[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(jì)方法低噪聲放大器的常見(jiàn)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(jì)方法高頻功率放大器的常見(jiàn)故障及解決方法舉例說(shuō)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(dòng)放大器、高功率放大器、超線性功放等。在這里，我們主要對(duì)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(duì)大家今后在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)試過(guò)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(duì)系統(tǒng)起著降低噪聲、提高接收靈敏度的作用?；局笜?biāo)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(hào)電平與輸入信號(hào)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(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)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(jì)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(dòng)放大器、合理分配級(jí)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(xiàng)指標(biāo)：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：?jiǎn)沃Ч?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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 利用仿真軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)。4、設(shè)計(jì)原理圖和PCB5、實(shí)驗(yàn)板調(diào)試。,8,,例1. 設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)過(guò)程：1.放大器級(jí)數(shù)的考慮：由于常見(jiàn)器件有效實(shí)際增益為11-17dB，故此，3-4級(jí)方可滿足增益要求。經(jīng)對(duì)比分析我們確定了以

8、下方案：第一級(jí)：ATF10136 Nf=0.4dB G=13.5dB OIP3=18dBm 第二級(jí)：MSA1105 Nf=4.1dB G=10.5 dB OIP3=25dBm 第三級(jí)：SGA6586 Nf=2.6dB G=23.8dB OIP3=33dBm 在第二級(jí)與第三級(jí)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(jì)算：一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)主要取決于第一、二級(jí)放大管的Nf及Gain，見(jiàn)以下公式： NFs=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/(G1G2)+……(NFn- 1)/(G1G2…Gn-1)式中：NFn為第n級(jí)器件的噪聲系數(shù) Gn-1為第n-1級(jí)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(jì)算，將第一級(jí)FET優(yōu)化設(shè)計(jì)成:Nf=0.85dB Gain=13.5

10、dB，經(jīng)以上公式計(jì)算得出噪聲系數(shù)理論值為1.1dB，滿足指標(biāo)要求。3.線性功率考慮：線性功率小，交調(diào)指標(biāo)差，它將最終影響功放的ACPR值和IM3；但是，過(guò)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(shí)提高了造價(jià)，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(jì)，再經(jīng)調(diào)試即可達(dá)到要求。,12,三、低噪聲放大器的常見(jiàn)故障及解決方

11、法,1、無(wú)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(cè)試各級(jí)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(jí)放大管工作不正常、供電電路不正常。解

12、決方法：檢查末級(jí)放大器的電路、檢查各級(jí)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(jí)，與雙工器及天線相連?；局笜?biāo)要求1、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(jì)的輸出功率、是功放各項(xiàng)指標(biāo)要求

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

14、指標(biāo)。6、鄰信道功率比（ACPR）：功放對(duì)鄰信道的雜散與主信號(hào)的比值，是衡量功放線性度的又一重要指標(biāo)。7、帶內(nèi)波動(dòng)（RIPPLE）：在額定輸出時(shí)，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(duì)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(shí)，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(hào)功率的能力。,17,五、高功率放大器的設(shè)計(jì)方法,由于高功率放大器輸出的信號(hào)比較高，不能象小信號(hào)放大器一樣利用S參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)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(fù)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(duì)阻抗匹配法作簡(jiǎn)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(biāo)要求，選用前級(jí)、末級(jí)、推動(dòng)級(jí)放大管，是方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

16、。,18,,2、計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)及各級(jí)指標(biāo)分配 計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)及各級(jí)指標(biāo)分配，這一步很關(guān)鍵，是方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。3、功能電路的設(shè)計(jì) 功能電路包括：功放開(kāi)關(guān)電路、功率檢測(cè)電路、駐波檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路及溫度補(bǔ)嘗電路等。 功能電路設(shè)計(jì)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(jì)算 由于放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)下，只能測(cè)試其大信號(hào)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(jìn)行仿真計(jì)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(jì)的一個(gè)重點(diǎn)工作之一。,20,,5、設(shè)計(jì)原理圖及PCB文件 原理圖和PCB設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的成果，一個(gè)好的PCB設(shè)計(jì)能決定一個(gè)方案的成敗。6、制板、實(shí)驗(yàn)板調(diào)試 制板及調(diào)試是方案設(shè)

