MESFET功率放大器设计：小信号法

第七讲功率放大器设计

MESFET 功率放大器设计：小信号法

基本工程问题: 没有大信号器件模型,怎样设计功率放大器?

*许多器件供应商不提供其器件的大信号模型.

*通常提供的唯一设计数据是器件的小信号S参数和静态IV曲线.

*利用前面STEVE CRIPPS 介绍的负载线法,根据这些数据足以设计第一类的功率放大器.

功率放大器是大信号器件，因为在接近功率饱和时其特性呈现非线性。但许多场合，设计师仅有一组小信号S参数，在电路仿真时，作为表示有源器件的根据。由于这些S参数只适用于小信号，在大信号时怎样设计最大射频输出功率和线性，并不清楚。Steve Cripps 提出一种方法，可以用器件的静态IV曲线确定大信号负载线阻抗（RL），设计第一类放大器。RL用做目标阻抗，即用输出匹配电路表示的管子漏极负载。用该方法设计师可以对RF 最大输出功率优化输出电路，同时对最佳输入匹配和最大增益优化输入电路。通常输出匹配较差，这是因为为了输出最大RF功率，有意造成一定失配（即：输出匹配对RL优化，而不是对器件的S22优化）。

该方法的局限性

*仅对最大Psat优化

*仅对A类和AB类工作状态有效

*无法计算交调产物：IM3，IMR5，IP3

*无法计算谐波电平

*无法计算ACPR（对数字调制）

小信号设计技术有其局限性。输出电路对最大RF饱和功率优化，但不一定对最大线性功率。就是说无法直接计算1dB压缩点输出功率。而且也无法直接计算放大器的二音交调性能：IM3，IM5，IP3和IP5。为了计算这些重要参数，设计师必须依靠测量法或“经验（rules of thumb）”。MESFET放大器的两个重要“经验”是：

*P-1dB比Psat约低1dB。

*IP3比P-1dB约高10—12dB。

论题：

用小信号法求解最大功率

*设计流程图（步骤）

*指标

*选择器件

*由IV曲线计算负载线电阻

*匹配网络

*分布参数与集总参数

*仿真：增益，输入匹配和输出匹配

*提取封装参数

*使输出功率最大：匹配负载线电阻

*用K因子衡量放大器的稳定性

基本设计流程图：

设计步骤：

依据级连放大器链的要求选择器件。保证整个放大器链同时平滑地进入饱和区。没有任意一级先饱和。

*根据频率，带宽，成本目标和经验选择匹配电路结构。

*根据工作类型和电源要求选择偏置电路。MESFET要求偏置电路提供负栅压。对于高线性电路，推荐使用A类工作。在A类工作时，直流漏极电流应为器件Imax的1/2。

*对增益和输入匹配优化输入电路。

*确定器件静态IV曲线负载线。

*提取封装寄生元件，它们将是整个输出匹配电路的一部分。

*优化输出匹配电路达最佳值RL（这是达到RF输出功率最大的条件）。

*若需要，增加电路元件，保证宽带无条件稳定。

小信号设计流程图:

小信号设计过程说明：

使用器件的小信号S参数仿真和优化增益和输入匹配电路。

使用器件的IV曲线确定负载线RL。为使输出功率最大，用RL表示器件的“内部”漏极负载，以此作为输出匹配电路的“目标”。该法以基本网络理论为基础，如果一个网络对一个复阻抗提供良好匹配，则网络的输出阻抗等于负载阻抗的复数共轭值。现在的负载阻抗是纯实数RL，所以最佳输出匹配电路反映到器件漏极负载的阻抗是RL的复数共轭值，即RL，因为负载阻抗的虚部为零。

根据MESFET管IV曲线，计算最大RF功率输出时的负载线RL

产生最大RF功率的合适输出阻抗可由测试确定，也可用图解管子的静态IV曲线得到。

负载线电阻RL必须用输出匹配电路表示的管子输出负载来表示。为得到最好线性，应在线性最好的A类工作状态下，选择负载线。通过最大化放大器的线性，可做出最适合于数字调制工作（如CDMA或TDMA）的放大器。

计算负载线电阻

在A类工作中，以输出功率为函数，偏置条件为参量（Vb-Vs）计算RL，

RL=SQR（Vb-Vs）/2Pout

在IV图中表示出依输出功率求RL的公式。仅由要求的输出功率和预计的漏源电压就能直接求得RL。

负载牵引实验表明，除了考虑纯负载线电阻外，还必须考虑匹配一个小电抗，即与RL 并联的电容Cds。Cds值已由实验得到，约每毫米栅宽0.10PF。

计算最小击穿电压与RL的关系:

在器件可靠的前提下,击穿电压是确定GaAs MESFET器件偏置电压和最大输出功率的关键参数。

在设计功率放大器时，器件可靠性是一个非常重要的因素。器件结合点间的雪崩击穿是器件非热失效的主要原因。本节讨论击穿电压与偏置条件和RF信号电平间的关系。先分析该重要论题的条件和考虑因素。

在一组偏置电压下，为了得到最大输出功率，设计A类GaAs MESFET功率放大器时，必须为管子的漏-源端提供最佳负载线电阻。该电阻很容易用图解法从静态IV曲线得到。

如果管子输出端接的不是最佳负载电阻，会怎样呢？如负载电阻小于最佳值，RF输出电压峰值会减小，降低了击穿失效的危险。但如果负载电阻大于最佳值，RF输出电压将提高，就增加了击穿的危险。上图标出了RL，输出功率和击穿电压的关系。

对指标仿真的可行性

选管：

选用Fujitsu FLL351ME管，它可提供11dB增益，+35dBm输出功率。适用于各种移动电话和PCS基站放大器的输出级。上图有其静态IV曲线。

上图是FLL351ME的小信号S参数，必须将其读入仿真器，计算增益，匹配和稳定因子K。

Fujitsu FLL351ME推荐电路如图。电路是分布参数电路，用Er=9.7，厚0.65mm的介质电路板制成。该电路用于证明FLL351ME在某频率（2.3GHz）提供增益和输出功率的能力。我们以此电路开始小信号设计过程。

根据FLL351ME数据表中的IV曲线，利用公式取得RL值。