MAX2242功率放大器：關(guān)鍵應(yīng)用問題

本文詳細(xì)介紹了MAX2242功率放大器（PA）的應(yīng)用。包括的主題包括：PCB布局、級(jí)間匹配、熱管理和超芯片級(jí)封裝。PA提供+22dBm輸出功率，具有CCK調(diào)制的第一旁瓣的ACPR為<-33dBc。片內(nèi)功率檢波器提供20dB的動(dòng)態(tài)范圍。工作電源電壓介于 2.7V 至 3.6V 之間。使用FR4電路板材料.徹底接地對(duì)于高頻、高功率電路至關(guān)重要。顯示示例布局以獲得最佳性能。整個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)的仿真允許匹配電路設(shè)計(jì)。低頻和高頻的電源線上都需要旁路電容器。UCSP?圖紙以0.5mm球間距顯示。MAX2242測試設(shè)置使用頻譜分析儀測量旁瓣電平，RF功率計(jì)測量功率輸出。

概述

本應(yīng)用筆記旨在為設(shè)計(jì)工程師提供MAX2242功率放大器的應(yīng)用信息。涵蓋一系列主題，包括印刷電路板布局、級(jí)間匹配、輸入和輸出阻抗、熱管理和超芯片級(jí)封裝。

一般描述

MAX2242為線性功率放大器（PA），設(shè)計(jì)用于2.4GHz ISM頻段無線局域網(wǎng)應(yīng)用。它提供 22.5dBm 的線性輸出功率，相鄰?fù)ǖ拦β时?（ACPR） 為 < -33dBc 第一旁瓣和 < -55dBc 第二旁瓣，符合 IEEE 802.11b 11MB/s WLAN 標(biāo)準(zhǔn)。PA 采用 3 x 4 超芯片級(jí)封裝 （UCSP），尺寸僅為 1.5mm x 2.0mm，非常適合小型 PC 卡和緊湊型閃存卡外形尺寸的無線電。

MAX2242功率放大器由三級(jí)PA、功率檢測器和電源管理電路組成。功率檢波器提供超過 20dB 的動(dòng)態(tài)范圍，在最高輸出功率電平下具有 ±0.8dB 的精度。使用該檢測器電路可以輕松實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)功率電平控制（ALC）功能。

PA還具有一個(gè)外部偏置控制引腳。通過使用外部DAC，可以在較低的輸出功率水平下節(jié)流電流，同時(shí)保持足夠的ACPR性能。因此，在所有功率水平下都能保持盡可能高的效率。器件工作在+2.7V至+3.6V單電源范圍。片內(nèi)停機(jī)功能可將工作電流減小至 0.5μA，無需外部電源開關(guān)。

應(yīng)用

IEEE 802.11b

無線局域網(wǎng)

家庭射頻

2.4GHz 無繩電話

2.4GHz ISM 無線電

特征

Po = 22.0dBm 線性輸出功率（ACPR ≤ -33dBc 第一旁瓣和 ≤ -55dBc 第二旁瓣）

28dB 增益

片上功率檢測器

用于電流節(jié)流的外部偏置控制

+2.7V至+3.6V單電源供電

超小型芯片封裝 （UCSP），1.5mm x 2.0mm

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)RF功率放大器時(shí)，需要考慮許多因素。在開始PCB布局之前，應(yīng)充分了解以下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和資源（如下所述）：

印刷電路板材料

接地策略

臺(tái)間匹配

輸入輸出阻抗匹配

瞬態(tài)穩(wěn)定性

熱管理

超芯片級(jí)封裝 （UCSP）

放大器測試設(shè)置

MAX2242數(shù)據(jù)資料

MAX2242評(píng)估板

印刷電路板材料

印刷電路板材料應(yīng)為 FR4 或 G-10。這種類型的材料是頻率高達(dá)3GHz的大多數(shù)低成本無線應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。MAX2242評(píng)估板采用四層FR4，介電常數(shù)為4.5，介電厚度為6密耳，銅為1oz。

接地策略

良好基礎(chǔ)的必要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。在設(shè)計(jì)RF功率放大器時(shí)，用于將各種組件接地的技術(shù)非常重要，需要特別注意。

對(duì)于低阻抗器件，您必須更關(guān)注電流，而不是高阻抗電路中的高電壓。這意味著必須仔細(xì)考慮接地電流路徑和組件的電流處理能力。請(qǐng)記住，在高功率電平或高頻下，接地變得更加重要。此應(yīng)用程序涉及兩個(gè)條件！

MAX2242在8.5GHz時(shí)輸出阻抗約為（2 + j45）Ω等低阻抗電路設(shè)計(jì)時(shí)，只需約0.5nH的電感即可等于8Ω的感抗。60 歐姆電抗由介電常數(shù)為 10.4、厚度為 4 密耳的 FR5 PC 板上的 6 密耳 x <> 密耳微帶線產(chǎn)生。

在此應(yīng)用中，良好的接地意味著最小化頂部元件層和接地層之間的感抗，迫使兩個(gè)不同的接地點(diǎn)具有0V的電位差，并防止雜散信號(hào)從一個(gè)級(jí)耦合到下一個(gè)級(jí)。

