Microsoft Word - RF_Ch06_Appx PA Design 李子瑋_VG_2014_0214.doc

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溥蔚
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1 6B- CH6 Appendix F ower Amplifier Design 功率放大器簡介功率放大器特性功率放大器之操作分類 Current Source 功率放大器之效率推導各類別放大器介紹負載線設計法 Cripps 負載線法與等功率曲線圖負載線設計法負載牽引量測 Zih-Wei Li 功率放大器簡介 6B- 位於射頻收發機前端待訊號調變並升頻之後, 將訊號放大, 並藉由天線發射輸出功率越大, 系統所能涵蓋的通訊距離就越遠輸出功率 (output) 效率(efficiency) 以及功率增益 (gain) 相互影響, 需做權衡考量注意非線性效應 (nonlinearity) 訊號失真及考量穩定度 (stability) 避免放大器振盪 * Above A parameters discussed later Transmitter F Front-End Antenna F Output Bandpass Filter ower Amplifier Mixer IF Amp IF LO

2 6B-3 功率放大器特性功率放大器主要規格 () 6B-4 操作頻率與頻寬 : 指放大器滿足全部規格之頻率與其頻寬範圍功率增益 (ower Gain):G = out / in 小訊號增益平坦度 (Small Signal Gain Flatness): 增益在一定頻率範圍之變化大小, 如 0.5 db / 50 MHz, 尤其對寬頻系統需定義此規格轉換效率 (Efficiency): 汲極效率 (Drain Efficiency): D out % 00% 功率增進效率 (ower-added Efficiency, AE): AE G out in % 00% ( ) 00% 整體效率 (Overall Efficiency): overall out % 00% in D in G diss out in + = out + diss in + = G in + diss

定義 AE 的原因 6B-5 以 power design budget 為例 : 單級 A 難以實現良好的功率輸出常以多級架構來實現由輸入至輸出端分別稱為增益級 (gain stage) 驅動級 (driver stage) 與功率輸出級 (A stage) Magnitude 以整體來看 ( db 6 G ): all G out in 00% ( ) 00% % AE % D D

3 定義 AE 的原因 6B-5 以 power design budget 為例 : 單級 A 難以實現良好的功率輸出常以多級架構來實現由輸入至輸出端分別稱為增益級 (gain stage) 驅動級 (driver stage) 與功率輸出級 (A stage) Magnitude 以整體來看 ( db 6 G ): all G out in 00% ( ) 00% % AE % D D all Magnitude 以 A stage 來看 ( 6 db 4 G ): A G out in 00% ( ) 00% % AE % D D A input Gain= 8-9 db O db = -4 dbm I db = - dbm Gain= 7-8 db O db = 3 dbm I db = -4 dbm Gain= 6-7 db O db = 9 dbm I db = 3 dbm output Gain Stage Driver Stage A Stage 功率放大器主要規格 () 6B-6 輸出功率 :O db 或 sat ( 典型測量點為 3-dB 壓縮點 ) (Appendix A) The reason to define sat => In order to obtain the maximum AE. If in = -3 dbm, out = 9 dbm. AE 0 % out 0.3 in 00% 00% 6.8% If in = 3 dbm, out =.5 dbm. AE 0 % out in % 00%.%

4 功率放大器主要規格 (3) 6B-7 線性度對連續載波以 OI3 及 O db 定義 (Appendix A) 對調變信號或寬頻系統以 adjacent channel power ratio (AC) 來定義主通道功率頻譜密度 AC 隔鄰通道功率頻譜密度 *The image is from 功率匹配 (ower Match) & 共軛匹配 (Conjugate Match) 6B-8 當 in < -db 時, 電晶體操作在線性區 The small-signal S-parameters should not depend on either the input power level or the output termination impedance. 可用共軛匹配達到最大功率傳輸當 in > -db 時, 電晶體操作在非線性區 The measured S-parameters will depend on input power level & the output termination impedance. Large-signal S-parameters are not uniquely defined and do not satisfy linearity, and cannot be used in place of small-signal parameters. 須利用功率匹配達到最大功率傳輸精確的設計結果實際量測 (load-pull testing) (The detailed introduction will be described later) 共軛匹配功率匹配

