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论文研究-基于LDMOS器件的F类功率放大器设计 .pdf 评分

基于LDMOS器件的F类功率放大器设计,伊晓萌,曹建文,本文设计了一种工作在1.8GHz的F类功率放大器,使用LDMOS晶体管作为有源器件以便产生高功率和高效率。F类放大器通过对不同的谐波进行��
山国武技记又在线 http://www.paper.edu.cn sin 6 +cos 20=+1/8 最小化 令上式得零得到 l/82=0.3535 0.707 对于0=1,2=22/4=0.35=2。所以对于基波的波形系数为 1.414 2次谐波幅度为 22/4 2%/22 峰值电压为 因此 2+1+2/4 352 22-2914 2 3次诣波的系数可以用类似的方法求出,5次湝波次数的系数可以利用计算机辅助计算,而 4次系数要通过退化数值算法来求得 最终结果系数见表1和表2,对应的波形见图2和图3. 表1最大效率的奇次谐波系数 谐 波 0 2 1.1547 0.1667 105146 -0.06l80 1.2071 0.2323 00607 1.273 0.424 山国武技记又在线 http://www.paper.edu.cn 表2最大效率的偶次谐波系数 谐 波 14142 0.3540 142 4 2.1 10824 -0.0957 863 15 0.3890 0.0556 4 1571 0.667 0.133 n=infinity n=infinity n=5 n=3 n=2 n=1 图2包含奇次诺波的电压波形 图3包含偶次谐波的电流波形 表3F类放大器的最大效率 谐波 0.5 0.577 0.603 0.637 4 0.707 0.816 0.853 0.9003 0.749 0.865 0.904 0.9545 器件 在500MHz-2.5GHLz频率范围内有各种半导体技术广泛应用,其中 LDMOS在基站应用 方面具有很大的优势:很高的效率,良好的线性度,高的功率容量,并且性价比很高。DMOS 4 山国武技记又在线 http://www.paper.edu.cn 器件结构的设计主要是为了高工作电压,并且低的寄生电容,所以可以工作在很高的频率 LDMOS通过低掺杂和长沟道的n漂移区来实现髙的击穿电压,在短沟道区是利用横向扩散 P型材料来提髙晶体管的性能。 本文使用的是 Freescale的MRF282品体管,该晶体管为N沟道增强型樻向 MOSFET, 主要工作在A类和AB类PCN和PCS基站,最高工作频道到2600MHz,适合于 FM.TDMA CDMA和多载波放人器。对于单音连续波信号工作电压26V,2000Hz的典型 参数为:10W的输出功率,增益9.5dB,效率为35% 电路设计过程 在仿真设计时主要应用的是谐波平衡法,本文利用 Agilent公司的CAD工具 Advanced Design Systcm(ADS)来进行设计与仿真。电路的参数都进行了优化以为了获得更高的效率 所采用器件的非线性模型来自于厂家提供,本设计采用的是Rot模型(图4)。此模型考 虑了器件自身动态热效应,侍别适用于射频高功率 LDMOS晶体管和使用于基站,数字广播, 陆地移动通讯应用的RFIC,在ΔDS中使用该模型可以进行小信号,大信号,谐波平衡,噪 声和瞬态各种仿真。此模型是一种经验非线性大信号模型,连续可微并且考虑了静态和动态 的热效应,可以精确的描述在不同偏置点和温度卜的电流-电压特性。 ++ =() 图4 LDMOS的大信号等效电路 本放大器上要是利用四分之一波长传输线,输出电路网终的作用可以描述为在基波频率 2 ,从器件看出来的阻抗为0 0是传输线特性阻抗,是负我阻抗或者输出匹 配网络的阳抗。对于基波来说,输出端的四分之一传输线相当于对基波开路( ),根据 四分之一波长传输线的性质,在晶体管的输出端对于所有奇次谐波阻抗为。1,对于所 有偶次谐波阻抗为,因此可以近似对于所有偶次谐波为开路,对于所有奇次谐波为短路 (>1)。以上的分析也说明在理论上,电压波形只包含偶次谐波近似为半个正弦波,同时 电流波形只包含奇次谐波近似为方波。 从输出波形上来看,在理想的情况下,电压和电流波形是不会出现重晉的,这就表明最 大效率为1009%,同时输出功率为: 山国武技记又在线 http://www.paper.edu.cn 元 82 负载电压相位落后」漏极电压90,这是有四分之波长传输线造成的相移。具体元件 值见衣1 图5电路原理图 表4元件值 109 0.4 985 5023.09 9.85 4 30 0.6 509214.7 19 Power Add Efficiency(%) 图6输出功率与效率图 结论 本文描述了可应用于基站上作的逆F类功率放大器,此放大器不仪具有晑效率而且输 出功率也很高,在1.8GHz效率达到了759%,输出功率达到12.2W,对比同等输出功率的 AB类放大器效率得到了很大的提高。 山国武技记又在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1 Frederick H Raab. An Introduction to Class-F Power Amplifier[J RF Design, 1996, 5: 79-84 [2] Frederick ILRaab, et al. Power Amplifiers and Transmitters for RF and MicrowaveLIIEEI MrT.2002,50(3):814-826 [3]AV Grebennikov. Circuit Design Technique for High Efficiency Class-F Amplifier[J.IEEE MTT-S Int Microwave Symp, 2000, 2(6): 771-774 [4] Albulet, M. RF Power Amplifiers[M]. GA: NoblePublishing Corporation, 2001 [5 P Colantonio, F. Gianniani, G Leuzzi, E Limiti. On the Class-F Power Amplifier Design[J. IntJRF Microwave Computcr-Aidcd Eng, 1999, 9(3): 129-149 [6]SMazumder, A AZizi, F. Gardiol Improvement of Claa-C transistor Power Amplifier by Second-Harmonic Tuning J.IEEE MTT, 1979, 27(5): 430-433 [7 Frederick H Raab. Class-F Power Amplifiers with reduced GaAs FET Device and Circuit Simulation in SPICEJ.IEEE TED, 1987, 34: 160-168 Yi Xiaomeng, Cao Jianwen, Yu Yang, Deng Yunfei Department of Information and Communication, Harbin Engineer University, Harbin(150001) The paper presents a design of Class-F power amplifier working at 1. 8GHz, by using the LDMOs transistor as the active element in order to generate high output power and high efficiency. The Class-F power amplifier improves efficiency and output power by tuning for different harmonics to sh dd urrent waveforms the drai ige approxin wave with one and more odd harmonics. At the same the drain current approximates a half sine wave with one and more even harmonics. The simulation shows that the amplifier achieved 12w output power and above 70% efficiency which is more than Class-AB amplifier at the same output vel High efficiency, class-F, Inverse class-F, LDMOS transistor, power amplifier 7

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