功放设计仿真的一般步骤

功放设计仿真的一般步骤

1、首先需要确定放大器的特性指标，并根据指标选定合适的功放管。

2、将厂家提供的晶体管模型库导入到ADS模型库中。

3、根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。

4、进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路等。

5、对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并得出结论。

6、优化功放电路结构和电路参数。

本次PA设计参数如下：

1  频率：960MHz

2  输出功率：10W

3  增益：18dB

4  效率：>30%

5  电源电压：28V

选择了飞思卡尔的功率管MW6S010N。

设计环境：使用软件ADS2009，安装了RF_POWER_ADS2009U1_DK（Designkit）安装飞思卡尔管子的Designkit。

1、  直流扫描

首先对LDMOS管进行直流工作点扫描。根据Datasheet上的指标，得到当偏置为VDD=28V，VGS=2.7V时，IDQ=125mA。仿真结果如图1所示。

  图1 功放直流扫描  

2、  偏置和稳定性分析

按照Datasheet设计功放的偏置电路[由于频率比较低，采用集总电感起到射频扼流的作用，用电容实现电源滤波

] ，然后，进行稳定性分析，从仿真结果图2，可见该器件在工作频段上绝对稳定，可以进行下一步的设计。

  图 2 稳定性分析  

3、负载牵引和源牵引

我们对功放进行负载牵引和源牵引，设定匹配点阻抗960MHz，通过反复修改源和负载阻抗值[利用负载牵引的找到最佳负载阻抗，并将负载阻抗的匹配网络代入源牵引中，找到最佳源阻抗，并作源匹配网络，并将找到的最佳源阻抗的匹配网络再代入负载牵引中，如是反复调整，来找到最终的最佳源阻抗和负载阻抗] ，最终得到收敛，输入功率为23dBm，输出的最大功率值为42.31dBm。负载阻抗为5.471+j*5.591, 源阻抗为1.737+j*3.593，仿真结果如图3和图4所示。

  图 3 负载牵引  

  图 4 源牵引  

有了源阻抗和负载阻抗，然后利用ADS中的SmithChart工具进行匹配网络[考虑到功放的工作频段和调试的方便性，采用传输线和集总元件混合匹配网络，在Smith圆图上生成匹配电路。整个电路采用微带线作为传输线来实现，使用聚四氟乙烯玻璃纤维板（εr=2.55，h=0.5mm）] 的设计。首先，我们要使靠近功放管的传输线宽度大于功放管的引脚宽度。其次，我们要进行共轭匹配，所以要把SmithChart中的阻抗改为与源阻抗和负载阻抗共轭。最后，匹配电路的Q值尽量小。输出匹配电路的Smith圆图如图5所示。最后，将理想器件换成器件模型得到最终的匹配电路并进行优化，如图6所示，S参数的图如图7所示。输入匹配电路也按照这种方法设计。见图8-10。

  图 5 输出匹配Smith圆图  

  图6 输出匹配电路  

  图 7 匹配电路S参数  

  图 8 输入匹配Smith圆图  

  图9 输入匹配电路  

  图 10 匹配电路S参数  

4、 谐波平衡仿真

现在可以把输入输出匹配电路与加了偏置电路的功放管连接起来，进行谐波平衡仿真。扫描输入功率为-30-30dBm，由图11可知，在输入功率为23dBm时的输出功率为42.2dBm、附加效率为57.549%、增益为19.2dB。

  图 11 电路参数  

将优化后的原理图封装成一个模型，调用HB1ToneFPswp模板，测试IMD3的值，仿真得到输入22dBm时的输出功率如图12所示。

  图12 HB1Tone频率扫描  

然后进行HB2Tone仿真，由于只要求输出功率为10W，根据前面的仿真结果，功放在工作频段内增益为18dB，所以设置输入功率为22dBm；频率扫描为900MHz～1000MHz，双音间隔设置为100KHz。

  图13 HB2Tone频率扫描  

5、印刷电路版图

后面的工作就是将原理图生产印刷电路版图，自动生产的版图不符合我们的要求，我们需要自己进行调整。调整好后将文件导出成Gerber文件，然后再导入到Cam350中。完成的电路图如图14。

  图14 印刷电路版图  

板子加工完毕之后，就是调试的过程了。调试可能是个折中，妥协的过程，其涉及的方方面面就不在这里详述了。以仿真值搭建的电路不一定在实际测试中能达到仿真软件中的效果，但是正确的仿真却一定能为设计和调试指明方向。