5 6B-9 功率放大器之操作分類 Current Source 功率放大器之效率推導各類別放大器介紹功率放大器之操作分類 : A- 類至 F- 類 6B-0

將上式對一週期時間作積分, 可得平均電流量為 : I α α π I π MAX IMAX cosθ cos(α cos(α ) sin(α ) α cos(α ) cos(α ) ) dθ Current Source 功率放大器之效率分析 -() 6B- 而第 n

6 (The detailed introduction of each A class will be described later) Current Source 功率放大器之效率分析 () 6B- 首先定義訊號電壓大小為 i d θ Iq I s cosθ α θ α 0 π θ α 其中 α ) I q I s i d θ V s V V, 導通角為, 則此時的電流可表示為 : o q ;α θ cos(, 且 Is IMAX I q, 因此 : I MAX cos α cosθ cos α π (Appendix B) 將上式對一週期時間作積分, 可得平均電流量為 : I α α π I π MAX IMAX cosθ cos(α cos(α ) sin(α ) α cos(α ) cos(α ) ) dθ Current Source 功率放大器之效率分析 -() 6B- 而第 n 階之諧波量為 : α I I MAX n π α cos( α ) 當 n = 時之 fundamental 電流 I 可表示為 : I I π MAX α sinα cos( α ) 而各類別功率放大器之電流量與諧波量如右圖所示 cosθ cos( α ) cos nθdθ (?)

7 Current Source 功率放大器之效率分析 (3) 6B-3 接著要推導各類別放大器之汲極效率 : DE 00 % η DE F( out) 50 % F out V V I V I V I π MAX α sin α cos( α ) IMAX sin( α ) α cos( α π cos( α ) ) 0 % 0 C B AB A Amplifier s classes 最後即可求出汲極效率為 : η DE F( out) sin α sin α α α cosα 將上述公式代入各類別放大器之導通角即可求出各類別放大器之汲極效率 A 類功率放大器 6B-4 電晶體偏壓在線性放大區域, 並避免進入截止或夾止 (clipping) 的操作區取得最大的電流電壓擺幅, 其導通角為 360 A 類放大器由於其無論有無信號輸出, 均有直流功率, 因此最大汲極效率為 50% η DE sin α α cosα π cosπ sin α sinα π sin π

8 B 類功率放大器 6B-5 操作在主動區與截止區的邊緣理想之導通角為 80 ( 半週期導通 ), 輸出波型呈類似半波整流之效果因為負半週電晶體截止, 直流功率無損耗, 效率較 A 類放大器佳 η DE π cosπ 4 sin π sin π π B 類推挽式放大器 (push-pull ampifier) 6B-6 利用型與 N 型電晶體並聯, 理想可以在輸出端得到全週期線性信號實際上輸出波形將產生交越失真 (Crossover Distortion)

9 AB 類功率放大器 6B-7 偏壓點與 B 類相似, 但訊號進入負半週期時, 電晶體起初仍為導通狀態導通角介在為 80 與 360 之間因為部分週期電晶體截止, 效率介於 A 類 (50%) 與 B 類 (78.5%) 之間運用此偏壓技巧於推拉式放大器結構可有效改善交越失真 C 類功率放大器 6B-8 偏壓點設定於截止區之下, 其導通角低於 80 ( 輸出波形小於半週期 ) 操作於相當大的非線性區, 理想效率可接近 00% 一般使用於定幅放大器 (constant envelope amplifier) η DE α cos 4 sin sin Amplitude Modulation (non-constant envelope) Frequency Modulation (constant envelope)

10 切換式功率放大器原理 (D E F 類 ) 6B-9 藉以減少直流功率在電晶體上的損耗來提高轉換效率電晶體半週期導通, 導通角為 80 理想上任何時間之電壓電流乘積為零, 所有直流功率都轉換成射頻功率, 效率為 00% (Appendix B) 各類放大器之負載線 6B-0 基於不同類型的操作型態, 各類放大器具不同的最佳負載阻抗其平均負載阻抗與使用的直流電壓 V DD 及操作模態有關 (The detailed introduction will be described later)

11 6B- 負載線設計法 Load Line Design Method Cripps 負載線法與等功率曲線圖負載線設計法負載牽引量測 (load pull measurement) Cripps 負載線與等功率曲線圖 6B- 等功率曲線及最佳負載之理論值單一頻率不考慮電晶體內部任何寄生效應電晶體未經封裝大信號電流 - 電壓特性的負載線功率匹配比共軛匹配所得之增益少 0.5 至 db 功率匹配比共軛匹配所得之輸出功率多 db 輸出功率與輸入匹配網路無關精確的設計結果實際量測 (load-pull testing) (The detailed introduction will be described later) 共軛匹配功率匹配

