功放PA LoadPull效率优化实例

前言

很多射频工程师在电路设计过程中，经常会被如何减小PA工作电流问题困扰。尤其是移动终端产品，在功耗方面经常提出很苛刻的要求。大厂的PA在设计上都比较优秀，保证了良好的工作效率，但是我们在做Application design时候，应用场景会有所不同，适当的电路优化是很有必要的。

如何优化PA的效率呢?本文介绍一种比较简单易行的PA输出匹配方法。主要步骤就是根据RFMD提供的Load Pull数据和网络分析仪测试结果，然后借助Smith chart软件进行匹配，最后进行调试验证。

本文通过一个实例，在一个手机板上优化RF3166的输出负载，匹配到最大效率点，并降低RF3166的工作电流。需要说明的是，本文提供的方法，并不仅仅用于减小PA的工作电流，在PA输出功率不足的时候，也可以用这个方法。对于CADM和WCDMA放大器调试也有一定的参考意义。

一，调试准备工作

PCBA两个，需要同一批次，能够正常通话，能进入非信令模式。去掉A PCB板上的RF3166, 用于网分测试使用。准备好很细的金属漆包线，焊接该电路ASM天线开关模块控制脚上。

另外一个B板我们断开B的PA供电Trace，焊接另一个供电线给PA单独供电。给B的电池连接器焊接好电源线，以备使用，如果方便使用钩子供电，可以不用焊线。为什么要准备2个板子呢?是因为我们用A板得到的匹配元件，在B板子上进行测试验证。

2.笔记本电脑，通过串口线控制手机。

3.射频刚性同轴线。

4.RFMD提供的Loadpull数据。

5.测试设备：

高精度Agilent电源2台；

大电容一只，放在主板PA供电线上，保证电源的稳定性；

网分一台及相关配件，8960或CMU200,  50欧负载，SMA头。

二，确认没有优化前PA消耗电流

1.如上图给B板连接，使用2台电源给B板供电，高精度电源给PA供电，另外一台给主板供电，分2台电源的目的是更加直观看得PA的电源变化情况。

2.使用软件控制手机处于非信令发射模式。

3.电源供电3.8V，调整B板的发射功率，我们在Vramp DAC=670的时候，得到发射功率为32.2dBm，此时PA的耗电平均电路180mA。后面我们在优化后，再次测量电路，也要在输出功率为32.2dBm的情况下进行测量工作。

三，校正网络分析仪

网络分析仪校准是个非常关键的步骤，校正好不好，关系到匹配电路优化的准确性。我们采用Agilent8753ES网络分析仪，开始单端口校准：

1.选用1端口校准，将会在端口1连接SMA头射频线。

2.设置网分SPAN为880～915MHZ。

3.在Calibration菜单选择单端口校准，需要Open, Short, Load三个校准件。

4.校准完选择Done菜单，将Measure设置为S11, Display设置为Smith chart。

5.将Load负载接上端口1，观察smith所有频点阻抗都是50欧。

6.取下Load，会发现阻抗点到了网分最右端，阻抗无穷大。

7.将SMA线缆连接到端口1，看到阻抗点向上或向下偏移，不再集中到无穷大，整个阻抗变成弧线。阻抗由集中到最右端的无穷大，偏移到了红色弧线的位置。

8.在Calibration菜单向下翻页找到Port extension选项，设置extension On。然后调整extension大小，红色弧线不停转动，一直将红色弧线调整到阻抗无穷大点，如果绿色位置。

9.校准完成。

四，测量A板PA输出阻抗

1.如上图连接好设备，电源2.8V给控制天线开关。让天线开关处于GSM900打开状态。

2.我们已经取下A板上面的RF3166, 同时将PA到天线开关之间匹配电路恢复到没有任何匹配状态下。也就是说去掉所有并联器件，将串联器件换成0R。在电路板GSM PAout位置焊接上射频线缆。

3.将电路板上的射频连接器焊接50欧负载。

4.找到天线开关ASM的真值表（truth tabel），我们打开电源，让天线开关处于常开状态。

5.在网络分析仪上面观察PA的输出阻抗，根据RF3166的Loadpull数据，我们选择897.5MHz阻抗进行观察。

6.打开网分Marker1，调整频率到897.5MHz。显示该点阻抗为77.1+j4.2，这就是我们看到实际PA输出阻抗。

7.根据上图，我们要将PA效率调到最好，输出阻抗应该为44.52-j22.03。

8.后面的工作就是调整匹配电路，将目前阻抗表换到最佳效率点。

注：有工程师可能想到为什么用用控制软件控制A板直接处于发射模式呢?这样可以省去PCB上面焊接控制线问题。需要考虑的是因为GSM是工作在Burst模式下面，天线开关不是一直打开，这样测量，Smith圆图是不断抖动的阻抗线。

五，使用Smith chart进行阻抗匹配

上图我们可以看到，需要并联一个17.2nH电感和串联一个2.9pF电容，这样可以完成阻抗变换。

将匹配值在A板上面验证

1.我们将匹配值在A板进行验证。

2.选择电感18nH和电容3pF，从PA到天线方向，先串电容，后并电感。

3.网分测试897.5MHz阻抗为42-j25，并没有和软件给出值相等。

4.根据测量结果，将器件修改为15nH电感和3.3pF，反复在在几个值附近调试，确定3.3pF和15nH最佳。

将匹配值在B板上面验证

将3.3pF 15nH放到B板测试PA功率电流和功率。

我们看到屏幕电流下降为150mA，比没有优化前下降30mA。需要注意是，Vramp DAC=750, 此时输出功率达到32.2dbm。DAC比以前有变化，我们需要修改Radio default table以适应这种变化。

优化后整机（PA，BB）电流对照表（传导），图中数据使用采用未取平均。

优化PA效率流程图

六，小结

以上我们要以一个实例演示了如何利用LoadPull优化RF3166的GSM频段工作效率，成功将平均电路从180mA降低到150mA，其他频段匹配步骤同样可以参考。在实验室过程中，需要反复调试才能慢慢体会一些细节情况，经验多了，才能迅速解决问题。

另外，需要注意的一个地方。随着效率的提高，有些情况下，相同的输出功率，Vramp的电源会增大。有时候PA最大输出功率不足，或者输出功率随供电电压波动稳定性变差。因此，在保证良好效率的同时，同时兼顾PA最大输出功率裕量是否足够。

在Load Pull上面选择输出阻抗点的注意事项：

1.注意在效率和最大输出功率之间平衡。有时候，效率非常好，但是手机输出功率不足，比如只能够到32dbm，如果不断增加Vramp，可能发现Vramp=2.1V时候，功率依然不足，切换谱Switching Spectrum超标。

2.注意功率随信道变化的平坦度，选择点注意高中低信号的Loadpull数据，兼顾不同频率的阻抗匹配。

小编棒棒哒

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