[學(xué)習(xí)]放大器分析與調(diào)試技巧

1、1,放大器的分析與調(diào)試技巧,吳 輝2005年11月5日,2,目錄,前言低噪聲放大器的分析低噪聲放大器的設(shè)計方法低噪聲放大器的常見故障及解決方法高頻功率放大器的分析高頻功率放大器的設(shè)計方法高頻功率放大器的常見故障及解決方法舉例說明高頻功率放大器的調(diào)試技巧總結(jié),3,前言,前面講到放大器的分類比較多，有低頻的、高頻的、微波的、高頻放大器又分為低噪聲放大器、推動放大器、高功率放大器、超線性功放等。在這里，我們主要對與我們

2、公司產(chǎn)品相關(guān)的高頻低噪聲放大器及高功率放大器作一些分析，以便對大家今后在設(shè)計、生產(chǎn)調(diào)試過程中有所幫助。（注：我們這里所指的放大器都是指窄帶放大器）。,4,一、低噪聲放大器的分析,低噪聲放大器顧名思義是指噪聲系數(shù)比較低的放大器，一般用在通訊設(shè)備的前端（RFE），對系統(tǒng)起著降低噪聲、提高接收靈敏度的作用。基本指標要求：1、頻率范圍：是指放大器所工作的頻率2、增益（GAIN）：輸出信號電平與輸入信號電平的比。

3、 GAIN（dB）=Pout(dBm)-Pin (dBm)3、噪聲系數(shù)（NF）：輸入信噪比與輸出信噪比的比值 NF=10Lg （ ）,5,,放大器的級聯(lián)噪聲系數(shù)計算： Fcas = F1+ + +

4、……4、帶內(nèi)平坦度（Ripple)：通頻帶內(nèi)增益最大值與最小值的差值。5、輸入、輸出電壓駐波比（VSWR）：傳輸線上電壓最大值與最小值的比。 回波損耗與駐波比的關(guān)系： 回波損耗 RL=-20Lg|T | 駐波比VSWR = 其中T

5、為反射系數(shù),6,二、低噪聲放大器的設(shè)計方法,1、根據(jù)系統(tǒng)要求選擇器件 根據(jù)要求選擇低噪聲管及其它推動放大器、合理分配級聯(lián)增益、OIP3等。目前常用的低噪聲管有內(nèi)匹配的MMIC，例如MACOM公司的AM500XX系列；外匹配的Aglient的ATFXX系列；2、輸入、輸出匹配 匹配的最終目的是要滿足各項指標：噪聲系數(shù)、增益、輸入（輸出駐波比）。 常用的輸入、輸出匹配方法有：單支節(jié)匹配、雙支節(jié)匹配、最大增

6、益匹配、最佳噪聲匹配、共軛匹配等。,7,,3、計算機輔助設(shè)計（CAD） 利用仿真軟件進行仿真，優(yōu)化設(shè)計。4、設(shè)計原理圖和PCB5、實驗板調(diào)試。,8,,例1. 設(shè)計一個低噪聲放大器要求： 頻率范圍：820-960MHz   增益：G≥45dB   

7、 噪聲系數(shù)：Nf≤1.5    帶內(nèi)平坦度：≤±0.2dB     線性功率：P-1≥15dBm 電調(diào)衰減：Att= 31dB (5bit),9,,設(shè)計過程：1.放大器級數(shù)的考慮：由于常見器件有效實際增益為11-17dB，故此，3-4級方可滿足增益要求。經(jīng)對比分析我們確定了以

8、下方案：第一級：ATF10136 Nf=0.4dB G=13.5dB OIP3=18dBm 第二級：MSA1105 Nf=4.1dB G=10.5 dB OIP3=25dBm 第三級：SGA6586 Nf=2.6dB G=23.8dB OIP3=33dBm 在第二級與第三級之間插入數(shù)字電調(diào)衰減器，其數(shù)字電調(diào)衰減器的最小IL為1.8dB，所以，總增益約為46dB。,10,,2.噪聲系

9、數(shù)的計算：一個放大器的噪聲系數(shù)主要取決于第一、二級放大管的Nf及Gain，見以下公式： NFs=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/(G1G2)+……(NFn- 1)/(G1G2…Gn-1)式中：NFn為第n級器件的噪聲系數(shù) Gn-1為第n-1級器件的增益,11,,基于產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性考慮，經(jīng)Agilent的ADS2003A仿真計算，將第一級FET優(yōu)化設(shè)計成:Nf=0.85dB Gain=13.5

