MAX2242功率放大器: 應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

本文詳細(xì)描述了MAX2242功率放大器(PA)的應(yīng)用。主題包括：PCB布板、級(jí)間匹配、熱管理以及裸片級(jí)(UCSP)封裝。PA在CCK調(diào)制、第一旁瓣ACPR -33dBc時(shí)提供+22dBm輸出功率。片上功率檢測(cè)器具有20dB動(dòng)態(tài)范圍。工作電壓為2.7V至3.6V。使用FR4電路板材料。接地是高頻、大功率電路的關(guān)鍵。為獲得最佳性能，本文提供了電路圖范例。對(duì)整個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真時(shí)介紹了匹配電路設(shè)計(jì)。無論低頻還是高頻電路，電源線上都需要旁路電容。UCSP封裝圖上焊球間距為0.5mm。MAX2242測(cè)試裝置中用頻譜分析儀測(cè)量旁瓣電平，用RF功率計(jì)測(cè)量輸出功率。

概述

本篇應(yīng)用筆記的目的是為設(shè)計(jì)工程師提供關(guān)于MAX2242功率放大器的應(yīng)用資料。本文涉及到許多主題，包括：印刷電路板圖、級(jí)間匹配、輸入輸出阻抗、熱管理以及裸片級(jí)封裝。

簡(jiǎn)要說明

MAX2242是為2.4GHz ISM波段無線LAN應(yīng)用而設(shè)計(jì)的線性功率放大器，能在第一旁瓣鄰信道功率比(ACPR) -33dBc和第二旁瓣ACPR -55dBc時(shí)提供22.5dBm線性輸出功率，符合IEEE802.11b 11MB/s WLAN標(biāo)準(zhǔn)。該款PA的封裝形式為3 x 4裸片級(jí)封裝(UCSP?)，尺寸僅1.5mm x 2.0mm，非常適合小型PC卡和緊湊的閃存卡中的無線裝置。

MAX2242功率放大器包括三級(jí)PA、功率檢測(cè)器和電源管理電路。輸出功率最大時(shí)，功率檢測(cè)器能以±0.8dB的精度提供大于20dB的動(dòng)態(tài)范圍。利用該檢測(cè)電路很容易實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)功率控制(ALC)功能。

MAX2242還有一個(gè)外部偏置控制引腳。輸出功率較低時(shí)，利用外部DAC控制可以在保證足夠的ACPR前提下降低電源電流，從而在全功率范圍內(nèi)保持盡可能高的效率。該器件工作在單電源+2.7V至+3.6V，內(nèi)部關(guān)斷功能將工作電流降至0.5μA，不需要外部電源開關(guān)。

應(yīng)用

• IEEE802.11b
• 無線LAN
• Home RF
• 2.4GHz無繩電話
• 2.4GHz ISM無線裝置

特性

• Po = 22.0dBm線性輸出功率(第一旁瓣ACPR -33dBc、第二旁瓣ACPR -55dBc)
• 28dB增益
• 內(nèi)置功率檢測(cè)器
• 外部偏置控制降低電源電流
• +2.7V至+3.6V單電源供電
• 裸片級(jí)封裝(UCSP), 1.5mm x 2.0mm

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)RF功率放大器時(shí)，需要考慮許多因素。在開始設(shè)計(jì)印刷電路板圖之前，必須很好地理解以下注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)資源(在下文中討論)：

• 印刷電路板材料
• 接地方案
• 級(jí)間匹配
• 輸入輸出阻抗匹配
• 瞬態(tài)穩(wěn)定性
• 熱管理
• 裸片級(jí)封裝(UCSP)
• 放大器測(cè)試方案
• MAX2242數(shù)據(jù)手冊(cè)
• MAX2242評(píng)估板

印刷電路板材料

印刷電路板材料應(yīng)選用FR4或G-10。這類材料對(duì)大多數(shù)工作頻率在3GHz以下的低成本無線應(yīng)用都是很好的選擇。MAX2242評(píng)估板使用的是4層FR4，其介電常數(shù)為4.5，絕緣層厚度6 mil、1oz覆銅。

接地方案

良好的接地是極為重要的。當(dāng)設(shè)計(jì)RF功率放大器時(shí)，不同元件的接地方法很重要，需要特別關(guān)注。 對(duì)低阻器件，考慮更多的是電流環(huán)路；而在高阻電路中則更關(guān)心高電壓。這意味著需要仔細(xì)考慮接地的電流通路和元件的電流處理能力。請(qǐng)牢記，接地問題對(duì)大功率或高頻電路更為關(guān)鍵。而本應(yīng)用既要求大功率、也是高頻電路！

在設(shè)計(jì)像MAX2242這樣在2.45GHz下輸出阻抗只有大約(8 + j5)Ω的低阻電路時(shí)，0.5nH電感就可以產(chǎn)生8Ω的感抗，8Ω的感抗相當(dāng)于介電常數(shù)為4.5、厚度為6mil的FR4印刷電路板上60mil x 10mil的微帶線產(chǎn)生的阻抗。

本應(yīng)用中，良好的接地意味著將頂層元件層與地平面之間的感抗降至最小，使兩個(gè)不同接地點(diǎn)之間的電勢(shì)差為0V，避免兩級(jí)之間寄生信號(hào)的耦合。

