基于ADS的高效率功率放大器设计与仿真-兰辉-电子工程学院

基于ADS的高效率功率放大器设计与仿真

兰辉

（电子科技大学集成电路与系统 四川成都 611731）

【摘要】在无线通信系统设计中，功率放大器的效率和线性度影响整个系统的性能。本文对Doherty技术原理进行了介绍，利用ADS2009设计3.4G-3.6G的高效率线性功率放大器，采用Cree公司的CGH35060功放模型搭建doherty末级功放，驱动功放采用Nitronex公司的NPTB00004晶体管。同时对电路进行仿真及优化。

关 键 词 高效率； doherty ；功率放大器

1引言

随着3G、4G时代的来临,为了提高数据传输速率和频谱利用率，现代移动通信多采用了线性调制方式和多载波技术，导致信号的峰均比越来越高，系统效率低下，系统的耗能问题受到越来越多的重视。射频功率放大器作为最重要的耗能元件,在整个无线通信系统中的耗能占了很大比重,追求更高的功放效率已经成了设备制造商们的重要目标。Doherty技术同其他技术相比,有着结构简单、成本低廉、对系统线性度影响相对较小并且极其适用于高峰均比的现代无线信号高效率传输的优点,因此已经成为现代无线通信放大器设计中最有商用前景的技术。利用ADS的晶体管模型，可以极大的节约设计与调试时间。

2.高效线性功率放大器设计要求

射频输出频率：3.4GHz-3.6GHz。输入信号为PAR信号，平均输入功率15dBm，PAR=6.5dB，平均输出功率不小于40dBm。效率大于41%@Pout=41dBm。ACLR经过预失真处理后优于-45dBc。本次设计采用两级放大器级联结构。驱动功放采用Nitronex公司的NPTB00004晶体管，平均输出5W，末级功放采用Doherty结构，使用Cree公司的CGH35060功放模型搭建。

3.高效线性功放设计理论

3．1 Doherty原理

Doherty结构由2个功放组成：一个主功放，一个峰值功放，主功放工作在AB类，辅助功放工作在C类。主功放一直工作，峰值功放到设定的峰值才工作。主功放后面90°的四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90°相移。如图1所示。

图1 Doherty放大原理

假如主功放工作在B类，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到78.5％。如果这时候将激励加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的78.5％，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作（C类，门限设置为激励信号电压的一半）。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为

辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大（流过负载的电流变大了）。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个B类功放的效率。单个B类功放的最大效率78.5％出现在峰值处，现在78.5％的效率在峰值的一半就出现了。所以这种系统结构能达到很高的效率（每个放大器均达到最大的输出效率）。

主功放RsZT,阻抗匹配线4I1RLZT1,阻抗匹配线4I2辅助功放R负载50欧姆

图2有源负载牵引

对于具体的Doherty架构分析，辅助功放等效于电流源2，主功放等效于电流源1，在小信号输入时，主功放工作，辅助功放不工作。此时主功放视在阻抗为R。当辅助功放开启时，理论上讲，I1与

I2同相，RL变大，由四分之一阻抗变换特性可知主功放负载阻抗Rs减小，由于电压饱和，而电流继

续增大，使得主功放输出功率继续增大，功放继续保持一个较高的效率。

3.3 offsetline设计思想

由于实际工作中，在小信号时，峰值功放的视在阻抗并不是无穷大，主功放的信号会泄露到峰值功放，因此在峰值功放匹配后面加一段调试微带线，通过调试，使其视在阻抗尽量的大。同时，为保证相位一致，在主功放输入匹配前加入相同长度的微带线。

Offsetline微带线在功放的设计中必不可少，对于Doherty功放而言，它主要实现的功能有三个。一是相位对齐，二是在辅助功放未开启时，使得辅助功放的视在阻抗接近无穷大（实际测试时不可能做到很大，一般几百欧姆即可），三是在主功放后面实现Ropt到50欧姆的匹配与2Ropt到100欧姆的匹配。下面分别对其进行介绍。

一，辅助功放匹配电路后添加补偿微带线

仿真是可以通过对辅助功放的在所在频段进行S参数仿真，看其S22参数是否趋于无穷大。

二，主功放匹配电路后添加补偿微带线

如图3所示，补偿微带线要实现从50欧姆经过匹配网络匹配到Ropt，同时还要实现从100欧姆经过同一个匹配网络匹配到2Ropt。要实现这种可能性，补偿微带线必须要特性阻抗为50欧姆，这样相当于50欧姆匹配到Ropt时，不需要考虑补偿微带线的阻抗问题了。这为实现这种功能提供了可能性，同时，这也是主功放补偿微带性的精髓所在。

匹配网络补偿微带线主功放1nF4阻抗变换线ROPTOPT50100

2R图3主功放补偿微带线原理

三，功放输入端匹配网络前加入补偿微带线

该补偿线作用是使相位对齐，使得在Doherty二路信号结合处，相位一致，相位一致时，输出功率最大。

3.4 指标说明

3.4.1 功率增益

放大器的功率增益(Power Gain)有几种不同的定义方式，在这里只介绍工作功率增益，它定义为负载吸收的功率与放大器的输入功率之比。

3.4.2 功率附加效率(PAE)