12 負載線設計法 (Load Line Method) 6B-3 偏壓電源的限制使功率放大器具有非線性轉換函數選取共軛匹配 load = gen 電壓受 V max 限制, 無法使用最大電流選取功率匹配 load = = V max / I max (in general: gen > load ) 負載同時得到最大電壓與電流 gen load V out I g V max load gen V out V max I max I max I g 最佳負載線 (Optimum Load Line) 6B-4 high > : 電壓被 V breakdown 限制 low < : 電流被 I max 限制 Current Swing ange I max low high low high Optimum Load Line low I ds I dc =I max / V gs high Voltage Swing ange = Current Swing ange V knee V dc = ( V breakdown +V knee V ds Voltage Swing ange V breakdown )

13 電感性負載電壓相位落後輸出電壓電流呈逆時針橢圓關係電抗性負載之負載線 6B-5 電容性負載電壓相位領先輸出電壓電流呈順時針橢圓關係等功率曲線圖 (Constant ower Contour) () 6B-6

14 等功率曲線圖 (Constant ower Contour) () 6B-7 ds LO M V I X V, X M LO 等功率曲線圖 (Constant ower Contour) (3) 6B-8 ds HI M I V G B I, BM G G HI

15 等功率曲線圖 (Constant ower Contour) (4) 6B-9 過小之負載 low = / < low low 串聯電抗性元件 : X M L 3-dB Contour Z L = low + jx M 過大之負載 high = > high high 並聯電抗性元件 : low high Y L = G high + jb M B M G G L 等功率曲線圖 (Constant ower Contour) (5) 6B-30

16 等功率曲線圖 - 寄生效應 (arasitic Effect) 6B-3 雜散電容 ( 源於電晶體輸出電容 ) 與雜散電感 ( 源於封裝電感 ) 雜散元件之阻抗轉換等功率曲線位置產生變化寄生效應的電容電感值隨頻率改變而變化負載牽引 (Load-ull ) 量測 6B-3 在大訊號模式操作下直接調整負載來找出最佳功率輸出之匹配阻抗點越接近最佳功率輸出負載阻抗 (Z ), 輸出功率越大

高隔離度射頻收發開關及功率放大器之研製, 成功大學電腦與通信工程研究所碩士論文, 民國一百零一年 [4] 李威廷,.

17 ADS 負載牽引 (Load-ull ) 模擬 6B-33 可藉由 ADS 軟體內建之 load-pull 模擬平台來取得合適之負載阻抗參考文獻 6B-34 [] 經濟部工業局 00 年度半導體學院計畫, 國家晶片系統中心短期專業訓練班 (S07) - 射頻功率放大器設計 [] 張盛富, 張嘉展, 無線通訊射頻晶片模組設計 - 射頻晶片篇, 全華科技,008 [3] 郭奇昕, 毫米波 CMOS 高隔離度射頻收發開關及功率放大器之研製, 成功大學電腦與通信工程研究所碩士論文, 民國一百零一年 [4] 李威廷,.4 GHz CMOS 單混頻器射頻收發機與 5 GHz 功率放大器 FIC 及高 Q 值螺旋電感之設計研究, 國立成功大學電機工程研究所碩士論文, 民國九十三年 [5] 林建志, 毫米波 CMOS 功率分波 / 結合式功率放大器及 60-GHz CMOS 次諧波無線射頻收發機之高增益功率放大器之研製, 國立成功大學電機工程研究所碩士論文, 民國一百零二年

EMI LOOPS FILTERING EMI ferrite noise suppressors

EMI LOOPS FILTERING EMI ferrite noise suppressors (HighSpeedBoardDesign) (HIGHSPEEDBOARDDESIGN) 1 1 3 1.1 3 1.1.1 3 1.1.2 vs 4 1.1.3 5 1.1.4 8 1.2 9 1.2.1 9 1.2.2 vs 1 1.3 1 1.3.1 11 1.3.1.1 11 1.3.1.2 12 1.3.1.3 12 1.3.1.4 12 1.3.1.5 12 2. 2.1 14 2.1.1