Радио дизайн и технологии. RF Design

Радио дизайн и технологии. РЧ оборудование, его разработка, тестирование. схемотехника. RF Design

Усилители мощности (PA)

now browsing by category

=

 

Усилители мощности РЧ. Проектирование (RF Power Amplifier Design)

 

 

==============================

Agilent


Усилители мощности (Power Amplifier). Публикации в Инете (англ)



Журнал: RF Technology International (RFTI)


  • Zhancang Wang. Nested and Multi-Nested Supply Modulator for an Envelope Tracking Power Amplifier (October, 2012, p.22) (PDF)



Усилители мощности (Power Amplifier). Публикации в Инете (рус)



====================================================


———————————————————————



Усилитель диапазона 150 — 175 МГц мощностью 30 Вт


Схема двухкаскадного усилителя мощности для диапазона 150-175 МГц приведена на рис. Выходная мощность усилителя на нагрузке 50 Ом составляет 30 Вт, коэффициент усиления — 20 дБ. Средний КПД составляет в рабочем диапазоне 50 %.

Рис.  Двухкаскадный УМ диапазона 150-175 МГц.


В предоконечном каскаде используется транзистор MRF237 производства компании Motorola, предназначенный для использования в схемах с общим эммитером. Транзистор вставляется в отверстие печатной платы и припаивается к заземляющей поверхности печатной платы. Этот метод присоединения обеспечивает эффективное заземление вывода эммитера и хороший отвод теплоты.

Оконечный каскад на транзисторе MRF1946A работает в классе C. Он распаивается на печатной плате, которая укрепляется с помощью четырех винтов на охлаждающем радиаторе. Дополнительно транзистор прижимается к обратной стороне радиатора с помощью двух винтов. Для обеспечения устойчивости и предотвращения возбуждения усилителя в цепях питания УМ используются ферритовые шайбы В1 и В2. Для согласования входному и выходному импедансу устройств к 50 Ом используются МПЛ, для межкаскадного согласования используются катушка индуктивности и два конденсатора. Это решения позволили уменьшить размер платы, обеспечивают стабильность и повторяемость частотных характеристик.

Характеристики усилителя иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 6, где приведены зависимости выходной мощности, входного КСВН и коэффициента полезного действия от частоты.


Рис. Экспериментальные зависимости характеристик УМ

Усилитель смонтирован на двусторонней печатной плате, эскиз которой показан на рис. 4. Верхние и нижние заземляющие поверхности платы соединяются, обертывая грани платы с помощью тонкой медной фольги и последующей пропайки. При этом получение необходимых характеристики не требует сверления отверстий в плате или соединения слоев методом сквозной металлизации.

Рис. Эскиз печатной платы усилителя


==================================================


A Cost Effective PA for Mobile Radios. Motorola Semiconductor Application Notes AN955.

Усилители диапазона 100-450 МГц с выходной мощностью до 250 Вт

Усилители диапазона 100-450 МГц с выходной мощностью до 250 Вт

Компания Philips разработала серию КМОП транзисторов, предназначенных для использования в мощных усилителях, работающих на частотах до 500 МГц:

Модель

Рвых, Вт

Uпит, В

BLF521

2

12,5

BLF522

5

12,5

BLF542

5

28

BLF543

10

28

BLF544

20

28

BLF544B

20

28 (балансная схема)

BLF545

40

28 (балансная схема)

BLF546

80

28 (балансная схема)

BLF547

100

28 (балансная схема)

BLF548

150

28 (балансная схема)


В усилителе, структурная схема которого приведена на рис….. применены транзисторы  BLF548, предназначенные для использования в широкополосных усилителях диапазона 100-450 МГц при напряжении питания 28 В [51]. Усилители такого класса могут быть использованы в трактах передачи базовых станций транкинговых и пейджинговых систем.

В усилителе используются два идентичных модуля, каждый содержащий балансный МОП транзистор BLF548. Для объединения модулей на их входах и выходах используются квадратурные мосты деления и сложения мощности на трехдецибельных направленных ответвителях (3 dB hybrid coupler).


Усилитель обладает следующими основными параметрами:

  • Диапазон частот:                                                                                              100-450 МГц
  • Выходная мощность усилителя:                                                                     250 Вт
  • Коэффициент усиления:                                                                                 11 дБ
  • Неравномерность усиления в диапазоне:                                          менее 1 дБ
  • КПД в диапазоне:                                                                                            45-55 %
  • Подавление второй гармоники в диапазоне:                                               более 25 дБ
  • Обратные потери; потери на отражение по входу(input returnloss):         менее 12 дБ.


Рис. Принципиальная схема модуля усилителя

Чтобы достигать хорошей широкополосной возможности один должен использовать устройства с минимальным значением выходной емкости. При применении BLF548 полевых МОП транзисторов PHILIPS стало возможно получить коэффициент усиления больший 10 дБ во всем рабочем частотном диапазоне. Транзистор BLF548 специально предназначенном для использования в широкополосных усилителях до 500 МГц. Он может развивать выходную мощность 150  Вт при напряжении питания 28 Вт. Из-за низкой выходной емкости достижимая полоса превысит 300 МГц.



Рис. Эскиз печатной платы усилителя

Двухтактный усилитель мощности диапазона 5,4 ГГц


Двухтактный усилитель, работающий в диапазоне 4,8-5,7 ГГц описан в [2]. Его принципиальная схема приведена на рисунке.


