小信号法设计MESFET功率放大器.pdfVIP

第七讲 功率放大器设计 MESFET 功率放大器设计：小信号法 作者： Al Sweet 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CD