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无线设计中LNA和PA的基本原理 之 功率放大器篇

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发表于 2019-7-8 17:56:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
我们接着介绍无线设计中的功率放大器。功放在无线系统中至关重要,一方面它消耗非常多的能量,对整个系统的供电及散热设计影响巨大;另一方面,其信号强度及质量决定着通信的距离和速率。因此,功放相比于低噪放有更多的设计考虑。

PA关键指标考量

与LNA 困难的信号捕获挑战相反,PA 则是从电路中获取相对强的信号,具有很高的SNR,且必须用来提高信号功率。与信号有关的所有通用系数均为已知条件,如幅值、调制、波形、占空比等。

PA 的主要参数为相关频率下的功率输出,其典型增益在+10 至+30 dB 之间。能效比是PA 参数中仅次于增益的又一关键参数,但是使用模型、调制、占空比、允许失真度以及受驱信号的其它方面会使任何能效评估变得复杂。PA 的能效在30 到80% 之间,但这在很大程度上是由多种因素决定的。线性度也是PA 的关键参数,与在LNA 一样用IP3 值判定。

尽管许多PA 采用低功耗CMOS 技术(最高约1 至5 W),但在最近几年里,其它技术业已发展成熟并被广泛应用,在考虑将能效作为电池续航时间和散热的关键指标的更高功率水平的情况下,尤其如此。一般而言,在需要几个Watt或更高功率的情况下,采用氮化镓(GaN) 的PA ,在更高输出功率和频率(典型值为1 GHz)下具有更优的能效。尤其是考虑到能效和功率耗散时,GaN PA 极具成本竞争力。

器件实例

Cree/Wolfspeed CGHV14800F(1200 到1400 MHz,800 W 器件)是最新的一些基于GaN 的PA 代表。这种HEMT PA 的能效、增益和带宽组合对脉冲L波段雷达放大器进行了优化,使设计人员能够在诸如:空中流量管制(ATC)、天气、反导和目标跟踪系统等应用中找到许多用途。使用50 V电源,可以做到 50%及更高的典型能量转换效率,并采用10 ×20 mm 陶瓷封装,带有用于散热的金属法兰(如下图1)注意:出于机械和热完整性考虑,安装法兰时将封装旋紧(不焊接)到印刷电路板。
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图1:CGHV14800F 1200 至1400 MHz,800 W,GaN PA 具有金属法兰的10 ×20 mm 陶瓷封装必须同时满足困难的射频和散热要求。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

CGHV14800F 采用50 V 电源供电,通常提供14 dB 的功率增益,能量转换效率> 65%。与LNA 一样,评估电路和参考设计至关重要(图2);除了器件本身之外,为CGHV14800F PA 提供的演示电路需要的元器件非常少,但物理布局和散热考虑很关键;考虑安装完整性和热目标,PA 通过封装法兰以螺钉和螺母(在底部,不可见)固定到板上。

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图2:CGHV14800F 评估板(图片来源:Cree/Wolfspeed)

许多规格表和性能曲线中同样重要的是功率耗散降额曲线(图3)。该曲线显示了可用的功率输出额定值与外壳温度的关系,指示最大允许功率是恒定的115°C,然后线性减小到150°C 的最大额定值。由于其在输送功率方面的作用,需要使用PA 降额曲线向设计人员显示允许输出功率随着外壳温度的升高而降低,以便在设计中提供足够的散热设计。可以看到,额定功率在115⁰C 之后迅速下降。
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图3: 功率耗散降额曲线(图片来源:Cree/Wolfspeed)

作为市场中另一个重要的玩家,MACOM 还提供了基于GaN 的PA,例如NPT1007 GaN 晶体管(图4)。其DC至1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频应用。该器件通常以14 到28 V 之间的单电源工作,可在900 MHz 提供18 dB 的小信号增益。该设计旨在耐受10:1 SWR(驻波比)不匹配,且不会发生器件退化。设计人员还通过各种负载牵引曲线获得额外的设计支持。
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图4:MACOM 的NPT1007 GaN PA。(图片来源:MACOM)

除了显示500、900和1200 MHz 时性能基础的图外,NPT1007 还支持各种“负载牵引”曲线(图5);曲线给出了,器件在超出了最小/最大/典型规格标准表,以在其负载阻抗偏离其标称值(初始生产公差以及热漂移会导致实际使用中出现这种情况)时PA所展现的性能。这可以确保设计人员获得稳定的产品级别电路设计。

阻抗牵引测试,要求看到被测设备(DUT) 的阻抗变化,以评估PA 的性能(包括诸如输出功率、增益和能效等因素),因为所有相关的元器件值可能由于温度变化或由于围绕其标称值的公差带内的变化而改变。通常使用成对信号源和信号分析仪(频谱分析仪、功率计或矢量接收器)完成。
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图5:NPT1007 PA 的负载牵引图(图片来源:MACOM)

无论使用哪种PA 工艺,器件的输出阻抗均必须由供应商进行充分特征化、参数化,使一般设计人员能将该器件与天线正确匹配,实现最大的功率传输并尽可能保持SWR 一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成,并且可实现为分立器件,或者制造为印刷电路板甚至产品封装的一部分。其设计还必须维持PA 功率水平。再次重申,史密斯圆图等工具的使用,是理解并进行必要的阻抗匹配的关键。

散热考虑

鉴于PA 较小的芯片尺寸和较高的功率水平,封装对PA 来讲是一个关键问题。如前所述,许多PA 通过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热,作为到印刷电路板铜皮的路径。在较高功率水平(约高于5 至10 W),PA 可以有铜帽,使散热器可以安装在顶部,并且可能需要风扇或其它先进的冷却技术。

GaN PA 相关的额定功率和小尺寸意味着对热环境建模至关重要。当然,将PA 本身保持在允许的情况或结温范围内是不够的。从PA 散去的热量不能给电路和系统其它部分带来问题。必须考虑处理和解决整个热路径。

总结

从智能手机到VSAT 端子和相控阵雷达系统等基于射频的系统正在推动LNA 和PA 性能的极限。这使得器件制造商不再局限于硅,而是探索GaAs 和GaN 以提供所需的性能。

这些新的工艺技术为设计人员提供了带宽更宽、封装更小、能效更高的器件。不过,设计人员需要了解LNA 和PA 运行的基础知识,才能有效地应用这些新技术。

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