通過確保接地層幾乎連續(xù)來實(shí)現(xiàn)良好的接地。頂部接地應(yīng)使用多個(gè)電鍍通孔連接到底部接地。MAX2242具有三個(gè)接地引腳：GND1、GND2和GND3。所有三個(gè)器件都應(yīng)盡可能靠近器件的接地通孔，以最大程度地降低感抗。MAX2242評(píng)估板采用10 mil電鍍通孔過孔，從接地通孔邊緣到4個(gè)PA接地引腳邊緣放置<> mil。

圖1顯示了如何使用多個(gè)通孔接地過孔來改善電路板的接地，最大限度地減少不同電路板層之間建立的感抗，并通過盡可能靠近元件放置通孔來最小化無源元件的感抗。此外，在需要優(yōu)化的情況下，沿RF路徑設(shè)置接地過孔非常重要，以便能夠移動(dòng)匹配元件。

圖1.MAX2242評(píng)估板的頂部元件視圖

臺(tái)間匹配

多級(jí)放大器中的片外級(jí)間匹配至關(guān)重要，因?yàn)橹虚g級(jí)是部分匹配的。需要集總或分布式元件形式的少量電感來優(yōu)化預(yù)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器放大器。

圖2.MAX2242應(yīng)用電路

輸入和輸出阻抗匹配

輸入和輸出阻抗在兩次迭代中實(shí)現(xiàn)。第一次迭代是通過小信號(hào)仿真實(shí)現(xiàn)的，第二次迭代是通過大信號(hào)條件下的經(jīng)驗(yàn)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)的。

圖 3 和圖 4 顯示了構(gòu)成最佳輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際布局維度的建模集總和分布元素。

圖5顯示了實(shí)際布局中模擬的最佳源Z（1，1）和負(fù)載Z（2，2）阻抗。Z（1，1） 和 Z（2，2） 應(yīng)用作最佳源阻抗和負(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.最佳拉電流和負(fù)載阻抗。

瞬態(tài)穩(wěn)定性

提高瞬態(tài)穩(wěn)定性受到了很多關(guān)注。以下準(zhǔn)則可防止MAX2242不穩(wěn)定。

首先，一個(gè)大的全局旁路電容器（鉭或電解），放置在主V處抄送饋電點(diǎn)對(duì)地，防止電路中出現(xiàn)振蕩趨勢。此外，在V上增加本地去耦電容也非常重要抄送饋電點(diǎn)，以確保與電源相關(guān)反饋隔離。

電源偏置線需要適當(dāng)?shù)钠帘?，以防止雜散RF信號(hào)耦合到偏置線上。當(dāng)在多級(jí)PA中使用30dB或更高的級(jí)聯(lián)增益級(jí)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。電源偏置線路屏蔽可通過分離V來實(shí)現(xiàn)抄送線，如果可能，通過布線 V抄送底側(cè)接地層上的線，雜散信號(hào)最小，或電路板內(nèi)層之一上的線，雜散信號(hào)也最小。

高增益多級(jí)放大器容易受到輸出信號(hào)耦合到輸入路徑的反饋的影響。在相移總計(jì)為180度的頻率下，可能會(huì)發(fā)生振蕩。為了盡量減少從輸出到輸入的RF耦合，建議保持所有RF線盡可能短，以減少天線效應(yīng)。

最后，電路板接地不良也可能是振蕩的原因.流過非零接地阻抗的大PA電流將感應(yīng)電壓，從而將噪聲注入接地系統(tǒng)。

圖6.帶有內(nèi)部框圖的應(yīng)用原理圖。

圖7.MAX2242評(píng)估板的底部視圖。

熱管理

功率晶體管在其集電極-基極結(jié)中耗散大量功率。耗散功率以熱量的形式存在，從而提高結(jié)溫。但是，結(jié)溫，TJ，不得允許超過指定的最大值 T杰馬克斯;否則，晶體管可能會(huì)遭受永久性損壞。即使沒有發(fā)生災(zāi)難性故障，長期可靠性也會(huì)受到影響。對(duì)于硅器件，T杰馬克斯約為150°C。 MAX2242為硅基器件，最大結(jié)溫為150°C，或T杰馬克斯.

MAX2242利用自己的評(píng)估板接地層作為散熱器。

圖8可以看作是一個(gè)類比，顯示了熱傳導(dǎo)過程的電等效電路。功率耗散對(duì)應(yīng)于電流，溫差對(duì)應(yīng)于電壓差，熱阻對(duì)應(yīng)于電阻。

圖8.熱傳導(dǎo)過程的電等效電路。

TJ = (θJC + θCS + θSA) × PD + TA

超芯片級(jí)封裝 （UCSP）

MAX2242采用超芯片級(jí)封裝。這種封裝技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是IC到PC板電感最小。次要好處是減小封裝尺寸和制造周期時(shí)間，以及增強(qiáng)導(dǎo)熱特性。

有關(guān)UCSP的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記1891“晶圓級(jí)封裝（WLP）及其應(yīng)用”。

圖9.超芯片級(jí)封裝。

放大器測試設(shè)置

圖 10.MAX2242測試設(shè)置

審核編輯：郭婷