MAX2242功率放大器: 应用中的关键问题

本文详细描述了MAX2242功率放大器(PA)的应用。主题包括：PCB布板、级间匹配、热管理以及裸片级(UCSP)封装。PA在CCK调制、第一旁瓣ACPR -33dBc时提供+22dBm输出功率。片上功率检测器具有20dB动态范围。工作电压为2.7V至3.6V。使用FR4电路板材料。接地是高频、大功率电路的关键。为获得最佳性能，本文提供了电路图范例。对整个输入网络进行仿真时介绍了匹配电路设计。无论低频还是高频电路，电源线上都需要旁路电容。UCSP封装图上焊球间距为0.5mm。MAX2242测试装置中用频谱分析仪测量旁瓣电平，用RF功率计测量输出功率。

概述

本篇应用笔记的目的是为设计工程师提供关于MAX2242功率放大器的应用资料。本文涉及到许多主题，包括：印刷电路板图、级间匹配、输入输出阻抗、热管理以及裸片级封装。

简要说明

MAX2242是为2.4GHz ISM波段无线LAN应用而设计的线性功率放大器，能在第一旁瓣邻信道功率比(ACPR) -33dBc和第二旁瓣ACPR -55dBc时提供22.5dBm线性输出功率，符合IEEE802.11b 11MB/s WLAN标准。该款PA的封装形式为3 x 4裸片级封装(UCSP?)，尺寸仅1.5mm x 2.0mm，非常适合小型PC卡和紧凑的闪存卡中的无线装置。

MAX2242功率放大器包括三级PA、功率检测器和电源管理电路。输出功率最大时，功率检测器能以±0.8dB的精度提供大于20dB的动态范围。利用该检测电路很容易实现精确的自动功率控制(ALC)功能。

MAX2242还有一个外部偏置控制引脚。输出功率较低时，利用外部DAC控制可以在保证足够的ACPR前提下降低电源电流，从而在全功率范围内保持尽可能高的效率。该器件工作在单电源+2.7V至+3.6V，内部关断功能将工作电流降至0.5μA，不需要外部电源开关。

应用

• IEEE802.11b
• 无线LAN
• Home RF
• 2.4GHz无绳电话
• 2.4GHz ISM无线装置

特性

• Po = 22.0dBm线性输出功率(第一旁瓣ACPR -33dBc、第二旁瓣ACPR -55dBc)
• 28dB增益
• 内置功率检测器
• 外部偏置控制降低电源电流
• +2.7V至+3.6V单电源供电
• 裸片级封装(UCSP), 1.5mm x 2.0mm

设计要点

设计RF功率放大器时，需要考虑许多因素。在开始设计印刷电路板图之前，必须很好地理解以下注意事项和数据资源(在下文中讨论)：

• 印刷电路板材料
• 接地方案
• 级间匹配
• 输入输出阻抗匹配
• 瞬态稳定性
• 热管理
• 裸片级封装(UCSP)
• 放大器测试方案
• MAX2242数据手册
• MAX2242评估板

印刷电路板材料

印刷电路板材料应选用FR4或G-10。这类材料对大多数工作频率在3GHz以下的低成本无线应用都是很好的选择。MAX2242评估板使用的是4层FR4，其介电常数为4.5，绝缘层厚度6 mil、1oz覆铜。

接地方案

良好的接地是极为重要的。当设计RF功率放大器时，不同元件的接地方法很重要，需要特别关注。 对低阻器件，考虑更多的是电流环路；而在高阻电路中则更关心高电压。这意味着需要仔细考虑接地的电流通路和元件的电流处理能力。请牢记，接地问题对大功率或高频电路更为关键。而本应用既要求大功率、也是高频电路！

在设计像MAX2242这样在2.45GHz下输出阻抗只有大约(8 + j5)Ω的低阻电路时，0.5nH电感就可以产生8Ω的感抗，8Ω的感抗相当于介电常数为4.5、厚度为6mil的FR4印刷电路板上60mil x 10mil的微带线产生的阻抗。

本应用中，良好的接地意味着将顶层元件层与地平面之间的感抗降至最小，使两个不同接地点之间的电势差为0V，避免两级之间寄生信号的耦合。

良好的接地需确保地平面尽可能连续，顶层地平面与底层的地平面应该利用多个镀金过孔连接。MAX2242有三个接地引脚：GND1、GND2和GND3。为了使感抗最小，这三个引脚接地的过孔位置要离器件尽可能近。MAX2242评估板上使用10mil镀金过孔接地，这些接地过孔的边缘与PA三个接地引脚的边缘距离为4mil。

图1所示表示如何用多个过孔改善电路板接地条件，通过将接地过孔放置在尽可能接近元件的位置使电路板不同层之间的感抗最小，也使无源元件的感抗最小。另外，将接地过孔沿RF通道摆放可以移动匹配元件的位置，进一步优化设计。


图1. MAX2242评估板顶层元件层视图

级间匹配

由于级间匹配使部分匹配，多级放大器的外部级间匹配非常严格。为优化前级驱动和驱动放大器需要少量的电感，集总参数形式或分布参数形式均可。


图2. MAX2242应用电路图

输入输出阻抗匹配

输入输出阻抗匹配通过两个重复操作过程实现。第一步通过小信号仿真；第二步在大信号条件下根据实验经验调节。

图3和图4所示为按照实际电路板尺寸得到的集总和分布元件模型，它们组成了最佳输入输出匹配网络。

图5是根据实际电路板仿真得到的最佳信号源Z(1,1)和负载Z(2,2)的阻抗。将Z(1,1)和Z(2,2)作为最佳信号源和负载阻抗的起点。


图3. 输入匹配网络


图4. 输出匹配网络


图5. 最佳信号源和负载阻抗