18、計(jì)的后期工作，是方案設(shè)計(jì)的驗(yàn)證階段。7、例行實(shí)驗(yàn)及可靠性分析 例行實(shí)驗(yàn)包括高低溫實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、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(jiàn)故障及解決方法,1、功放無(wú)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(wú)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)偏置電壓和匹配電路是否正常、如果正常，使用開(kāi)口電纜分別測(cè)試每一級(jí)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(jí)或推動(dòng)級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)不正常，末級(jí)輸入、輸出匹配電路不正常。解決方法：檢查各級(jí)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(diǎn)過(guò)高、匹配電路不正常、隔離器損耗大。解決方法：檢查各級(jí)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(jí)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(cè)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(shuō)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(dòng)系列功放GXDPA40D為例分析我們?cè)谏a(chǎn)調(diào)試過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及常用的解決方法： 指標(biāo)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(shuō)明 GXDPA40D功放采用四級(jí)放大，第一級(jí)為AG602，第二級(jí)為AH1，此兩級(jí)為內(nèi)匹配管，無(wú)需調(diào)試；第三級(jí)為MRF9030L，第四級(jí)為兩個(gè)MRF9060L推挽放大，此兩級(jí)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(cè)電路、反射功率檢測(cè)電路和溫度檢測(cè)電路。功

24、放單元采用單電源供電，27V電源經(jīng)過(guò)濾波后直接給MRF9030L和MRF9060L漏極供電，另一面通過(guò)轉(zhuǎn)換效率高的集成開(kāi)關(guān)電源模塊（LM2576-12）轉(zhuǎn)換到12V，再通過(guò)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(kāi)關(guān),29,,調(diào)試說(shuō)明 1、檢查焊接工藝，無(wú)虛焊，短路。 2、用萬(wàn)用表測(cè)試各模塊供電是否有對(duì)地短路。 3、  斷開(kāi)JP5

25、、JP10。 4、 接通27V電源，電流表的讀數(shù)為140±20mV,測(cè)試各靜態(tài)工作電點(diǎn)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(cè)試電纜,將輸入信號(hào)設(shè)為-20dBm,上電測(cè)試,逐步加大輸入信號(hào),測(cè)試該模塊的技術(shù)指標(biāo)。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(dòng)時(shí)，在高低端時(shí)的互調(diào)均應(yīng)滿足指標(biāo)?；赝藭r(shí)IM3無(wú)反彈。,31,,10、調(diào)節(jié)APD(VR1)， 聯(lián)調(diào)各級(jí)靜態(tài)點(diǎn)，使指標(biāo)

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(diǎn)，重復(fù)測(cè)試IMD指標(biāo)。12、使輸出為40dBm，測(cè)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(hào)源輸出電平，使功放的輸出功率為30dBm，測(cè)得電壓在500±20mV。13、斷開(kāi)輸出端，加信號(hào)使輸出為40dBm，測(cè)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(hào)源輸出電平，使功放的輸出功率為30dBm，斷開(kāi)輸出端，測(cè)得電壓在500±20mV。14、測(cè)試DB15F的15腳電壓為0.80±0.1V(常溫，功放沒(méi)有發(fā)熱的情況下),32,八、常見(jiàn)故障及解決方法,1、電流大（短路）用萬(wàn)用表測(cè)得27V供電有對(duì)地短路現(xiàn)象，分別斷開(kāi)JP4、JP9測(cè)試U4、U11、U12的輸出端有無(wú)對(duì)地短路，若無(wú)則為公共部分有短路的元件，需逐個(gè)判

29、斷。  2、功率管工作不正常(弱自激)關(guān)閉后兩級(jí)功放管柵壓時(shí)功放的電流為140±20mA,若偏大（幾十毫安），測(cè)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(shí)，若有電流突變現(xiàn)象，說(shuō)明該級(jí)有自激現(xiàn)象，電流突變后測(cè)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(wú)增益驗(yàn)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(cè)功率管的柵壓是否正常。如果功率管無(wú)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(wú)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(wú)虛焊（斷路）；若無(wú)則測(cè)試U1、U3有無(wú)損壞。如果正?？捎瞄_(kāi)口電纜探測(cè)各級(jí)放大器是否有增益。,34,,4、  增益偏低。

31、60;   驗(yàn)證系統(tǒng)，確保校對(duì)無(wú)誤。增益低、互調(diào)差，則可能末級(jí)管有單路損壞，可通過(guò)測(cè)試柵級(jí)電壓（（R14、R15壓差）來(lái)判斷。檢查主放大電路有無(wú)虛焊，ATC電容有無(wú)損壞，若無(wú)則需要檢查各級(jí)的增益是否常。,35,,5．互調(diào)不達(dá)標(biāo) 檢查輸出電纜及衰減器是否正常。 按調(diào)試說(shuō)明調(diào)節(jié)還是沒(méi)有達(dá)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(wú)電壓