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        一種分米波數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的調(diào)制器功放設(shè)計(jì)

        2018-10-21 15:32:05黃海濤
        科技信息·中旬刊 2018年7期
        關(guān)鍵詞:偏置

        黃海濤

        摘要:本文介紹的數(shù)字電視功率放大器為寬帶功率放大器,采用LDMOSFET器件MRF373,該放大器具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍,較高的增益,優(yōu)異的線性度。放大器電路為3 db平衡放大電路結(jié)構(gòu)。經(jīng)過測(cè)試,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        關(guān)鍵詞:MRF373;平衡放大;匹配網(wǎng)絡(luò);偏置

        功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的重要組成部分,通常工作在甲乙類。一般情況下,數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的調(diào)制方式為COFDM,調(diào)制后輸出中頻模擬信號(hào),在經(jīng)過上變頻后送入放大電路部分,此調(diào)制方式包括IFFT(2M)和IFFT(8M)兩種模式,分別由1705和6817個(gè)載波構(gòu)成,由于各個(gè)子載波頻率間隔很接近,導(dǎo)致交調(diào)信號(hào)常常落在頻帶范圍內(nèi),產(chǎn)生交調(diào)失真。因此相對(duì)于模擬電視發(fā)射機(jī)來說數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的功放在線性度和穩(wěn)定性上有更高的要求。數(shù)字調(diào)制信號(hào)在動(dòng)態(tài)峰值范圍內(nèi)時(shí),發(fā)射機(jī)同樣需要很好的線性,足夠好的頻率穩(wěn)定度和頻率精度,較低的相位噪聲,確保傳輸信號(hào)具有較低的誤碼率和信噪比。甲乙類功率放大器效率較高,線性度差,需要通過中頻預(yù)校正方法來提高放大器的線性度。

        數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的功率放大部分包括激勵(lì)放大部分和主功率放大部分,調(diào)制器放大部分一般為寬帶功率放大器。本文設(shè)計(jì)的放大器為激勵(lì)寬帶放大器,工作頻率在U波段(470MHz~860MHz),工作狀態(tài)處于甲乙類,增益超過10 db,噪聲功率密度高于130db/HZ,交調(diào)抑制低于-35db。

        一、功放芯片

        功放芯片采用摩托羅拉公司的LDMOSFET器件MRF373,與傳統(tǒng)雙極性晶體管相比它的增益、線性度及輸出能力都有很大的改善,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LDMOSFET器件MRF373增益典型值13 db;工作承受的高駐波比可達(dá)(VSWR=10:1),有平滑的飽和曲線利于數(shù)字電視RF信號(hào)的放大;具有承受較大驅(qū)動(dòng)的能力,適用于COFDM調(diào)制方式下的多載波信號(hào);偏置電路設(shè)計(jì)容易,不必考慮正溫度補(bǔ)償。

        MRF373的設(shè)計(jì)工藝采用了砷化鎵制造技術(shù),器件的封裝為直接接在襯底上,沒有氧化鈹隔離層,提高了導(dǎo)熱性能,器件的使用壽命得到了很大的延長。它具有負(fù)溫度效應(yīng),受熱時(shí)漏電流將自動(dòng)勻流,不會(huì)形成局部熱點(diǎn),因此器件不容易損壞。因?yàn)槠骷哂凶詣?dòng)勻流作用,所以在飽和區(qū)段(1db壓縮點(diǎn))其輸入輸出曲線下彎處比較緩,展寬了動(dòng)態(tài)范圍。小信號(hào)放大時(shí)接近線性,交調(diào)失真很小,校正電路設(shè)計(jì)簡單。

        二、電路設(shè)計(jì)

        1、平衡放大器電路結(jié)構(gòu)

        功放電路設(shè)計(jì)采用3db平衡放大器結(jié)構(gòu)。雖然傳統(tǒng)模擬功放巴倫形式的推挽電路具有阻抗變換的特點(diǎn),偶次諧波可以得到很好地抑制,但巴倫結(jié)構(gòu)的兩路射頻信號(hào)的隔離度差,可能產(chǎn)生彼此影響,信號(hào)的輸入和輸出的駐波比大,性能穩(wěn)定性差。3db平衡放大電路結(jié)構(gòu)形式和巴倫結(jié)構(gòu)相似,但它增加了3db電橋,提高了兩路射頻通道的隔離度,容易實(shí)現(xiàn)端口匹配,輸入和輸出的反射小,噪聲低,元器件的離散性對(duì)放大電路影響不大。3db平衡放大電路的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        2、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

