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

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