摘要：研究了 F類射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理，并設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻段為405 ~ 415 MHz、輸出功率為30 dBm、功率附加效率達(dá)到65%的高效率低諧波失真的F類對(duì)講機(jī)功率放 大器。為了達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)采用了一些特殊的方法，包括采用兩級(jí)單端結(jié)構(gòu)功率放大器結(jié) 構(gòu)、F類功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并針對(duì)諧波失真過大進(jìn)行了片外濾波器的設(shè)計(jì)，有效地濾除 了諧波（各階諧波小于-69 dBc)。最后采用2pmGaAsHBT工藝F類對(duì)講機(jī)功率放大器，經(jīng)過對(duì) 實(shí)際芯片的測(cè)試證明結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：F類射頻功率放大器；單端結(jié)構(gòu)；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；諧波失真；片外濾波器
中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-353X (2009 ) 03-0295-04
Design and Realization of High Efficiency Class F Power Amplifier for
Interphone Application
Nan Jingchang, Liu Lei
(School of Electrics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Hidudao 125105, China)
Abstract: Circuit structure and working principle of the Class F power amplifier were presented，a high efficiency and low THD power amplifier for interphone application was designed, working at 405-415 MHz, output power 30 dBm，and PAE 65 %，some special methods were used in the design，including the two-stage single end structure power amplifier, output match net of Class F power amplifier, and the design of out of chip filter for big THD，disposing the THD effectively (THD is under - 69 dBc) . At last，the Class F power amplifier is implemented with 2 pm GaAs HBT technology. After testing of the real chip，it proves the results fulfill the design goal.
Key words： Class F power amplifier; single end structure; output match net; THD; filter out of chip
EEACC： 1220
o引言
無線電對(duì)講機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，即時(shí)溝通、一 呼百應(yīng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)營(yíng)成本低、不耗費(fèi)通話費(fèi) 用、節(jié)約使用方便，同時(shí)還具有組呼通播、系統(tǒng)呼 叫、機(jī)密呼叫等功能。在處理緊急突發(fā)事件中，在 進(jìn)行調(diào)度指揮中其作用是其他通信工具所不能比擬 的。無線電對(duì)講機(jī)和其他無線通信工具（如手機(jī)）
其市場(chǎng)定位各不相同，難以互相取代，還將長(zhǎng)期使 用下去。數(shù)字通信可以提供更豐富的業(yè)務(wù)種類、更 好的業(yè)務(wù)質(zhì)量、更好的保密特性、更好的連接性和 更高的頻譜效率⑴。
功率放大器的設(shè)計(jì)對(duì)于對(duì)講機(jī)的性能有著重要 的影響。針對(duì)對(duì)講機(jī)對(duì)飽和輸出功率、功率附加效 率、諧波失真等幾個(gè)特性指標(biāo)要求較高的特點(diǎn)，設(shè)
計(jì)采用F類功率放大器工作模式來提高效率，針對(duì) 設(shè)計(jì)過程中諧波失真過大的問題，提出了一種諧波
最后采用2 [im GaAs HBT工藝實(shí)現(xiàn)了高效率F類對(duì) 講機(jī)功率放大器。
1 F類功率放大器工作原理
F類功率放大器使用輸出濾波器對(duì)晶體管集電 極電壓或者電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體 管集電極的電壓波形或者電流波形，使得它們沒有 重疊區(qū)，減小開關(guān)的損耗，提高功率放大器的效率。
如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)占空比為50%的方波信 號(hào)，晶體管可近似作為一個(gè)理想開關(guān)，集電極看到 的基頻阻抗為Rl’高階奇次諧波阻抗為無窮大，而 高階偶次諧波阻抗為0。因此晶體管集電極的電壓
波形中將包含有各奇次諧波成分，它是一個(gè)理想的 方波。由于晶體管集電極看到的各高階奇次諧波阻 抗為無窮大，而各高階偶次諧波阻抗為0，因此流 過開關(guān)的電流中僅包含有基頻頻率成分和各髙階偶 次諧波成分。在傳統(tǒng)功率放大器分析中，巳經(jīng)知道 B類放大器中流過輸出晶體管的電流就僅具有這些 成分，因此F類放大器流過開關(guān)的電流波形與B類 放大器的電流波形一樣，也是半個(gè)周期的正弦波。 流過開關(guān)電流中的基頻成分在負(fù)載Rl上產(chǎn)生輸出功 率，而其他髙階偶次諧波成分則由LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò) 短路到地，因此負(fù)載上的電壓波形和電流波形都是 理想的正弦波，沒有諧波損耗[2]。
晶體管集電極電壓的峰值為2Fd。，基頻成分的 幅度為
n - 7 ^dc (1)
如果流過開關(guān)的電流峰值為/pk，則這個(gè)電流中 的基頻成分和直流成分分別為
/1=孕
晶體管的寬度應(yīng)根據(jù)最大電流要求/-來確定。 而優(yōu)化負(fù)載阻抗值為 R
op,_ A、/pk F類放大器的輸出功率為
^out 一 兀 ^dc ,pk
電源提供的直流功耗為