10、dB，經(jīng)以上公式計算得出噪聲系數(shù)理論值為1.1dB，滿足指標要求。3.線性功率考慮：線性功率小，交調(diào)指標差，它將最終影響功放的ACPR值和IM3；但是，過分地要求加大P-1，將增加電流消耗，降低了設(shè)備的可靠度，同時提高了造價，綜合考慮諸多因素，SGA6586比較合適。5bit電調(diào)衰減器選用Hittite公司的HMC273MS10G。其它參數(shù)如頻率、平坦度等由軟件設(shè)計，再經(jīng)調(diào)試即可達到要求。,12,三、低噪聲放大器的常見故障及解決方

11、法,1、無增益或增益異常導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：電路虛焊、耦合電容損壞、供電不正常、某一放大器損壞、低噪聲管匹配電路異常。 解決方法：檢查主放大電路、測試各級放大器的供電電壓和偏置電壓、檢查低噪聲管的匹配電路。2、噪聲偏高導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：低噪管輸入匹配異常、低噪聲管供電異常。解決方法：檢查低噪聲管的匹配電路、檢查低噪聲管供電電路,13,,3、OIP3偏低、互調(diào)差。導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：末級放大管工作不正常、供電電路不正常。解

12、決方法：檢查末級放大器的電路、檢查各級放大器的供電電路。4、數(shù)控衰減不正常導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：數(shù)控衰減器電路異常、數(shù)控衰減器接地不良、數(shù)控衰減器供電不正常。,14,四、高功率放大器的分析,高頻功率放大器通常是指輸出功率大于幾十毫瓦以上的高頻放大器，主要用作功率放大，一般用在通訊系統(tǒng)的發(fā)射末級，與雙工器及天線相連?；局笜艘?、頻率范圍：是指放大器所工作的頻率2、輸出功率（Pout)：功放要求設(shè)計的輸出功率、是功放各項指標要求

13、的前提。3、1dB 壓縮點的輸出功率（P-1)： 1dB 壓縮點的輸出功率是指功率放大器增益壓縮1dB 時的輸出功率。 P-1是衡量功率放大器線性的一個重要指標之一。例如：我們公司功放產(chǎn)品中CPA40D中所說的MRF9180，180指的就是末級管P–1是180W。,15,,4、增益（Gain）：額定輸出時，輸出信號電平與輸入信號電平的比值。5、三階互調(diào)抑制（IMD）：在額定輸出時，三階互調(diào)產(chǎn)物與基頻信號的比值，是測量功放線性度的常用

14、指標。6、鄰信道功率比（ACPR）：功放對鄰信道的雜散與主信號的比值，是衡量功放線性度的又一重要指標。7、帶內(nèi)波動（RIPPLE）：在額定輸出時，工作頻帶內(nèi)最大值與最小值的比。8、輸入（出）駐波比（VSWR）：傳輸線上電壓最大值與最小值的比,16,,9、噪聲系數(shù)：功放輸入信噪比與輸出信噪比的比值，由于功放作為系統(tǒng)發(fā)射末端，對噪聲系數(shù)的要求并不是很高，通常要求功放的噪聲系數(shù)小于8在dB即可。10、功放效率：在額定輸出時，功放輸出

15、功率與電源輸出功率的比值，是衡量放大器將直流電源轉(zhuǎn)換成信號功率的能力。,17,五、高功率放大器的設(shè)計方法,由于高功率放大器輸出的信號比較高，不能象小信號放大器一樣利用S參數(shù)來進行仿真計算，因此，通常采用的方法有：甲類逼近法、阻抗匹配法、諧波平衡法、負載牽引法等，最常用的方法是阻抗匹配法和諧波平衡法，以下僅對阻抗匹配法作簡要介紹：1、根據(jù)系統(tǒng)要求選擇器件 首先要根據(jù)系統(tǒng)指標要求，選用前級、末級、推動級放大管，是方案設(shè)計的基礎(chǔ)

16、。,18,,2、計算系統(tǒng)指標及各級指標分配 計算系統(tǒng)指標及各級指標分配，這一步很關(guān)鍵，是方案設(shè)計的關(guān)鍵。3、功能電路的設(shè)計 功能電路包括：功放開關(guān)電路、功率檢測電路、駐波檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路及溫度補嘗電路等。 功能電路設(shè)計質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的可生產(chǎn)性及可操作性。,19,,3、放大器的仿真、計算 由于放大器工作在大信號狀態(tài)下，只能測試其大信號下的輸入、輸出阻抗，通常情況下，我們要利用其輸

