ADS射频功率放大器设计之稳定性分析

一、为什么需要分析稳定性

  我们知道，在高频电路中，所有元件都会表现出不同程度的容性和感性。容性的元件会因其两端的交变电压而快速充放电，从而产生周期性的电流，而感性元件可以根据通过自身周期性变化的电流产生感应电动势。对于微波电路也是如此，在周期性的电压作用下，微波电路中的容性元件会产生周期性的交变电流，从而使得感性元件产生额外地感应电动势，再反过来作用于容性元件，从而引起电路振荡。射频功率放大器本质上也属于微波电路，在工作时难免会有发生振荡的可能。因此，我们在设计一个射频功率放大器的时候，必须对功率放大器的稳定性进行分析。

二、如何使用ads进行稳定性分析

  首先，我们在之前的文章ADS射频功率放大器设计之功率放大器的介绍和直流特性分析所建立的工程中，新建一个原理图，拖入我们已经导入好的功率管模型以及控件，如图：

然后从“Lumped-Components”里拖入隔直电容和扼流电感，如图：

接着，从“Sources-Freq Domain”中拖入直流电源，如图：

再从“Simulation-S_Param”里拖入term组件和SP控制组件，如图：

继续从“Simulation-S_Param”里拖入测量稳定因子的控件，如图：

连接电路，隔直电容与term组件连接，目的是为了阻隔输入输出信号中的直流分量，扼流电感与直流电源相连，目的是为了滤除直流电源中的交流分量。连接好的电路图如图：

从之前的文章ADS射频功率放大器设计之功率放大器的介绍和直流特性分析中我们已经分析了该功率放大器的直流特性，结合数据手册我们设置VGS=2.7V，VDS=28V,扫频范围设置为1400MHz-1600MHz，完整的电路以及参数设置如下图：

开始仿真，在仿真结果中添加稳定性分析的结果，添加步骤如图：


仿真结果如图：

我们发现，在整个通带内，多数频率下的稳定因子都小于1，说明该电路不稳定，我们需要做一些稳定性措施。常见的方法是在功率管的输入端加入一个小的有耗元件，比如我们可以在输入端的隔直电容后面加入一个小电阻，如图：

再进行一次仿真，如图：

发现稳定性有所提高，在整个通带内，稳定因子均大于1，该电路在通带内稳定。我们还可以在功率管的输入端并联一个电容和小电阻的串联支路，如图：

仿真结果如下，可以看出，稳定性同样有所提高：

三、总结

  在本篇文章中，我们讨论了为什么要进行功率放大器的稳定性分析以及如何使用ads进行稳定性分析。我们知道，射频功率放大器往往工作在大信号条件下，这就意味着功率放大器的各项参数会随着输入信号的功率变化而发生改变，这为我们的功率放大器设计比如阻抗匹配网络的设计带来了极大的困难。好在ads具备强大的负载牵引系统和源牵引系统，可以帮助我们分析不同输入信号下，负载阻抗以及源阻抗与功率放大器各参数之间的变化关系，方便我们日后进行阻抗匹配网络的设计。接下来的文章将和大家一起讨论如何利用ads的负载牵引系统得到放大器最大功率输出以及效率最大时的最佳负载阻抗。