^dc _ ^dc ^dc —兀 ^dc ^pk 一 ^out
因此理想F類放大器的效率為100%。
F類放大器的功率利用因子為
設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于高效率、低諧波的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因 此電路采用了開關(guān)模式功率放大器中的F類工作模 式，并對(duì)諧波進(jìn)行了優(yōu)化。圖2為F類功率放大器 輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。
為了滿足輸出功率iw的設(shè)計(jì)指標(biāo)，輸出阻抗 7?一選擇5£1。由于要提高效率，設(shè)計(jì)的輸出網(wǎng)絡(luò)為 F類功率放大器采用的輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的特點(diǎn)是：晶體管工作時(shí)，在高階奇次諧波頻率處, 從晶體管漏端看到的高階奇次諧波阻抗為無窮大， 即開路；在高階偶次諧波頻率處，從晶體管漏端看 到的髙階偶次諧波阻抗為0，即短路。圖3為輸出匹 配網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，輸出網(wǎng) 絡(luò)對(duì)二次諧波進(jìn)行了濾除，二階諧波的阻抗很小, 接近Ofl;三階諧波的阻抗很大，可視其為無窮大, 滿足設(shè)計(jì)的理論要求。
圖3輸出匹配網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果 Fig.3 Simulation results of output matching
3電路仿真與諧波優(yōu)化
本次設(shè)計(jì)采用Agilent公司的ADS軟件對(duì)電路進(jìn) 行了仿真和優(yōu)化，晶體管采用2 pm GaAs HBT工藝 的Guramel-Poon模型，這里不再對(duì)模型的建立與參 數(shù)的提取進(jìn)行討論，把重點(diǎn)放在仿真的結(jié)果和電路 的優(yōu)化方面[4]。對(duì)以上設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真后得到以 下結(jié)果，雖然在輸出功率、增益和效率方面已經(jīng)滿 足設(shè)計(jì)要求，但是諧波失真仍然較大，不能滿足設(shè) 計(jì)要求。所以，這里對(duì)諧波失真進(jìn)行了優(yōu)化，在片
它的最大輸出功率比A類放大器高約1.05 dB[3]。
2電路設(shè)計(jì)
為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，電路采用兩級(jí)單端功率放 大器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖1為功率放大器結(jié)構(gòu)框圖。
4版圖設(shè)計(jì)
版圖設(shè)計(jì)使用Cadence公司的軟件工具Virtuoso。 器件采用THQuint公司提供的2 fim GaAs HBT工藝。 其中放大電路中使用的晶體管采用射頻模型，這樣 可以提高設(shè)計(jì)射頻電路的準(zhǔn)確性。
對(duì)于一個(gè)單片集成射頻功率放大器，良好的版 圖設(shè)計(jì)十分重要。因?yàn)橥ㄟ^并聯(lián)HBT管的電流很 大，HBT管特性微小的不同，或者位置放置的微小 差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致在個(gè)別管子不平衡的熱效應(yīng)。在此設(shè) 計(jì)中，把管子畫成一排來平衡輸人、輸出相位補(bǔ)償。 為了減少耦合，射頻線的距離不應(yīng)太近，最好可以 用直流線隔開。兩級(jí)管子不要共用一個(gè)地孔，因?yàn)?地孔到襯底的耦合效應(yīng)等效為電感，使兩級(jí)管子之 間產(chǎn)生反饋，嚴(yán)重影響功率放大器的性能。片上螺 旋電感和走線要采用上層金屬，可以減少電阻線本 身的寄生電阻，同時(shí)減少襯底與電感之間的電磁場(chǎng) _合在襯底中引入的損耗[5]。設(shè)計(jì)規(guī)則要嚴(yán)格按照 THQuint公司提供的設(shè)計(jì)手冊(cè)要求。電路版圖面積為 560 fxm x 540 fim0
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
為了測(cè)試芯片的性能，需要對(duì)PCB測(cè)試版進(jìn)行 細(xì)致的設(shè)計(jì)，防止測(cè)試時(shí)對(duì)芯片性能產(chǎn)生影響。射 頻電路PCB的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電磁兼容性，在這里主要 討論一下板材的選擇和一些重要走線的處理方法， 并應(yīng)用Protel 99 SE對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
印制電路板的基材主要有有機(jī)類與無機(jī)類兩大 類，而基材中最重要的性能是介電常數(shù)，它影響電 路阻抗及信號(hào)傳輸速率，對(duì)于高頻電路，介電常數(shù) 公差是首要考慮的更關(guān)鍵因素，應(yīng)選擇介電常數(shù)公 差小的基材[6]。本設(shè)計(jì)中采用的是RF-4板材，2層 板，板厚1mm。射頻走線要遵循50 傳輸線的設(shè)計(jì) 原則，對(duì)于不同板材，可以用Appcad軟件來計(jì)算線 寬和線到地距離，在滿足射頻走線為50 fl的條件 下，走線線寬為40 mm，線到地距離30 mm,同時(shí)在 射頻線兩側(cè)要盡量多的打上地孔，位置靠近傳輸線 但不超出地銅箔，意在利用多層銅箔通過過孔并聯(lián) 獲得較低阻抗和較短的高頻電流傳輸路徑。
圖6為電源電壓為3.6 V時(shí)實(shí)際芯片的測(cè)試結(jié) 果，從圖中可以看出工作頻率為410 MHz時(shí)輸出功
6結(jié)論
本文簡(jiǎn)要介紹了 F類射頻功率放大器的工作原 理，設(shè)計(jì)了一個(gè)電源電壓為3.6 V，工作頻段為405 -415 MHz,輸出功率為30 dBm的F類對(duì)講機(jī)功率 放大器，在諧波失真較大時(shí)提出了一種優(yōu)化的方 法，明顯改善了諧波失真。功率放大器的工藝采用 2 GaAs HBT工藝。功率放大器電路采用Agilent 公司的ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，并給 出了仿真結(jié)果；采用Cadence公司的軟件工具 VirtuosoS版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終給出實(shí)際芯片的測(cè) 試結(jié)果，其中在410 MHz的工作頻率下，輸出功率 為30 dBm,增益為22 dBm，功率附加效率為66%， 各階諧波均小于-69 dBm,完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
