19、ADS使用记录之窄带F类功放设计
基于CGH40010F
说在前面的话:
博主也是刚刚接触RF PA,在写这篇F类功放时有非常多疑问。抛开连续F类、拓展连续F类、高阶拓展连续F类、高阶混合拓展连续F类功放不谈,单说普普通通的窄带F类,很多人设计(指论文)的也并非我所设想:
Q1、有些论文中单点频F类功放却牵引多次谐波,F类不是阻抗条件已经确定了吗(指开路短路)?
Q2、有些论文中谐波控制网络没有考虑到封装和寄生效应,做出来电压波形一点也不方,也就是阻抗条件不符合常规的F类,虽然效率可能也不低。
所以我感觉好像只要控制了谐波都能算广义的F类了,不知道这样理解对不对,有大佬懂的可以评论区回复一下。
0、源文件下载
https://download.csdn.net/download/weixin_44584198/85550957
1、设计指标与实际结果
中心频率:2.4Ghz
输出功率:10w(40dbm)
回波损耗:小于-15db
漏极效率:大于百分之75
TOI/IP3:-45dbm
2、数据手册分析
都开始做超宽带了还看什么数据手册
番外1:射频功放晶体管的重要参数
3、直流分析+静态工作点选择
导入CGH40010F模型文件,第一次使用选择解压Design Kit,如果不是第一次使用可以选择管理库文件,我这里不是第一次使用:
选择添加库定义文件:
到模型解压的根目录找到defs文件,点击打开导入库:
新建原理图命名为01_DC_SIMULATION(此原理图用于直流扫描):
在菜单栏选择Insert,插入模板:
此处插入的是我自定义的模板:
插入后如下所示(一般插入模板还需要根据数据手册对相应电压进行设置,此处插入模板已经设置好了,比如说此处的扫频参数):
直接点击仿真观察结果:
在此数据选择界面移动相关的mark改变电路的工作状态,此处选择漏极电压28V、栅极电压-2.8V。可以从图中清晰看到此时的导通角为232度,按照AB类模式设计最高可达将近百分之50的工作效率。
4、稳定性分析
新建原理图,命名为02_STABILITY_SIMULATION,插入稳定性分析控件:
对此原理图进行仿真,得到结果,由此可见使用该稳定电路系统可在频带内达到稳定:
5、谐波控制网络设计
我们知道F类功放最为明显的特点是其对于谐波的控制,一般来说F类功放需要对奇数次谐波开路,对偶数次谐波短路。因此在负载牵引前我们需要先设计这一谐波控制网络。
谐波控制网络采用如下的结构形式:
对上述电路进行分析:
在ADS中构建上述电路图,使用理想微带线元件:
对原理图进行仿真,观察所得结果,发现其对偶次谐波短路,对奇次谐波开路,符合阻抗条件(注意此处只控制到三次谐波):
6、(拓展)考虑寄生效应的谐波控制网络
上述所设计的谐波控制电路没有考虑到封装效应和寄生效应,针对此次使用的管子,网上有一套现成的封装模型,添加后如下所示(一堆电感电容就是其封装模型):
此处给出更加清晰明了的解释:
此处使用高效率GaN HEMT F类/逆F类功率放大器研究和设计(知网)文章中的简化模型(与完备的寄生和封装等效模型相比少了一个T型结构,谐波控制电路略有不同但是原理相似):
按照文章中的模型进行建模,设置参数自动调制OPTIM控件,运行参数得到最佳的数值:
观察最后的结果,最终结果如下所示(可以看到设计在考虑寄生参数的情况下依旧能满足开路短路条件):
6、负载牵引与源牵引
对于谐波控制类功放F类来说,负载牵引往往只需要牵引基波,因为我们已经知道如何设置谐波的阻抗了。打开负载牵引模板,将上述设计好的谐波控制电路与稳定性电路插入到原理图中去,插入后如下所示:
合理设置红色框中的相关参数:
运行原理图,得到阻抗点M1位置,负载牵引阻抗为18.362-j13.971欧姆,在此处兼顾了增益和效率,预计可以得到约为78.5%的功率附加效率和10db的增益:
下面进行源牵引,插入源牵引模板,设置谐波控制电路和稳定电路:
设置好红色框中的参数:
点击运行仿真,得到高效率阻抗区域如下所示,可以看到源阻抗在7.815-j*2.380时达到效率最大值:
返回负载牵引原理图,填入之前牵引得到的源阻抗,再次进行仿真,得到最终的结果如下所示。使用第二次负载牵引的数值作为设计时使用的数值(19.484-j*14.453):
7、输出匹配电路
先进行输出匹配电路设计,输出匹配采用L型匹配方式,构建如下的电路图:
打开Smith绘图界面,使用L匹配的方式进行匹配:
点击生成电路并运行仿真,发现匹配效果良好:
将匹配电路和之前设计的谐波控制电路一起插入到单个原理图中并连接相关器件,将器件转换为实际的微带线,此处使用板材ROGERS4350B:
设置相应的Goal并对原理图进行参数自动调整,调整后得到如下结果:
对原理图进行OPTIM,得到最终结果:
8、输入匹配电路
构建如下的输出阻抗匹配电路,使用SMITH chart进行匹配:
使用L匹配进行输入匹配:
将其转换为实际的电路图,使用4350B板材(此处将稳定电路一起加上了):
对此输入匹配进行测试,和输出匹配一起:
最后进行仿真测试,发现在原理图仿真时可获得82的漏极效率和大于10db的增益:
9、版图仿真
将输入和输出匹配电路放置到新原理图中:
生成版图并合理排放(正常来说会使用弧形或者对称结构来减小面积,此处图方便就省略了):
在连接出插入相关的端口:
设置仿真的频率参数等等:
设置板材4350B:
点击运行仿真,得到结果,在得到结果后建立symbol:
新建原理图,命名为Co_sim,插入上述电路板symbol,并进行连接:
设置仿真选项为emmodel:
对此原理图进行联合仿真,得到结果。可以看到在输入功率29dbm时候漏极效率达到百分之80,增益大于10db,符合要求: