[分享] PA设计原理及实践篇-基于MRF8P9040N的PA设计——亲测ADS2011

本文主要介绍基于MRF8P9040N管子的PA设计，包括DCIV曲线设置，偏置电路设计，LoadPull、SourcePull的设计，输入输出匹配的设计，原理图的设计，版图的设计。全文文字共计2000，图片26张。

一、DCIV曲线的设计

前期准备：1、需要导入MRF8P9040N管子的ADS模型，如下图一

 

                                                      图一

2、需要导入RF-POWER-ADS2020v2p1-DK 的文件，否则器件报错，无法使用，具体可以到器件的官网进行下载。

放入FET_curve_tracer的模板，进行DCIV曲线电路的搭建，具体参考图二，

有时电路报错，需要备注一下Name的属性。

                                                  图二

本文根据Datasheet属性，选择Vds=20V,Vgs=3.2V进行的设计，

 

仿真结果如下图三：

                                              图三

 

二、偏置电路的设计

 偏置电路设计的目的是给管子稳定供电，保证稳定性系数K>1,稳定性是指放大器在环境（如温度、信号频率、源及负载等）变化比较大的情况下依旧保持正常工作特性的能力。当放大器不稳定的时候便不在发挥放大器的作用而变成了振荡器。输入输出设置四分之一波长线，即为四分之一波长阻抗变换器，其原因在于RF电路接变化器的输入端，而DC偏置源接变换器的末端，末端的短路通过大容值电容接地来实现，这样RF信号在RF端视作开路，而直流偏置源视作与RF电路直接连接（即短路）。本文设计的频率为960MHz,计算四分之一波长线的长度约为46mm，本文的偏置电路具体设计如下：

 

                                                 图四

仿真结果如下:

 图五

满足了稳定性的要求，可以正常使用了。放大器一般很少关注噪声系数，PA属于系统的后级对噪声系数的影响有限。

 

三、LoadPull和SourcePull的设计

LoadPull主要是为了找负载阻抗Zl，以进行输出匹配设计，SourcePull主要为了找源阻抗Zs,以进行输入匹配设计，下面先介绍一下LoadPull，

                                                       图六

图中主要需要设置输入功率，输入功率可以按照实际需要进行设置，增益DataSheet介绍了是19dB，目标设计功率为46dBm。

                                                      图七

 

LoadPull的仿真结果如下，最大功率有47dBm,满足了要求，负载归一化阻抗设计为较小，5欧姆。具体如何找阻抗点我前面公众号有介绍，各位可以返回查阅。

                                                           图八

找到的阻抗点ZL为2.9+j*1.36，较接近Datasheet的范围，

图九

其中P1dB定义如下：

 

 

                                                             图十

1dB压缩点的输入功率即为PIN，1dB输出功率即为P1dB。

同理导入SourcePull的模板，进行寻找ZS的阻抗点，

                                                      图十一

同理设置输入功率，设计频率，电压，目标阻抗，仿真结果如下：

 

                                                    图十一

其中找到的ZS=5.8-j*5.3和Datasheet提供的比较接近。

至此，ZS和ZL的阻抗都找好了，下面我们可以进行输入输出阻抗匹配的设计了。

 

四、阻抗匹配的设计

1、输出阻抗匹配的设计

输出阻抗匹配的设计可以参考LNA的设计方法进行设计，其中设计的匹配图如下：

                                                   图十一

仿真结果如下：

                                                       图十二

最后生成一个Symbol。

 

                                                     图十三

 

2、输入匹配的设计

同理输入匹配的设计原理图如下：

                                                    图十四

仿真结果如下：

                                                        图十五

 

最后生成一个Symbol。

                                                       图十六

 

五、原理图设计

基于上面偏置电路、输入输出阻抗的设计，下面可以进行完整的电路图仿真设计，查看设计结果。

 

                                                            图十七

仿真结果如下：

                                                          图十八

结果比较正常，最后再生成Symbol。

                                                   图十九

六、谐波平衡仿真。

导入谐波平衡仿真界面进行谐波平衡仿真。

                                                     图二十

 

谐波平衡仿真结果如下：

                                                     图二十一

7、进行版图仿真

版图仿真需要元器件全部在原理图中体现出来，

                                                    图二十二

 

设置版图结构：

                                                      图二十三

 

版图进行摆件，

                                                 图二十四

进行联合仿真，

                                                图二十五

联合仿真进行微调，仿真结果如下，基本满足设计要求。

                                                 图二十六