功放設(shè)計(jì)仿真的一般步驟
1、首先需要確定放大器的特性指標(biāo),并根據(jù)指標(biāo)選定合適的功放管。
2、將廠家提供的晶體管模型庫導(dǎo)入到ADS模型庫中。
3、根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點(diǎn)。
4、進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì),包括阻抗匹配、偏置電路等。
5、對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真,分析仿真曲線并得出結(jié)論。
6、優(yōu)化功放電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。
本次PA設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
1 頻率:960MHz
2 輸出功率:10W
3 增益:18dB
4 效率:>30%
5 電源電壓:28V
選擇了飛思卡爾的功率管MW6S010N。
設(shè)計(jì)環(huán)境:使用軟件ADS2009,安裝了RF_POWER_ADS2009U1_DK(Designkit)安裝飛思卡爾管子的Designkit。
1、 直流掃描
首先對(duì)LDMOS管進(jìn)行直流工作點(diǎn)掃描。根據(jù)Datasheet上的指標(biāo),得到當(dāng)偏置為VDD=28V,VGS=2.7V時(shí),IDQ=125mA。仿真結(jié)果如圖1所示。
圖1 功放直流掃描
2、 偏置和穩(wěn)定性分析
按照Datasheet設(shè)計(jì)功放的偏置電路[由于頻率比較低,采用集總電感起到射頻扼流的作用,用電容實(shí)現(xiàn)電源濾波
] ,然后,進(jìn)行穩(wěn)定性分析,從仿真結(jié)果圖2,可見該器件在工作頻段上絕對(duì)穩(wěn)定,可以進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。
圖 2 穩(wěn)定性分析
3、負(fù)載牽引和源牽引
我們對(duì)功放進(jìn)行負(fù)載牽引和源牽引,設(shè)定匹配點(diǎn)阻抗960MHz,通過反復(fù)修改源和負(fù)載阻抗值[利用負(fù)載牽引的找到最佳負(fù)載阻抗,并將負(fù)載阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)代入源牽引中,找到最佳源阻抗,并作源匹配網(wǎng)絡(luò),并將找到的最佳源阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)再代入負(fù)載牽引中,如是反復(fù)調(diào)整,來找到最終的最佳源阻抗和負(fù)載阻抗] ,最終得到收斂,輸入功率為23dBm,輸出的最大功率值為42.31dBm。負(fù)載阻抗為5.471+j*5.591, 源阻抗為1.737+j*3.593,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖 3 負(fù)載牽引
圖 4 源牽引
有了源阻抗和負(fù)載阻抗,然后利用ADS中的SmithChart工具進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)[考慮到功放的工作頻段和調(diào)試的方便性,采用傳輸線和集總元件混合匹配網(wǎng)絡(luò),在Smith圓圖上生成匹配電路。整個(gè)電路采用微帶線作為傳輸線來實(shí)現(xiàn),使用聚四氟乙烯玻璃纖維板(εr=2.55,h=0.5mm)] 的設(shè)計(jì)。首先,我們要使靠近功放管的傳輸線寬度大于功放管的引腳寬度。其次,我們要進(jìn)行共軛匹配,所以要把SmithChart中的阻抗改為與源阻抗和負(fù)載阻抗共軛。最后,匹配電路的Q值盡量小。輸出匹配電路的Smith圓圖如圖5所示。最后,將理想器件換成器件模型得到最終的匹配電路并進(jìn)行優(yōu)化,如圖6所示,S參數(shù)的圖如圖7所示。輸入匹配電路也按照這種方法設(shè)計(jì)。見圖8-10。
圖 5 輸出匹配Smith圓圖
圖6 輸出匹配電路
圖 7 匹配電路S參數(shù)
圖 8 輸入匹配Smith圓圖
圖9 輸入匹配電路
圖 10 匹配電路S參數(shù)
4、 諧波平衡仿真
現(xiàn)在可以把輸入輸出匹配電路與加了偏置電路的功放管連接起來,進(jìn)行諧波平衡仿真。掃描輸入功率為-30-30dBm,由圖11可知,在輸入功率為23dBm時(shí)的輸出功率為42.2dBm、附加效率為57.549%、增益為19.2dB。
圖 11 電路參數(shù)
將優(yōu)化后的原理圖封裝成一個(gè)模型,調(diào)用HB1ToneFPswp模板,測(cè)試IMD3的值,仿真得到輸入22dBm時(shí)的輸出功率如圖12所示。
圖12 HB1Tone頻率掃描
然后進(jìn)行HB2Tone仿真,由于只要求輸出功率為10W,根據(jù)前面的仿真結(jié)果,功放在工作頻段內(nèi)增益為18dB,所以設(shè)置輸入功率為22dBm;頻率掃描為900MHz~1000MHz,雙音間隔設(shè)置為100KHz。
圖13 HB2Tone頻率掃描
5、印刷電路版圖
后面的工作就是將原理圖生產(chǎn)印刷電路版圖,自動(dòng)生產(chǎn)的版圖不符合我們的要求,我們需要自己進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整好后將文件導(dǎo)出成Gerber文件,然后再導(dǎo)入到Cam350中。完成的電路圖如圖14。
圖14 印刷電路版圖
板子加工完畢之后,就是調(diào)試的過程了。調(diào)試可能是個(gè)折中,妥協(xié)的過程,其涉及的方方面面就不在這里詳述了。以仿真值搭建的電路不一定在實(shí)際測(cè)試中能達(dá)到仿真軟件中的效果,但是正確的仿真卻一定能為設(shè)計(jì)和調(diào)試指明方向。
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原文標(biāo)題:ADS射頻功放設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單流程
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