Рис. Двухтактный усилитель, работающий в диапазоне 4,8-5,7 ГГц


Усилитель мощности радиочастоты для 4,8-5,7 ГГц был создан с применением 0,25-мкм MSiGe-биполярной технологии с граничной частотой 75 ГГц. В двухкаскадном балансном двухтактном усилителе мощности используются два внутрикорпусных трансформатора: один — в качестве входного симметрирующего устройства, другой — для межкаскадного согласования. В усилителе применены планарные три катушки индуктивности для интегрированного выходного симметрирующего LC устройства (LC-output balun) и РЧ дросселя. В результате, усилитель мощности не требует использования никаких дополнительных навесных компонентов

На рис приведена конструкция межкаскадного трансформатора Х2, использованного в усилителе.

Рис. 3 показывает конструкцию и ВЧ модель использованных катушки индуктивности, LA и LB. Размер катушки 182 х 160 мкм при 2,75 витках. Чтобы уменьшить паразитную связь обмотки с подложкой, применена двухслойная конструкция катушки.

Рис. Конструкция и эквивалентная схема катушек индуктивности LA и LB


Рис. Фотография ИС усилителя мощности


На рис. 4 показан общий вид кристалла интегрированного усилителя мощности, размер которого составляет 1,0 x 0,9 мм.

Экспериментально полученные характеристики УМ приведены на рис…. При напряжении питания 1,0 В, 1,5 В и 2,4 В на частоте 5,3 ГГц достигнуты выходные мощности 17,7 дБм, 21,6 дБм и 25 дБм. Соответствующий коэффициент полезного действия составил 15,6%, 22,4 % и 24 %. Усиление при малом уровне сигнала составляет 26 дБ.



Рис. Экспериментально полученные характеристики УМ


===============================================================================


2. W. Bakalski, W. Simburger, R. Thuringer, A.Vasylyev, A. L. Scholtz. A fully integrated 5.3 GHz, 2.4V, 0.3W SiGe-Bipolar Power Amplifier with 50­ output. http://www.imec.be/esscirc/essderc-esscirc-2003/papers/all/136.pdf

Двухтактный усилитель мощности диапазона 2,45 ГГц


При проектировании данного устройства [1] была поставлена задача разработать усилитель мощности диапазонов 1,9 ГГц и 2,45 ГГц для массового производства, обладающий большими коэффициентом усиления, выходной мощностью и КПД добавленной мощности (КПД суммирования мощности) — PAE (power added efficiency), достигаемыми при низком напряжении питания.

В усилителе применена двухтактная схема (push-pull circuit), широко используемая на низких частотах. Основой схемы являются два внутрикорпусных трансформатора, используемых в качестве входного симметрирующего устройства (input balun) и узла межкаскадного согласования (interstage matching). При низких напряжениях питания это схемотехническое решение является более выгодным по сравнению с равными по мощности несимметричными каскадами (single-ended design) [1].

Рис. 1 Принципиальная электрическая схема усилителя мощности


На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема усилителя мощности. В состав схемы входит трансформатор X1, используемый как входное симметрирующее устройство (input balun), предварительный усилитель на транзисторах VТ1 и VТ2, трансформатор X2, используемый как межкаскадная согласующая схема, и выходной каскад на транзисторах VT3 и VT4. Смещение предварительного усилителя DB и выходного каскада PB устанавливается токовыми зеркалами (current mirror) на диодах VD1 и VD2, соответственно. Эффективная эмиттерная область effecitve emitter area каждого из транзисторов VT1 VT2 составляет 120 мкм, транзисторов VT3 VT4 — 960 кв. мкм.


Рис. 2 Схема соединения витков входного трансформатора


На рис. 2 приведено трехмерное изображение конструкции многослойного входного трансформатора X1. Коэффициент трансформации X1 — N=3:2. Размеры трансформатора — 205 х 205 мкм. Составы первичной обмотки 3 витков. Слои металла 3 и металл 2 включены в параллель, чтобы уменьшить омические потери. Слой металла 1 не используется, чтобы уменьшить паразитную связь с подложкой (parasitic substrate coupling) первичной обмотки. Оба витка вторичной обмотки используют также слои металла 2 и 3, включенные параллельно. Общий коэффициент связи k = 0,81 на частоте 2,45 ГГц.


Рис. Межкаскадный трансформатор Х2



Рис. Трехмерное изображение входного трансформатора Х1



Рис. 4. Фотография кристалла усилителя мощности (размер кристалла: 1,4 х 0,9 мм)


На рис. 4 приведена фотография интегрированного усилителя мощности. Размер кристалла составляет 1,4 x 0,9 мм.


Рис. Экспериментальные зависимости характеристик передачи усилителя мощности от напряжения питания



Рис. Экспериментально полученные частотные характеристики УМ для выходной мощности (Output Power) и КПД (PAE)


=========================================================================


1. W. Bakalski, W. Simburger 2, R. Thuringer, M. Rest, C. Ahrens, C.Kuhn, A. L. Scholtz. A Monolithic 2.45GHz Power Amplifier in SiGe-Bipolar with 0.4W Output Power and 53% PAE at 2V. http://www.imec.be/esscirc/ESSCIRC2002/PDFs/C10.03.pdf