良好的接地需確保地平面盡可能連續(xù)，頂層地平面與底層的地平面應(yīng)該利用多個(gè)鍍金過孔連接。MAX2242有三個(gè)接地引腳：GND1、GND2和GND3。為了使感抗最小，這三個(gè)引腳接地的過孔位置要離器件盡可能近。MAX2242評(píng)估板上使用10mil鍍金過孔接地，這些接地過孔的邊緣與PA三個(gè)接地引腳的邊緣距離為4mil。

圖1所示表示如何用多個(gè)過孔改善電路板接地條件，通過將接地過孔放置在盡可能接近元件的位置使電路板不同層之間的感抗最小，也使無源元件的感抗最小。另外，將接地過孔沿RF通道擺放可以移動(dòng)匹配元件的位置，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。


圖1. MAX2242評(píng)估板頂層元件層視圖

級(jí)間匹配

由于級(jí)間匹配使部分匹配，多級(jí)放大器的外部級(jí)間匹配非常嚴(yán)格。為優(yōu)化前級(jí)驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)放大器需要少量的電感，集總參數(shù)形式或分布參數(shù)形式均可。


圖2. MAX2242應(yīng)用電路圖

輸入輸出阻抗匹配

輸入輸出阻抗匹配通過兩個(gè)重復(fù)操作過程實(shí)現(xiàn)。第一步通過小信號(hào)仿真；第二步在大信號(hào)條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)。

圖3和圖4所示為按照實(shí)際電路板尺寸得到的集總和分布元件模型，它們組成了最佳輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖5是根據(jù)實(shí)際電路板仿真得到的最佳信號(hào)源Z(1,1)和負(fù)載Z(2,2)的阻抗。將Z(1,1)和Z(2,2)作為最佳信號(hào)源和負(fù)載阻抗的起點(diǎn)。


圖3. 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)


圖4. 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)


圖5. 最佳信號(hào)源和負(fù)載阻抗

瞬態(tài)穩(wěn)定性

另外一個(gè)需要關(guān)注的問題是改善瞬態(tài)穩(wěn)定性。按照以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)將避免MAX2242出現(xiàn)不穩(wěn)定。

首先，在主Vcc輸入端與地之間放置一個(gè)大的全局旁路電容(鉭電容或電解電容)，以避免電路出現(xiàn)振蕩趨勢(shì)。在其它Vcc輸入端增加局部退耦電容可以阻斷與電源有關(guān)的反射。

電源的偏置引線需要加適當(dāng)?shù)钠帘危苑兰纳鶵F信號(hào)耦合到偏置電源。這對(duì)于串聯(lián)增益為30dB或更高的多級(jí)PA尤為重要。電源偏置的屏蔽可以通過隔離開各個(gè)Vcc引線實(shí)現(xiàn)，如果可能的話，將Vcc引線布在寄生信號(hào)最弱的底層地平面上，或布在電路板上寄生信號(hào)最弱的其它層面上。

高增益多級(jí)放大器容易受到反饋的影響，這種反饋是由輸出信號(hào)耦合到輸入通道引起的。電路會(huì)在相位差達(dá)到180度的頻點(diǎn)發(fā)生振蕩。為了將輸出耦合到輸入的RF信號(hào)降至最小，建議RF信號(hào)走線盡可能短，以減小天線效應(yīng)。

最后，電路板接地不良也會(huì)引起振蕩。PA的大電流流經(jīng)阻抗不為0的地線會(huì)將電壓差和注入噪聲引入地線系統(tǒng)。


圖6. 包括內(nèi)部框圖的應(yīng)用電路原理圖


圖7. MAX2242評(píng)估板底層視圖

熱管理

功率晶體管的集電結(jié)耗散大量功率。耗散功率表現(xiàn)為熱量，這會(huì)使結(jié)點(diǎn)溫度上升。但是結(jié)點(diǎn)溫度T_J不能超過額定最大值T_Jmax；否則晶體管可能永久損壞。即便不出現(xiàn)突然失效的情況，長(zhǎng)期可靠性也會(huì)受到影響。硅器件的T_Jmax大約為150℃，作為基于硅材料的器件，MAX2242以150℃或T_Jmax作為它的最高結(jié)點(diǎn)溫度。

MAX2242直接用評(píng)估板的地平面作為散熱器。

圖8用等效電路的形式表示熱傳導(dǎo)過程。功率耗散與電流對(duì)應(yīng)，溫度差與電壓差對(duì)應(yīng)，熱阻與電阻對(duì)應(yīng)。


圖8. 熱傳導(dǎo)過程的等效電路

裸片級(jí)封裝(UCSP)

MAX2242采用裸片級(jí)封裝。這種封裝技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是使IC到印刷電路板間的電感最小。另一個(gè)好處是減小封裝尺寸、縮短研發(fā)周期，同時(shí)提高熱傳導(dǎo)特性。欲獲得更多關(guān)于UCSP的信息，請(qǐng)參見應(yīng)用筆記晶片級(jí)封裝。


圖9. 裸片級(jí)封裝

放大器測(cè)試方案

圖10. MAX2242測(cè)試方案