MAX2242功率放大器: 應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)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(wú)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(shuō)明

MAX2242是為2.4GHz ISM波段無(wú)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(wú)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(kāi)關(guān)。

應(yīng)用

• IEEE802.11b
• 無(wú)線LAN
• Home RF
• 2.4GHz無(wú)繩電話
• 2.4GHz ISM無(wú)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(kāi)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)孔位置要離器件盡可能近。MAX2242評(píng)估板上使用10mil鍍金過(guò)孔接地，這些接地過(guò)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(guò)孔改善電路板接地條件，通過(guò)將接地過(guò)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(wú)源元件的感抗最小。另外，將接地過(guò)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(guò)兩個(gè)重復(fù)操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)。第一步通過(guò)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(wèn)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?，以防寄生RF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(guò)隔離開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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