MAX2242功率放大器: 應用中的關鍵問題

本文詳細描述了MAX2242功率放大器(PA)的應用。主題包括：PCB布板、級間匹配、熱管理以及裸片級(UCSP)封裝。PA在CCK調制、第一旁瓣ACPR -33dBc時提供+22dBm輸出功率。片上功率檢測器具有20dB動態范圍。工作電壓為2.7V至3.6V。使用FR4電路板材料。接地是高頻、大功率電路的關鍵。為獲得最佳性能，本文提供了電路圖范例。對整個輸入網絡進行仿真時介紹了匹配電路設計。無論低頻還是高頻電路，電源線上都需要旁路電容。UCSP封裝圖上焊球間距為0.5mm。MAX2242測試裝置中用頻譜分析儀測量旁瓣電平，用RF功率計測量輸出功率。

概述

本篇應用筆記的目的是為設計工程師提供關于MAX2242功率放大器的應用資料。本文涉及到許多主題，包括：印刷電路板圖、級間匹配、輸入輸出阻抗、熱管理以及裸片級封裝。

簡要說明

MAX2242是為2.4GHz ISM波段無線LAN應用而設計的線性功率放大器，能在第一旁瓣鄰信道功率比(ACPR) -33dBc和第二旁瓣ACPR -55dBc時提供22.5dBm線性輸出功率，符合IEEE802.11b 11MB/s WLAN標準。該款PA的封裝形式為3 x 4裸片級封裝(UCSP?)，尺寸僅1.5mm x 2.0mm，非常適合小型PC卡和緊湊的閃存卡中的無線裝置。

MAX2242功率放大器包括三級PA、功率檢測器和電源管理電路。輸出功率最大時，功率檢測器能以±0.8dB的精度提供大于20dB的動態范圍。利用該檢測電路很容易實現精確的自動功率控制(ALC)功能。

MAX2242還有一個外部偏置控制引腳。輸出功率較低時，利用外部DAC控制可以在保證足夠的ACPR前提下降低電源電流，從而在全功率范圍內保持盡可能高的效率。該器件工作在單電源+2.7V至+3.6V，內部關斷功能將工作電流降至0.5μA，不需要外部電源開關。

應用

• IEEE802.11b
• 無線LAN
• Home RF
• 2.4GHz無繩電話
• 2.4GHz ISM無線裝置

特性

• Po = 22.0dBm線性輸出功率(第一旁瓣ACPR -33dBc、第二旁瓣ACPR -55dBc)
• 28dB增益
• 內置功率檢測器
• 外部偏置控制降低電源電流
• +2.7V至+3.6V單電源供電
• 裸片級封裝(UCSP), 1.5mm x 2.0mm

設計要點

設計RF功率放大器時，需要考慮許多因素。在開始設計印刷電路板圖之前，必須很好地理解以下注意事項和數據資源(在下文中討論)：

• 印刷電路板材料
• 接地方案
• 級間匹配
• 輸入輸出阻抗匹配
• 瞬態穩定性
• 熱管理
• 裸片級封裝(UCSP)
• 放大器測試方案
• MAX2242數據手冊
• MAX2242評估板

印刷電路板材料

印刷電路板材料應選用FR4或G-10。這類材料對大多數工作頻率在3GHz以下的低成本無線應用都是很好的選擇。MAX2242評估板使用的是4層FR4，其介電常數為4.5，絕緣層厚度6 mil、1oz覆銅。

接地方案

良好的接地是極為重要的。當設計RF功率放大器時，不同元件的接地方法很重要，需要特別關注。 對低阻器件，考慮更多的是電流環路；而在高阻電路中則更關心高電壓。這意味著需要仔細考慮接地的電流通路和元件的電流處理能力。請牢記，接地問題對大功率或高頻電路更為關鍵。而本應用既要求大功率、也是高頻電路！

在設計像MAX2242這樣在2.45GHz下輸出阻抗只有大約(8 + j5)Ω的低阻電路時，0.5nH電感就可以產生8Ω的感抗，8Ω的感抗相當于介電常數為4.5、厚度為6mil的FR4印刷電路板上60mil x 10mil的微帶線產生的阻抗。