        根據(jù)技術(shù)手冊(cè)提供的信息設(shè)計(jì)LDMOSFET器件MRF373的輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本功放設(shè)計(jì)為寬帶(470MHz~860MHz)激勵(lì)級(jí)功放,設(shè)計(jì)電路在保證滿足傳輸系數(shù)的條件下不能帶來額外的功耗,采用阻抗變換的方式對(duì)功放器件的輸入輸出端進(jìn)行匹配。按照技術(shù)手冊(cè)提供的電流/電壓曲線,工作電壓(VDD),輸出功率確定功率器件的漏極負(fù)載RL。根據(jù)共軛原理和公式RL=2(VDD-VDS)/2P,P為輸出功率,VDS為拐點(diǎn)靜態(tài)電壓,計(jì)算出MRF373的負(fù)載阻抗RL大約為6Ω。本電路利用分立元件和分布參數(shù)結(jié)合的方法設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò),為了降低熱損耗,利用高阻抗傳輸線代替電感。功率器件的輸入/輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

        3、偏置電路設(shè)計(jì)

        由減法器、穩(wěn)壓塊、過壓保護(hù)、分壓網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成了直流偏置電路為功率器件MRF373提供直流偏置。來自開關(guān)電源的+24V電壓通過15V穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓成+15V作為負(fù)反饋電路和減法器運(yùn)放的電源VCC。運(yùn)算放大器LM7171和外圍電路構(gòu)成了減法器,分壓電阻和電位器構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)。直流+15V經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)整電位器輸出電壓6.8V(調(diào)整范圍4.5~8V)輸入至減法器的一個(gè)輸入端,來自控制部分的增益控制電壓輸入至減法器的另一個(gè)輸入端,在減法器的輸出端輸出3.5~6V電壓控制負(fù)反饋電路,負(fù)反饋電路輸出的直流電壓作為功率器件MRF373的柵極偏置電壓??梢酝ㄟ^改變分壓網(wǎng)絡(luò)的電位器來控制功放增益。

        三、電路優(yōu)化與仿真測(cè)試

        由于數(shù)字功放必須工作在線性放大狀態(tài),因此可以采用小信號(hào)S參數(shù)分析法,通過ADS對(duì)電路小信號(hào)S參數(shù)進(jìn)行仿真來獲取信號(hào)增益,隔離度,匹配端口和穩(wěn)定因數(shù)。仿真后進(jìn)行電路優(yōu)化,盡量匹配最大輸出功率的負(fù)載電阻RL,先確立輸出電路元器件的數(shù)值進(jìn)行匹配優(yōu)化,然后再確立輸入電路元器件的數(shù)值進(jìn)行匹配優(yōu)化,在整個(gè)470MHz~860MHz的頻率范圍內(nèi)選擇最佳的匹配值,使電路在整個(gè)頻帶內(nèi)都具有可靠地增益。

        根據(jù)仿真的最佳匹配結(jié)果設(shè)計(jì)電路板,電路板的介質(zhì)材料為聚四氟乙烯(介電常數(shù)為2.65),厚度為δ=0.8mm,表面覆銅厚度是0.035mm。焊接分立元件電容,外接開關(guān)電源的+24V,調(diào)整分壓網(wǎng)絡(luò)電位器確立功率器件的靜態(tài)工作點(diǎn)在3.5~6V。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試,通過改變電容數(shù)值和位置及靜態(tài)工作點(diǎn),確立增益曲線和回波損耗曲線。經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)整,發(fā)現(xiàn)當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)4.5V,靜態(tài)電流1.8A時(shí),整個(gè)電路具有較好的技術(shù)指標(biāo),此時(shí)帶內(nèi)平坦度低于1db,回波損耗最低,增益可達(dá)20db,交調(diào)抑制低于-35 db,信號(hào)幅度穩(wěn)定,各項(xiàng)指標(biāo)復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

        結(jié)束語:

        本設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)的增益、平坦度、線性和回波損耗等指標(biāo),采用了LDMOSFET功率器件MRF373來設(shè)計(jì)平衡放大電路結(jié)構(gòu),通過仿真優(yōu)化和制板測(cè)試驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)符合技術(shù)要求,能夠滿足數(shù)字發(fā)射機(jī)的激勵(lì)放大要求,將有利于我國數(shù)字電視發(fā)射機(jī)技術(shù)發(fā)展。

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