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功率放大器(PA)的設計與仿真

1、NMOS參數(shù)設置如下

W/L和finger都設置為[敏感詞]值,20dBm基本上是硅基工藝PA的上限(GaAs可以得到更高的輸出功率),因此為了得到[敏感詞]的輸出功率,將管子尺寸設置到[敏感詞]

2、搭建電路,仿真直流工作點

DC仿真參數(shù)設置如下

掃描vgs 參數(shù)設置如下

3、direct plot form選擇電流,點擊NM0漏端節(jié)點 ,得到仿真結(jié)果

4、假設效率為30%左右,輸出功率為100mW,則直流功率 為300mW,所以需要100mA的電流

100mA電流與vds=3V的交點在vgs=1.7V的曲線上,所以vgs=1.7V是最保守的取值,這里取vgs=1.8V

5、加入輸入輸出端口

PORT0參數(shù)設置如下

6、加入電容和電感隔離直流通路和交流通路 ,先設置C=1F,L=1H

7、hb仿真參數(shù)設置如下

8、direct plot form參數(shù)設置如下

點擊PORT1得到輸出功率仿真結(jié)果

當輸入功率為9dBm時,輸出功率可以達到20dBm,所以NM0尺寸符合要求

9、查看電流和電壓

id=109mA,可得到直流功率在330mW左右,輸出功率能夠達到100mW

10、仿真穩(wěn)定性,hbsp仿真參數(shù)設置如下(DC仿真設置成默認模式,hb仿真取消勾選sweep)

11、仿真Kf,參數(shù)設置如下

得到Kf仿真結(jié)果

Kf<1,不穩(wěn)定

提高穩(wěn)定性的辦法:在輸入端或輸出端加電阻,代價是減小增益

如果電阻加在輸出端,則會對輸出功率有較大的影響,因此在輸入端加電阻

12、仿真SSB,參數(shù)設置如下

得到SSB仿真結(jié)果

放大

在輸入端并聯(lián)50/0.5=100Ω的電阻可以使電路穩(wěn)定

13、仿真LSB,參數(shù)設置如下

得到LSB仿真結(jié)果

放大

在輸出端串聯(lián)50*5=250Ω的電阻可以使電路穩(wěn)定

14、在輸入端并聯(lián)100Ω電阻

15、仿真SSB

放大

所有的不穩(wěn)定圓都在史密斯圓圖 外面,輸入端穩(wěn)定

16、仿真Kf

在全頻帶Kf>1,滿足穩(wěn)定性條件

17、仿真LSB

放大

不穩(wěn)定圓也全部在史密斯圓圖外面,說明輸出端也已經(jīng)穩(wěn)定,整個電路已滿足穩(wěn)定性條件

18、嘗試串聯(lián)250Ω的情況

19、仿真LSB

放大

輸出端穩(wěn)定

20、仿真SSB

放大

輸入端穩(wěn)定

21、仿真Kf

Kf>1,因此串聯(lián)250Ω的電阻也能使整個電路穩(wěn)定

比較串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻 時的Kf曲線得到:串聯(lián)電阻時低頻更穩(wěn)定,并聯(lián)電阻時高頻更穩(wěn)定,因此可以將兩種方法組合起來使得電路在高頻和低頻情況下都提高穩(wěn)定性

22、修改電路

23、仿真Kf

整個頻段Kf有明顯的提高,如需在高頻時減小些Kf,可以減小串聯(lián)電阻R1的值

24、將R1減小到20Ω,仿真Kf

25、繼續(xù)不斷調(diào)整R0和R1的值,使得Kf的最小值出現(xiàn)在2.4GHz處(因為需要提高2.4GHz處的增益,而Kf越小,增益越大),且該最小值不斷接近1,但必須大于1。一般取1.1~1.2左右的值,如果低于1.1可能會導致穩(wěn)定裕量 不足。

調(diào)整方法:

(1)對于低頻的Kf

(a)增大R0,Kf減小

(b)減小R0,Kf增大

(2)對于高頻的Kf

(a)增大R1,Kf增大

(b)減小R1,Kf減小

最終選擇R0=300Ω,R1=10Ω

仿真Kf

Kf的最小值出現(xiàn)在2.4GHz處,為1.2左右,在2.4GHz和4.8GHz(諧波 )處有毛刺是因為大信號仿真導致出現(xiàn)不連續(xù)的點,實際是光滑的