本應用中，良好的接地意味著將頂層元件層與地平面之間的感抗降至最小，使兩個不同接地點之間的電勢差為0V，避免兩級之間寄生信號的耦合。

良好的接地需確保地平面盡可能連續，頂層地平面與底層的地平面應該利用多個鍍金過孔連接。MAX2242有三個接地引腳：GND1、GND2和GND3。為了使感抗最小，這三個引腳接地的過孔位置要離器件盡可能近。MAX2242評估板上使用10mil鍍金過孔接地，這些接地過孔的邊緣與PA三個接地引腳的邊緣距離為4mil。

圖1所示表示如何用多個過孔改善電路板接地條件，通過將接地過孔放置在盡可能接近元件的位置使電路板不同層之間的感抗最小，也使無源元件的感抗最小。另外，將接地過孔沿RF通道擺放可以移動匹配元件的位置，進一步優化設計。


圖1. MAX2242評估板頂層元件層視圖

級間匹配

由于級間匹配使部分匹配，多級放大器的外部級間匹配非常嚴格。為優化前級驅動和驅動放大器需要少量的電感，集總參數形式或分布參數形式均可。


圖2. MAX2242應用電路圖

輸入輸出阻抗匹配

輸入輸出阻抗匹配通過兩個重復操作過程實現。第一步通過小信號仿真；第二步在大信號條件下根據實驗經驗調節。

圖3和圖4所示為按照實際電路板尺寸得到的集總和分布元件模型，它們組成了最佳輸入輸出匹配網絡。

圖5是根據實際電路板仿真得到的最佳信號源Z(1,1)和負載Z(2,2)的阻抗。將Z(1,1)和Z(2,2)作為最佳信號源和負載阻抗的起點。


圖3. 輸入匹配網絡


圖4. 輸出匹配網絡


圖5. 最佳信號源和負載阻抗

瞬態穩定性

另外一個需要關注的問題是改善瞬態穩定性。按照以下設計準則設計將避免MAX2242出現不穩定。

首先，在主Vcc輸入端與地之間放置一個大的全局旁路電容(鉭電容或電解電容)，以避免電路出現振蕩趨勢。在其它Vcc輸入端增加局部退耦電容可以阻斷與電源有關的反射。

電源的偏置引線需要加適當的屏蔽，以防寄生RF信號耦合到偏置電源。這對于串聯增益為30dB或更高的多級PA尤為重要。電源偏置的屏蔽可以通過隔離開各個Vcc引線實現，如果可能的話，將Vcc引線布在寄生信號最弱的底層地平面上，或布在電路板上寄生信號最弱的其它層面上。

高增益多級放大器容易受到反饋的影響，這種反饋是由輸出信號耦合到輸入通道引起的。電路會在相位差達到180度的頻點發生振蕩。為了將輸出耦合到輸入的RF信號降至最小，建議RF信號走線盡可能短，以減小天線效應。

最后，電路板接地不良也會引起振蕩。PA的大電流流經阻抗不為0的地線會將電壓差和注入噪聲引入地線系統。


圖6. 包括內部框圖的應用電路原理圖


圖7. MAX2242評估板底層視圖

熱管理

功率晶體管的集電結耗散大量功率。耗散功率表現為熱量，這會使結點溫度上升。但是結點溫度T_J不能超過額定最大值T_Jmax；否則晶體管可能永久損壞。即便不出現突然失效的情況，長期可靠性也會受到影響。硅器件的T_Jmax大約為150℃，作為基于硅材料的器件，MAX2242以150℃或T_Jmax作為它的最高結點溫度。

MAX2242直接用評估板的地平面作為散熱器。

圖8用等效電路的形式表示熱傳導過程。功率耗散與電流對應，溫度差與電壓差對應，熱阻與電阻對應。


圖8. 熱傳導過程的等效電路

裸片級封裝(UCSP)

MAX2242采用裸片級封裝。這種封裝技術最大的優點是使IC到印刷電路板間的電感最小。另一個好處是減小封裝尺寸、縮短研發周期，同時提高熱傳導特性。欲獲得更多關于UCSP的信息，請參見應用筆記晶片級封裝。


圖9. 裸片級封裝

放大器測試方案

圖10. MAX2242測試方案