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)

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，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)信號常常落在頻帶范圍內(nèi)，產(chǎn)生交調(diào)失真。因此相對于模擬電視發(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)制信號在動態(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信號的放大；具有承受較大驅(qū)動的能力，適用于COFDM調(diào)制方式下的多載波信號；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)漏電流將自動勻流，不會形成局部熱點(diǎn)，因此器件不容易損壞。因?yàn)槠骷哂凶詣觿蛄髯饔?，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，展寬了動態(tài)范圍。小信號放大時(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)的兩路射頻信號的隔離度差，可能產(chǎn)生彼此影響，信號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功放器件的輸入輸出端進(jìn)行匹配。按照技術(shù)手冊提供的電流/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S參數(shù)分析法，通過ADS對電路小信號S參數(shù)進(jìn)行仿真來獲取信號增益，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。