專用高頻E類功率放大器的研究

1.引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，功率放大器作為發(fā)射機(jī)最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，而功率放大器性能好壞的判決和芯 片檢測(cè)有關(guān)。本文介紹了一款E類功率放大芯片性能測(cè)試電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)介了檢測(cè)中用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材，并給測(cè)試電路加上各種測(cè)試信號(hào)后觀察顯示結(jié)果，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析從而判定芯片是否合格。

2.E類功率放大器原理

射頻功率放大器是將直流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/射頻">射頻信號(hào)的功率器件，衡量一個(gè)射頻放大器性能的主要參數(shù)有：最大輸出功率、效率、線性度、增益等等。功率放大器可 以劃分為幾類，這取決于它們是寬帶還是窄帶、它們的目的是為了線性工作還是恒包絡(luò)工作。線性功率放大器有四種類型：A、B、AB、C,它們的主要差別在于 偏置情況的不同，這幾類傳統(tǒng)的功率放大器具有較高的線性度，但效率較低。開(kāi)關(guān)模式功率放大器主要有D、E、F三類，這幾類功率放大器中晶體管等效為受輸入電壓控制的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)有電流經(jīng)過(guò)，若保證管子飽和導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻很小，開(kāi)關(guān)兩端的電壓很小，甚至趨近于零;開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流為零。因此，晶體管的 耗散功率很小，從而提高了放大器的效率。

開(kāi)關(guān)模式功率放大器中的E類放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來(lái)改變開(kāi)關(guān)電壓的波形，使它在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的值和斜率均為零，從而降低了開(kāi)關(guān)的損耗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，一個(gè)串聯(lián)調(diào)諧L2C2電路將漏極與負(fù)載相連，一個(gè)旁路電容C接地。該旁路電容由晶體管寄生電容和另一個(gè)電容C1組成(該電容的作用是，當(dāng) 漏極存在電壓時(shí)，確保晶體管中無(wú)電流通過(guò))。要達(dá)到最佳性能，當(dāng)器件導(dǎo)通(并開(kāi)始產(chǎn)生電流)時(shí)不僅其漏電壓必須為零，漏電壓斜率也必須為零。這樣可保證來(lái) 自旁路電容的電流為零，從而也保證晶體管導(dǎo)通時(shí)漏電流為零。由于轉(zhuǎn)換中的漏、源電壓及漏電流均為零，因此該器件的功耗可忽略不計(jì)。

盡管E類放大器的效率從理論上可達(dá)到100%,但因抑制諧波需要較高的Q值，從而限制了其效率，這使漏電壓值低至0V,并且與時(shí)間的斜率為零。

3.高頻E類功率放大器測(cè)試電路設(shè)計(jì)

為了對(duì)高頻E類功率放大器進(jìn)行測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)試電路原理圖結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從圖中可以看出原理圖主要由主體芯片和它外圍模塊電路組成，其中外 圍電路有GSM(頻段位于800MHz的信號(hào))信號(hào)輸入模塊、DCS(頻段位于1800MHz的信號(hào))信號(hào)輸入模塊、電源模塊和信號(hào)輸出模塊。

3.1 測(cè)試電路

測(cè)試的E類手機(jī)功率放大芯片引腳布局如圖3所示，芯片從左上角以逆時(shí)針?lè)较蜷_(kāi)始依次是1到28引腳，其中 1,2,3,5,6,8,22,23,24,25,26,27,28號(hào)引腳直接接地，4,9,10,11,12在接地時(shí)接一個(gè)電容，13,14引腳接電 源，對(duì)于15,16,17,18,19 引腳它們分別對(duì)應(yīng)著CTR2,CTR1,CTR0,TXEN,RAMP.20,21引腳分別是DCS和GSM的信號(hào)輸入。

圖3 E類手機(jī)功率放大芯片引腳布局圖

整個(gè)測(cè)試電路的電源部分將為測(cè)試電路提供一個(gè)3.8V的直流電壓和1A的直流電流。經(jīng)過(guò)芯片功率放大后的信號(hào)將經(jīng)過(guò)輸出模塊流入頻譜分析儀，輸出模 塊能夠很好的去除放大后信號(hào)中存在的雜散信號(hào)從而保證了放大后信號(hào)的純度。對(duì)于DCS和GSM信號(hào)輸入，為了防止信號(hào)在輸入芯片前摻雜了其它交流雜散，在 輸入芯片前添加一個(gè)電容用來(lái)濾除不應(yīng)有的雜亂信號(hào)從而保證輸入信號(hào)的純度。

3.2 測(cè)試實(shí)現(xiàn)

測(cè)試過(guò)程中使用了可編程電源、信號(hào)源、脈沖發(fā)生器、頻譜分析儀等。它們將為測(cè)試電路提供工作條件以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。其中可編程電源將為測(cè)試電 路提供一個(gè)3.8V的直流電壓和一個(gè)1A的直流電流從而保證測(cè)試電路的正常工作。信號(hào)源將為功率放大芯片提供一個(gè)5dBm頻段分別在900MHz和 1800MHz下的輸入信號(hào)。(dBm即分貝毫瓦，功率與P(瓦特)換算公式：PdBm=30+10lgP 其中P:瓦;P:單位為dBm)。

測(cè)試DCS的時(shí)候讓信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5dBm,1.8GHz的信號(hào)，且讓脈沖電壓源給ramp提供0.45V低電壓或2.0V高電壓，其中TXEN和 chr1,chr2接高電平。測(cè)試GSM的時(shí)候讓信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5dBm,800MHz的信號(hào)且讓脈沖電壓源給ramp提供0.55V低電壓或2.2V高 電壓，其中TXEN和chr1接高電平，chr0接低電平。給定測(cè)試板初始條件后，讓輸出信號(hào)接到頻譜分析儀上觀測(cè)結(jié)果。