26、仿真B1f

得到B1f仿真結(jié)果

B1f>0,滿足穩(wěn)定性條件

27、仿真LSB

放大

滿足穩(wěn)定性條件

28、仿真SSB

放大

滿足穩(wěn)定性條件

29、將pin改為-10,仿真Kf

Kf<1,電路不穩(wěn)定,說明減小信號功率 會使PA不穩(wěn)定,在大信號功率條件下正常工作

30、接下來進行阻抗匹配,hb仿真中的loadpull 需要兩個變量,將兩個變量初始化如下

31、hb仿真參數(shù)設置如下

32、仿真功率圓,direct plot form參數(shù)設置如下

點擊PORT1上方端點,得到功率圓仿真結(jié)果

若需使標簽出現(xiàn)在左側(cè),右鍵->Smith Graph Properties->Graph Options->Legend position->left

此時[敏感詞]的輸出功率12.9dBm,需要提高pin來提高輸出功率

33、將pin修改為9,仿真功率圓

[敏感詞]輸出功率 為20.3dBm,可以達到預期指標

34、右鍵[敏感詞]輸出功率點->send to->table->new window

將實部虛部分離,右鍵第二列->display complex as->real and imaginary

35、將阻抗換算為幅值和相角的形式,打開計算器

計算幅值

點擊evaluate the buffer,得到幅值

計算相角

點擊evaluate the buffer,得到相角

36、利用RF阻抗匹配計算器計算匹配網(wǎng)絡

得到計算結(jié)果

選擇第二種方案

37、修改電路

C1=3.755pF,L3=2.935nH

38、仿真功率圓

[敏感詞]輸出功率出現(xiàn)在50Ω的圓上,說明阻抗匹配成功

39、將pin修改為10,仿真功率圓

[敏感詞]輸出功率提高到21dBm

40、掃描功率,參數(shù)設置如下

41、得到輸出功率仿真結(jié)果

42、進行輸入端阻抗匹配,進行hb仿真和hbsp仿真,取消勾選hb仿真中的sweep,仿真輸入端口實部,參數(shù)設置如下

點擊ZM1,得到仿真結(jié)果

Re(ZM1)=21

43、仿真輸入端口虛部,參數(shù)設置如下

點擊ZM1,得到仿真結(jié)果

Im(ZM1)=-57

44、RF阻抗匹配計算器參數(shù)設置如下

ZM圖像顯示的已經(jīng)是共軛 后的值,因此輸入圖像上的值就可以實現(xiàn)阻抗匹配

得到匹配結(jié)果

選擇[敏感詞]種方案

45、修改電路

C2=1.56pF,L4=5.4nH

46、進行hb仿真和hbsp仿真 ,得到輸入端實部仿真結(jié)果

47、仿真輸入端虛部

48、進行hb仿真,且hb仿真勾選sweep,仿真輸出功率

輸入功率為9dBm時,輸出功率達到21.74dBm,說明阻抗匹配是有效的

49、仿真功率增益,參數(shù)設置如下

依次點擊PORT1和PORT0,得到功率增益 仿真結(jié)果

50、仿真1dB壓縮點 ,參數(shù)設置如下

點擊PORT1,得到1dB壓縮點仿真結(jié)果

說明PA是在增益壓縮 范圍內(nèi)工作

51、仿真效率(PA比較關(guān)鍵的參數(shù)),參數(shù)設置如下

依次點擊PORT1,PORT0,V0,得到效率仿真結(jié)果

當輸入功率很低(小信號)時,效率較低,在輸入功率為9~10dBm時,效率可達到43.14%~45.32%,比預期效果要好

52、仿真功率增益與輸出功率的關(guān)系,參數(shù)設置如下

依次點擊PORT1和PORT0的上端節(jié)點,得到仿真結(jié)果

橫軸由增益曲線 中的輸入功率變?yōu)檩敵龉β剩斴敵龉β蕿?0dBm時,功率增益為14.5dB

53、仿真輸出功率的頻譜,參數(shù)設置如下

點擊PORT1,得到輸出功率的頻譜

2.4GHz時,輸出功率為22dBm,比預期高2dBm,同時二次諧波 等諧波分量也占用了信號的能量

54、仿真總諧波失真 (THD),THD是諧波能量在信號能量中的占比,參數(shù)設置如下

點擊PORT1上端導線,得到仿真結(jié)果

當輸入功率較小時,諧波的能量較小,主要是基波分量 ;當PA工作(pin=10dBm)時,THD=14.58%,說明諧波能量占比越來越大,失真越來越嚴重(雖然提高了功率,但這些功率很多都被諧波消耗掉了)

55、仿真三階交調(diào) 點,用hbac仿真,首先要修改PORT0參數(shù)

hbac仿真參數(shù)設置如下

direct plot form參數(shù)設置如下

點擊PORT1,得到三階交調(diào)點仿真結(jié)果

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