17、入、輸出阻抗進行仿真計算。常用的CAD軟件有：Agilent公司的ADS、ANSOFT公司的SERENDER4、放大器的輸入、輸出匹配 目前使用的大功率放大管以外匹配的LDMOS及FET Ga As為主，所以放大管的匹配是功放電路設(shè)計的一個重點工作之一。,20,,5、設(shè)計原理圖及PCB文件 原理圖和PCB設(shè)計方案設(shè)計的成果，一個好的PCB設(shè)計能決定一個方案的成敗。6、制板、實驗板調(diào)試 制板及調(diào)試是方案設(shè)

18、計的后期工作，是方案設(shè)計的驗證階段。7、例行實驗及可靠性分析 例行實驗包括高低溫實驗、振動實驗、高溫老化、EMC等，是常用的可靠性的分析方法。,21,六、低噪聲放大器的常見故障及解決方法,1、功放無輸出、電流很大 導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：自激、電源短路， 解決方法：檢查電源是否短路2、功放無增益或輸出很小、電流正常導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：主放大電路高頻短路、耦合電容虛焊或損壞、某級放大器損壞。解決方法：先檢查放大電路是否有高

19、頻短路、耦合電容是否有虛焊、再查看各級放大器偏置電壓是否正常。,22,,3、增益偏小導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：放大電路耦合電容不良、某級放大器性能不良、供電不正常、隔離器損耗大、匹配電路不正常等。解決方法：檢查每一級偏置電壓和匹配電路是否正常、如果正常，使用開口電纜分別測試每一級的增益。4、三階互調(diào)高、ACPR差導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：末級或推動級靜態(tài)工作點不正常，末級輸入、輸出匹配電路不正常。解決方法：檢查各級偏置電壓及靜態(tài)電流、檢查

20、匹配電路是否異常。,23,,,5、電流偏大、效率低導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：靜態(tài)工作點過高、匹配電路不正常、隔離器損耗大。解決方法：檢查各級偏置電壓及靜態(tài)電流、檢查匹配電路是否異常。放大器輸出端、隔離器是否正常。6、功放增益偏小，功率上不去，但電流很大導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：功放自激解決方法：首先檢查哪一級自激、檢查相應(yīng)的供電電路和匹配電路是否有異常。,24,,7、前向（反向）功率檢測不正常導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：耦合器短路、檢波器或檢波

21、電路不正常。解決方法：耦合器是否短路、檢波電路是否正常。8、駐波比偏大導(dǎo)致這種現(xiàn)象情況有：隔離器駐波差解決方法：更換隔離器,25,七、舉例說明高頻功率放大器的調(diào)試技巧,下面我們以我公司的移動系列功放GXDPA40D為例分析我們在生產(chǎn)調(diào)試過程中所遇到的問題及常用的解決方法： 指標要求： 工作頻率 ： 930MHz~960MHz 增 益 ： 50±1dB

22、 增益平坦度： <1dB 輸出功率： ≥41.5dBm 雙音互調(diào)（IMD）： ≤-53dBc@Pout=41.5dBm,26,,噪聲系數(shù) ： <8dB 輸入駐波比 ： <1.4 輸出駐波比 ： <1.25 靜態(tài)電流 ： <1.8A

23、 額定輸出電流 ： <4.0A 工作溫度范圍： -25℃ ～ 65℃,27,,原理框圖：,28,,,原理說明 GXDPA40D功放采用四級放大，第一級為AG602，第二級為AH1，此兩級為內(nèi)匹配管，無需調(diào)試；第三級為MRF9030L，第四級為兩個MRF9060L推挽放大，此兩級的輸入輸出均需匹配。 在控制和監(jiān)控方面設(shè)有輸出功率檢測電路、反射功率檢測電路和溫度檢測電路。功

24、放單元采用單電源供電，27V電源經(jīng)過濾波后直接給MRF9030L和MRF9060L漏極供電，另一面通過轉(zhuǎn)換效率高的集成開關(guān)電源模塊（LM2576-12）轉(zhuǎn)換到12V，再通過各種調(diào)整穩(wěn)壓IC提供相應(yīng)的電壓給各部分供電。功放單元還結(jié)合LM2576-12的輸出可控功能，設(shè)有功放工作使能開關(guān),29,,調(diào)試說明 1、檢查焊接工藝，無虛焊，短路。 2、用萬用表測試各模塊供電是否有對地短路。 3、  斷開JP5

