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功率放大器的输入、输出阻抗匹配的实现步骤

冬至子 来源:菜鸟硬件工程师小廖的成 作者:小廖 2023-06-30 14:39 次阅读

功率放大的输入、输出阻抗匹配的实现步骤

阻抗匹配电路决定了功率放大器输出至负载的最大功率,是功率放大器电路设计中重要的一个环节。

1、为了对功率放大器电路进行输出匹配,继续创建”PA_MATCH”的原理图,将”PA_BIAS”中的电路图进行复制

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2、从”Smith Chart Matching”元件面板中选择“DA_SmithChartMatch”控制器插入原理图中,如图所示。

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3、对SmithChart参数进行设置进行设置

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4、在原理图菜单栏“Tool”中选择“Smith Chart”,调出“Smith Chart Unity”并设置参数。

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5、根据第4步得到Smith Chart Utility

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对输入输出阻抗进行设置

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自动生成电路,选择最下边的Auto 2-Element Match按钮

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这时出现两种自动匹配的网络电路,选1种

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选中其中的一个,选中之后会发现Network Hierarch 里面的结构和以前不一样了,自动生成了匹配电路。

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返回原理图之后,选中DA_SmithChartMatch右击,选择push into Hierarch按钮,可以查看其内部电路。

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内部电路如下,可以看出它的匹配的电容和电感,以及它的结构,如下图所示。

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这样就完成了输出阻抗的匹配。

6、完成输出阻抗的匹配之后,还要继续进行输入阻抗的匹配。先看看仿真结果,双击S参数仿真控制器,对S参数仿真控制器进行设置。同时在Parameter栏中,在“Z-Parameter”前打勾,将Z参数扫描纳入仿真范围。

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7、仿真,显示,z(1,1)

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对要显示的数据,输入阻抗的实部和虚部,进行添加

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这个就是输入阻抗的仿真结果。

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7、进行输入阻抗匹配,从“Smith Chart Matching”元件面板中选择“DA_SmithChartMatch”控制器插入原理图中,组成的电路图如下。

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对参数进行设置

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用Smith Chart Utility进行计算

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这样就完成了输入阻抗的匹配

8、完成了输入输出阻抗匹配之后即可对电路参数进行扫描。

S参数及谐波平衡仿真

完成所有原理图电路的建立之后,就可以对功率放大器进行性能参数仿真了。

1、创建名称为“PA_S_HB”的原理图,insert->template选择HB1Tone,这个是谐波仿真模板。

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2、将“PA_MATCH”中的电路复制到“PA_S_HB”中。

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3、对HB仿真控制器进行设置,设置其扫描参数是RFpower,扫描范围是0~30dBm,步长为0.2dB.

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4、设置完成之后,进行仿真,得到下面的仿真图形。

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5、继续进行显示:a、[Rectangular Plot]按钮,插入一个矩形图,在弹出的“Plot Traces&Attributes”对话框中双击“Vout”,在弹出的对话框中选择“Fundamental tone in dBm over all sweep values”,单机[ok]按钮完成基波随输入功率变化的曲线。

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b、再插入一个矩形图,在对话框“Datasets and Equations”中选择“Equtions”,然后再下面的选择栏中双击“P_gain_transducer”

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c、继续添加两个矩形框,分别显示S(1,1)和S(2,1),分别对900MHz做标记,可见S(2,1)在900MHz时增益是12.67,而反射系数却达到-1.05,这个并不理想,因此还需要对电路进行优化设计。

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电路性能的优化

1、对电路进行优化设计,与之前一样,在原理图窗口中选择“Optim/Stat/Yield/DOE”元件,选择一个优化控制器插入原理图中,添加两个优化目标

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对两个优化目标进行设置

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2、将输入匹配的电感和电容分别改为L1和C1作为优化对象,同时在原理图中加入一个变量控制器,并进行设置,这些初始值都是最开始的初始值。

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3、进行优化仿真,更新数据之后进行仿真的结果如下:

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可以看到,经过优化之后,在900MHz时,S(1,1)和S(2,1)均有所提高,虽然S(2,1)没有达到20db,但是很接近20db。从频谱可以看出,功率放大器在900MHz时输出最大功率谱信号,1dB点输出功率达到30dBm,增益19.328dB。

好了,关于功率放大器就到这里了,内容有点多,从明天开始就要学习低噪声放大器的设计。

这里再来总结一下关于功率放大器设计的一个基本的过程:1、确定设计指标,选择工艺和模型,并添加到工程的库中;2、根据功率放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点,并进行稳定性分析;3、对电路进行设计,包括偏置电路的设计、阻抗匹配,这里要用到loadpull和source工具;4、对电路进行仿真,分析曲线并进行优化改进。

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