16、ADS使用記錄之AB類功放設計

基于CGH40010F

0、源文件下載

ADS使用記錄之AB類功放設計

實際得到的功放類型并非嚴格的AB類功放，其波形反而更像是逆EF類功放，究其原因是之前使用參數OPTIM時沒有限定諧波條件，導致最終對諧波進行了控制導致波形偏離原來所設計的，此文章就不對此進行修改了

后補：筆者也是學生，在學習之中，發現很多論文中的功放的類型并非最終實際的波形決定的，而是按照最初的設計方法決定的。比如此次本來要設計AB類功放，結果在調諧優化后實際的輸出波形與AB類相差甚遠，但應該還是要叫AB類，吧？

1、設計指標

中心頻率2.4Ghz
帶寬：200Mhz
輸出功率：10w（40dbm）
回波損耗：小于-15db
PAE：大于百分之50
TOI/IP3：-45dbm

2、數據手冊

3、直流分析+靜態工作點選擇

導入CGH40010F模型文件，第一次使用選擇解壓Design Kit，如果不是第一次使用可以選擇管理庫文件，我這里不是第一次使用：
選擇添加庫定義文件：

到模型解壓的根目錄找到defs文件，點擊打開導入庫：

新建原理圖命名為01_DC_SIMULATION（此原理圖用于直流掃描）：

在菜單欄選擇Insert，插入模板：

此處插入的是我自定義的模板：

插入后如下所示（一般插入模板還需要根據數據手冊對相應電壓進行設置，此處插入模板已經設置好了，比如說此處的掃頻參數）：

直接點擊仿真觀察結果：

可以直接選擇圖中的m2作為靜態工作點，此時導通角為256度，設備工作在AB類模式，在未進行匹配時可以獲得將近百分之46的效率，在匹配后達到百分之50以上應該輕輕松松吧。此處m2的相關參數為工作電壓28V，工作電流211mA，柵極電壓-2.7V。

4、穩定性分析

新建原理圖，命名為02_STABILITY_SIMULATION：

在器件欄的Simulation-Instruments中的第二列第五行中找到穩定性仿真器件，并插入至原理圖中：

插入后合理設置相關參數，如下所示：

此處使用現成模板進行數據顯示，搜索并插入distemplate控件：


雙擊控件進行設置，從安裝過的模板中進行選擇，插入如下的模板：
全部插入后如下所示：

點擊仿真查看數據：

發現系統在2.4Ghz時不絕對穩定，需要額外添加穩定電路，此處在柵極串聯5歐姆電阻用于使系統穩定：

再次進行仿真分析，發現現在穩定性系數大于1，系統絕對穩定：

穩定性分析到此完成，注意由于此時設計的是PA，對于S11參數無額外要求，對系統的噪聲性能也沒要求，因此才能在信號輸入端串接電阻。在進行LNA設計是，這種柵極串接電阻提高穩定性的方法不能被使用。

5、負載牽引和源牽引

在設計向導中選擇·第一個放大器：

在放大器分類中找到負載牽引模板（Load Pull等等等），此處使用Xdb Gain Compression模板：

打開后插入相關器件(附帶穩定性措施)并設置參數;