25、、JP10。 4、 接通27V電源，電流表的讀數(shù)為140±20mV,測試各靜態(tài)工作電點電壓，各IC供電正常。 5、調(diào)節(jié)VR3，使U4柵壓為2.0V；調(diào)節(jié)VR4、VR5，使U11、U12柵壓均為2.0V,30,,6、調(diào)節(jié)VR1使電感L3的電壓為0.5V。7、調(diào)節(jié)VR2使電容C11的電壓為3V。 8、校好儀表，正確連接，焊接好JP5，調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)VR3,使U4的靜態(tài)電流為220mA(柵壓為3.7V左右) ；

26、焊接好JP10,調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)VR4 、VR5,使U12、U11的靜態(tài)電流分別為700mA(柵壓為3.9V左右)和500mA(柵壓為3.85V左右),關(guān)斷電源 。9、連接好測試電纜,將輸入信號設(shè)為-20dBm,上電測試,逐步加大輸入信號,測試該模塊的技術(shù)指標。調(diào)節(jié)C83的位置可改善IM3。調(diào)節(jié)C84、C85可改善帶內(nèi)波動時，在高低端時的互調(diào)均應(yīng)滿足指標。回退時IM3無反彈。,31,,10、調(diào)節(jié)APD(VR1)， 聯(lián)調(diào)各級靜態(tài)點，使指標

27、最優(yōu)。調(diào)節(jié)VR2，使增益 為50dB。 11、在頻帶內(nèi)的高低端選擇頻率點，重復(fù)測試IMD指標。12、使輸出為40dBm，測試DB15F的5腳的電壓為700±20mV，若不在此范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)R32、R28、R29組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。調(diào)節(jié)信號源輸出電平，使功放的輸出功率為30dBm，測得電壓在500±20mV。13、斷開輸出端，加信號使輸出為40dBm，測得DB15F的6腳的電壓為700±20mV，若不在此

28、范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)R24、R25、R30組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。調(diào)節(jié)信號源輸出電平，使功放的輸出功率為30dBm，斷開輸出端，測得電壓在500±20mV。14、測試DB15F的15腳電壓為0.80±0.1V(常溫，功放沒有發(fā)熱的情況下),32,八、常見故障及解決方法,1、電流大（短路）用萬用表測得27V供電有對地短路現(xiàn)象，分別斷開JP4、JP9測試U4、U11、U12的輸出端有無對地短路，若無則為公共部分有短路的元件，需逐個判

29、斷。  2、功率管工作不正常(弱自激)關(guān)閉后兩級功放管柵壓時功放的電流為140±20mA,若偏大（幾十毫安），測試U1輸出端電壓,如果為5V±0.1V則正常,要查找各IC（U3、U7、U8、U14、U15、U19）工作是否正常。在調(diào)節(jié)U4的靜態(tài)電流時，若有電流突變現(xiàn)象，說明該級有自激現(xiàn)象，電流突變后測試R11兩端電壓,如果為零為正常,否則功率管已受損。同理,可判斷U11、U12是否正常。,33,,3、

30、無增益驗證系統(tǒng)，確保連接正確，系統(tǒng)正常。檢查27V供電是否正常；電流是否正常。如果不正常則檢測功率管的柵壓是否正常。如果功率管無柵壓則檢查U12（LM2576）是否有輸出，如果有輸出檢查U15、U19輸出是否正常，若無則檢查使能腳是否為低電平，若為低電平則U12損壞。檢查功率管之前主放大電路有無虛焊（斷路）；若無則測試U1、U3有無損壞。如果正?？捎瞄_口電纜探測各級放大器是否有增益。,34,,4、  增益偏低。

31、60;   驗證系統(tǒng)，確保校對無誤。增益低、互調(diào)差，則可能末級管有單路損壞，可通過測試柵級電壓（（R14、R15壓差）來判斷。檢查主放大電路有無虛焊，ATC電容有無損壞，若無則需要檢查各級的增益是否常。,35,,5．互調(diào)不達標 檢查輸出電纜及衰減器是否正常。 按調(diào)試說明調(diào)節(jié)還是沒有達到要求，則檢查功率管靜態(tài)電流是否正常。檢查ATC電容C84、C85、C103是否損壞，位置是否正常。6．功率指示無電壓