專用高頻E類功率放大器的研究

1.引言

隨著無線通信技術的發展，功率放大器作為發射機最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個通信系統的性能優劣，而功率放大器性能好壞的判決和芯 片檢測有關。本文介紹了一款E類功率放大芯片性能測試電路的設計，簡介了檢測中用到的實驗設備、器材，并給測試電路加上各種測試信號后觀察顯示結果，對輸出結果進行分析從而判定芯片是否合格。

2.E類功率放大器原理

射頻功率放大器是將直流信號轉變為射頻信號的功率器件，衡量一個射頻放大器性能的主要參數有：最大輸出功率、效率、線性度、增益等等。功率放大器可 以劃分為幾類，這取決于它們是寬帶還是窄帶、它們的目的是為了線性工作還是恒包絡工作。線性功率放大器有四種類型：A、B、AB、C,它們的主要差別在于 偏置情況的不同，這幾類傳統的功率放大器具有較高的線性度，但效率較低。開關模式功率放大器主要有D、E、F三類，這幾類功率放大器中晶體管等效為受輸入電壓控制的開關，開關導通時有電流經過，若保證管子飽和導通，其導通電阻很小，開關兩端的電壓很小，甚至趨近于零;開關斷開時，電流為零。因此，晶體管的 耗散功率很小，從而提高了放大器的效率。

開關模式功率放大器中的E類放大器采用高階電抗網絡提供足夠的自由度來改變開關電壓的波形，使它在開關導通時的值和斜率均為零，從而降低了開關的損耗，其結構如圖1所示。

在圖1中，一個串聯調諧L2C2電路將漏極與負載相連，一個旁路電容C接地。該旁路電容由晶體管寄生電容和另一個電容C1組成(該電容的作用是，當 漏極存在電壓時，確保晶體管中無電流通過)。要達到最佳性能，當器件導通(并開始產生電流)時不僅其漏電壓必須為零，漏電壓斜率也必須為零。這樣可保證來 自旁路電容的電流為零，從而也保證晶體管導通時漏電流為零。由于轉換中的漏、源電壓及漏電流均為零，因此該器件的功耗可忽略不計。

盡管E類放大器的效率從理論上可達到100%,但因抑制諧波需要較高的Q值，從而限制了其效率，這使漏電壓值低至0V,并且與時間的斜率為零。

3.高頻E類功率放大器測試電路設計

為了對高頻E類功率放大器進行測試，我們設計的測試電路原理圖結構圖如圖2所示，從圖中可以看出原理圖主要由主體芯片和它外圍模塊電路組成，其中外 圍電路有GSM(頻段位于800MHz的信號)信號輸入模塊、DCS(頻段位于1800MHz的信號)信號輸入模塊、電源模塊和信號輸出模塊。

3.1 測試電路

測試的E類手機功率放大芯片引腳布局如圖3所示，芯片從左上角以逆時針方向開始依次是1到28引腳，其中 1,2,3,5,6,8,22,23,24,25,26,27,28號引腳直接接地，4,9,10,11,12在接地時接一個電容，13,14引腳接電 源，對于15,16,17,18,19 引腳它們分別對應著CTR2,CTR1,CTR0,TXEN,RAMP.20,21引腳分別是DCS和GSM的信號輸入。

圖3 E類手機功率放大芯片引腳布局圖

整個測試電路的電源部分將為測試電路提供一個3.8V的直流電壓和1A的直流電流。經過芯片功率放大后的信號將經過輸出模塊流入頻譜分析儀，輸出模 塊能夠很好的去除放大后信號中存在的雜散信號從而保證了放大后信號的純度。對于DCS和GSM信號輸入，為了防止信號在輸入芯片前摻雜了其它交流雜散，在 輸入芯片前添加一個電容用來濾除不應有的雜亂信號從而保證輸入信號的純度。

3.2 測試實現

測試過程中使用了可編程電源、信號源、脈沖發生器、頻譜分析儀等。它們將為測試電路提供工作條件以及對測試結果進行分析。其中可編程電源將為測試電 路提供一個3.8V的直流電壓和一個1A的直流電流從而保證測試電路的正常工作。信號源將為功率放大芯片提供一個5dBm頻段分別在900MHz和 1800MHz下的輸入信號。(dBm即分貝毫瓦，功率與P(瓦特)換算公式：PdBm=30+10lgP 其中P:瓦;P:單位為dBm)。

測試DCS的時候讓信號發生器產生5dBm,1.8GHz的信號，且讓脈沖電壓源給ramp提供0.45V低電壓或2.0V高電壓，其中TXEN和 chr1,chr2接高電平。測試GSM的時候讓信號發生器產生5dBm,800MHz的信號且讓脈沖電壓源給ramp提供0.55V低電壓或2.2V高 電壓，其中TXEN和chr1接高電平，chr0接低電平。給定測試板初始條件后，讓輸出信號接到頻譜分析儀上觀測結果。