點擊運行仿真，觀察數據結果，由此可得在輸出阻抗為19+11.25歐姆時可獲得較好的效率：：

按照同樣的步驟打開源牽引模板：

插入晶體管和相關穩定性措施，修改參數使其符合實際的工作條件，點擊仿真：

觀察結果可得當輸入阻抗約為5.3-j*3.5歐姆時可獲得最高的效率：

6、良好匹配下的性能分析

使用自創模板分析單頻率下的輸出性能，注意設置端口阻抗為理想阻抗參數：

仿真觀察結果，發現此時的功率附加效率可達百分之64左右，系統工作在AB類模式下：

7、匹配電路設計

匹配電路包括輸出匹配與輸入匹配電路，在此使用自動生成匹配電路的方式進行匹配，具體流程可以參考：番外4：自動進行功放輸出阻抗匹配設計（匹配至4次諧波）

此處利用自動生成匹配電路的模板得到適宜的輸出匹配電路：

對此匹配電路進行仿真，發現1-4次諧波均匹配良好：

按照同樣的方法進行輸入匹配的設計，在設計完成后將匹配電路打包成為symbol，打包完成后插入主原理圖：

在主原理圖中進行參數OPTIM，設定相應的Goal，一段時間后系統得到了適合的電路參數：

對于此時的匹配電路來說，此時所使用的微帶線均為理想微帶線，在實際設計中還需要將其轉化為實際的微帶線電路。此處使用ADS自帶的微帶線計算工具進行轉換：
對于輸入匹配電路，分別計算各個微帶線的長寬，得到最終的轉換完成的電路，下面是原理想微帶線參數電路圖和實際微帶線電路圖的對比：


在實際微帶線電路圖中，在微帶線交匯處和阻抗改變處需要加入相應的變換節（階梯），在實際微帶線的輸入端加入了一小段50歐姆微帶線用作輸入焊盤，在電容兩側添加了小的微帶線用作焊盤。對于輸出匹配電路，采用同樣的方式進行設計，此處跳過設計步驟，得到電路圖如下所示：

將實際的微帶線電路放到主原理圖中進行仿真，我們對所得的結果可能并不滿意。此處再次使用OPTIM功能對參數進行二次調整，一段時間后調整完畢。得到最終的結果圖（可以看到電流波形近比較像方波，電壓波形類似于半正弦，因此此時實際得到的功放類型并非嚴格的AB類功放，反而更像是逆EF類功放，究其原因是之前使用參數OPTIM時沒有限定諧波條件，導致最終對諧波進行了控制導致波形偏離原來所設計的，此文章就不對此進行修改了）：

可以看到實際中最終得到的效率PAE約為百分之60，大信號增益約為12db左右，輸出匹配和輸入匹配的S11、S22性能良好，各項參數均符合設計要求。

7、交調性能分析

將原來主原理圖中的單音諧波平衡分析換位多音諧波平衡分析，插入相關的IP3計算控件，分別對上下邊帶計算IP3：

修改輸入功率為20dbm，使系統工作在一般狀態，對上述原理圖進行仿真，得到電路的IP3性能，可以看到系統的IP3抑制能力大于45db，性能滿足設計需求（如果輸入功率過大會造成輸出的非IP3性能下降）：

8、版圖設計

新建原理圖命名為09_PCBLAYOUT，將所有電路復制進去，刪除晶體管、電容、與端口，僅留下微帶線：

在菜單欄的Layout選項中選擇產生PCB布局，在接下來彈出的界面點擊Apply：

將輸入輸出電路合理擺放，中間留出晶體管焊盤位置，同時也要為電感電容流出相應的間距，在各個需要連接處插入相應端口：

注意此處我們不考慮電路板實際的尺寸，原則上上述的電路版圖尺寸太大，需要盡力為減少尺寸進行優化。此處直接進行EM設置，首先需要設計基板相關參數，此處使用板材4350B，板材厚度為20mil，其參數為3.66，正切損耗角為0.0037：


設計相關的掃描頻率參數，此處主要進行2.4Ghz單點頻仿真，考慮2.4Ghz的五次諧波。在2-3Ghz之間進行線性掃頻，用于繪制S參數：

在輸出設置中按照如下方式勾選：

在model設置中如下勾選：

全部設置完成后點擊仿真即可，仿真時間較長，仿真完成后關閉彈出的窗口即可。

9、版圖聯合仿真

仿真完成后在EM設置窗口上方點擊Symbol按鈕創建新的模型：


在彈出的Symbol生成器中如下設置，設置Source view為layout且symbol類型選擇為look like：

設置完成后點擊確定即可生成SYMBOL：

新建聯合仿真原理圖，將其命名為10_cosimulation，插入模板并連接相關器件，設置諧波平衡仿真的相關參數：

點擊仿真按鈕左側的choose view for simulation按鈕，點擊生成的版圖symbol，選擇為emmodel：

全部設置完成后點擊仿真按鈕，可以看到波形還是挺好看的，漏極效率可達73左右：

在原理圖中開啟掃描輸入功率：

開啟頻率掃描，發現在帶內漏極效率大于百分之50，在2360-2500之間大于百分之70：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的16、ADS使用记录之AB类功放设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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