功放設(shè)計仿真的一般步驟

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。

4、進行功率放大器的電路設(shè)計，包括阻抗匹配、偏置電路等。

5、對所設(shè)計電路進行仿真，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LDMOS管進行直流工作點掃描。根據(jù)Datasheet上的指標(biāo)，得到當(dāng)偏置為VDD=28V，VGS=2.7V時，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，用電容實現(xiàn)電源濾波

] ，然后，進行穩(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穩(wěn)定，可以進行下一步的設(shè)計。

圖 2 穩(wěn)定性分析

3、負載牽引和源牽引

我們對功放進行負載牽引和源牽引，設(shè)定匹配點阻抗960MHz，通過反復(fù)修改源和負載阻抗值[利用負載牽引的找到最佳負載阻抗，并將負載阻抗的匹配網(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 負載牽引

圖 4 源牽引

有了源阻抗和負載阻抗，然后利用ADS中的SmithChart工具進行匹配網(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。整個電路采用微帶線作為傳輸線來實現(xiàn)，使用聚四氟乙烯玻璃纖維板（εr=2.55，h=0.5mm）] 的設(shè)計。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，我們要進行共軛匹配，所以要把SmithChart中的阻抗改為與源阻抗和負載阻抗共軛。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。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模型，調(diào)用HB1ToneFPswp模板，測試IMD3的值，仿真得到輸入22dBm時的輸出功率如圖12所示。

圖12 HB1Tone頻率掃描

然后進行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，自動生產(chǎn)的版圖不符合我們的要求，我們需要自己進行調(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際測試中能達到仿真軟件中的效果，但是正確的仿真卻一定能為設(shè)計和調(diào)試指明方向。