功率附加效率是指射频输出功率和输入功率的差值与供给放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率转化为射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。

PAEPOUTPINPDC （1）

3.4.3 1dB功率压缩点(P1dB)

当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。1dB压缩点为放大器线性增益和实际的非线性增益之差为1dB的点，换句话说，它是放大器增益有1dB压缩的输出功率点。

4 设计步骤

4.1 静态工作点的确定

在晶体管的Datasheet中，给出了漏极(D)的工作电压和电流，因此，需要通过仿真和测试得到栅极(G)电压。在ADS中导入NPTB0004的模型库，建立直流仿真电路，图4就是通过对晶体管NPTB0004进行直流仿真所获得的伏安特性曲线。

图4 直流仿真

与NPTB0004的Datasheet给出数据相比，本例所仿真出来的静态工作点和Datasheet给出数据较接近，并且得到了栅极电压(VGS=-1.4V)。同样的仿真CGH35060得到主功放栅压=-3.8V，辅助功放栅压=-6V。

4.2 稳定性分析和偏置电路

要使晶体管可靠的工作，必须使晶体管在工作的频段内稳定。这一点对于射频功放是非常重要的，因为它可能在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。因此要对功率管在ADS的环境中进行稳定性分析，结果显示NPTB0004,CGH35060在3.4GHz-3.6GHz均绝对稳定。

4.3 输入/输出匹配设计

确定静态工作点和稳定电路后，需要对晶体管的输入和输出进行匹配设计，在本例功率放大器的设计中，NPTB0004采用Datasheet推荐的输入，输出阻抗进行仿真，仿真结果良好。为了使器件工作在最佳状态，采用负载牵引和源牵引相结合的方法来设计CGH35060输入/输出匹配网络。通过在ADS中进行负载牵引和源牵引仿真找出在输出，效率，增益的平衡点。首先，利用Datasheet的推荐值将推荐输出阻抗加入到功率放大电路中进行源牵引仿真，然后，进行负载牵引仿真找出最佳负载阻抗来设计输出匹配电路，不断的迭代，直到找到理想的输入，输出阻抗点。

图5 源负载牵引仿真

最后确定输出阻抗7.051+j·6.221,输入阻抗5.625-j·31.610，作为CGH35060的匹配值。

5仿真分析

5.1 AB类

AB类功放50Ω，100Ω时增益效率输出曲线如下图：

图6 AB类指标仿真

图中m7为100Ω时1db压缩点43.210dbm。m11为50Ω时1db压缩点46.005dbm。m10为最大效率100Ω时点Pae=63.785%。m1为100Ω时1db压缩点出的效率57.236%，为后面的调试留了足够的余量。

5.2 Doherty结构阻抗值及相位仿真

图7 阻抗及相位仿真

由仿真可知，辅助功放开始输出阻抗很大，主功放输出阻抗为100Ω左右，随着输入增大，在输出为43.5dbm左右，辅助功放开启，主功放的视在阻抗减小。到饱和时辅助功放，主功放视在阻抗分分别为56.6Ω,53.59Ω。饱和时相位基本一致，基本满足理论要求。

5.3效率及输出功率仿真

图8 效率仿真

图中m6点主功放饱和输出43.412dBm，效率54.129%。m8点为doherty饱和输出49.273dbm,效率55.750%。满足在功率回退6dB的情况下，效率维持较高的水平。

5.4带内波动仿真

测试范围为100MHz,在100MHz带宽内，通过微调输入匹配，在不影响输出功率及效率的情况下，带内波动1.3，基本满足要求。

5.5测试结果、

设计的电路板如下图所示：

图9 PCB板图

70656055功率附加效率(%)5045403530155 30323436384042444546474850输出功率(dBm)

图10效率测试图

从图中看出，在输出41dBm时，效率41%左右，饱和输出48.4dBm,回退6.5dB,仍然输出40dBm以上。

图11 ACLR指标

在2.45GHz，平均输出40.82dBm时，经过预失真处理后ACLR优于-45dBc。

6结束语

本文利用负载牵引和源牵引相结合的方法设计功率放大器，可以快速设计既满足输出功率又满足附加效率要求的方法，可以方便和加快产品的开发，降低成本。在仿真上，需要留了足够的余量，以保证实物的调试。同时，在设计上，还需考虑与晶体管相连的微带线的宽度与长度，以及调试的空间的大小,以及后续调试阶段，一般先调输出匹配，得到较好的饱和输出功率，效率。然后调输入，可调节增益，以及增益平坦度等指标。

参 考 文 献

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Analysis of high-efficiency power amplifier based on ADS

Lan Hui

(School of Electronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of

China Chengdu 610054)

Abstract In the design of the wireless communication system, the power amplifier efficiency and linearity affect the performance of the entire system. this article introduced the technical principles of Doherty.and use the ADS2009 to design 3.4G-3.6G high efficiency linear power amplifier. Using CGH35060 amplifier tube model build the doherty amplifier.Meanwhile,the driver amplifier using the the Nitronex company’s NPTB00004 transistor.And get circuit simulation and optimization. Index requirements:

Key words high efficiency; doherty; power amplifier