件•元件的尺寸和工作波长相比很小时，可认为是集中参数元件。•电容和电感的等效电路和电特性如下面的图表所示，因此必须考虑所选的元件在你要求的工作频段内的电气特性。贴