第15章RF功率放大器

2023/2/31第十五章

RF功率放大器張藝蒙西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院zhangyimeng@2023/2/32主要內(nèi)容功率放大器性能參數(shù)功率放大器類型功率放大器調(diào)制RF功率放大器設(shè)計(jì)2023/2/33功率放大器性能參數(shù)輸出功率效率功率利用因子功率增益線性度2023/2/34輸出功率定義為功率放大器驅(qū)動(dòng)給負(fù)載的帶內(nèi)射頻信號(hào)的總功率，它不包括諧波成分以及雜散成分的功率。在絕大多數(shù)通信時(shí)段內(nèi)，功率放大器的輸出功率會(huì)遠(yuǎn)小于最大輸出功率。為了保證在最壞情況下，通信系統(tǒng)依然有較好的通信質(zhì)量，功率放大器必須按最大輸出功率進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。2023/2/35效率衡量放大器將電源消耗的功耗轉(zhuǎn)化為射頻輸出功率的能力。功率增加效率

漏極效率Pout是放大器輸出到負(fù)載上的射頻輸出功率，Pin是放大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率，而Psupply是電源上消耗的功耗。Pdelivered是功率增益級(jí)輸出到下一級(jí)電路的射頻信號(hào)功率。漏端效率反應(yīng)了有源器件所消耗的功耗與電源消耗的功耗的比值。漏端效率僅考慮了電源上的直流功耗轉(zhuǎn)化為射頻輸出功率的能力，而功率增加效率將功率放大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率也考慮在內(nèi)，因此功率增加效率能更準(zhǔn)確的反應(yīng)功率放大器的效率性能。2023/2/36功率利用因子功率利用因子（PowerUtilizationFactor:PUF）是用來(lái)衡量功率放大器是否充分發(fā)揮了晶體管輸出功率潛能的一個(gè)性能參數(shù)。定義為功率放大器的實(shí)際輸出功率與利用同一晶體管構(gòu)成的理想A類功率放大器輸出功率的比值。2023/2/37功率增益定義為放大器的輸出信號(hào)功率與驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率的比值：2023/2/38線性度1dB壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)點(diǎn)相鄰信道功率比ACPR（AdjacentChannelPowerRatio）錯(cuò)誤向量幅度（error-vectormagnitude：EVM）：發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)錯(cuò)誤向量的長(zhǎng)度引入的信號(hào)功率與發(fā)射機(jī)本身信道內(nèi)的總信號(hào)功率的比值，可以衡量發(fā)射機(jī)因非線性對(duì)相鄰信道所產(chǎn)生的干擾。2023/2/39功率放大器類型傳統(tǒng)功率放大器A類、B類、C類、AB類功率放大器開(kāi)關(guān)模式功率放大器D類、E類、F類功率放大器2023/2/310通用功率放大器模型負(fù)載電阻將DC功率送到晶體管漏極防止負(fù)載中有任何DC功耗

優(yōu)點(diǎn)1、晶體管的輸出電容被吸收進(jìn)振蕩回路。2、振蕩回路提供的濾波功能削減了由非線性引起的頻帶外發(fā)射。2023/2/311A類功率放大器立體聲設(shè)備中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范例的小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)中的假設(shè)是選擇偏置的大小使得晶體管工作在線性區(qū)。

與小信號(hào)放大器的區(qū)別在功率放大器（PA）的信號(hào)電流是偏置電流的很大一部分，可能存在嚴(yán)重的失真。2023/2/312理想A類放大器漏極電壓和電流2023/2/313A類功率放大器性能漏極電流漏極電壓信號(hào)功率DC輸入功率效率（漏極效率）功率因子2023/2/314B類功率放大器偏置設(shè)成使輸出器件在每個(gè)周期的一半時(shí)間內(nèi)關(guān)斷。2023/2/315B類功率放大器性能漏極電流漏極電壓輸出功率DC功率效率功率因子2023/2/316C類功率放大器柵偏壓設(shè)成使得晶體管在小于一半時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通2023/2/317C類功率放大器性能漏極電流漏極電壓效率當(dāng)導(dǎo)通角減小至零時(shí)，效率接近100%。輸出功率趨近于零。2023/2/318AB類功率放大器A類放大器在100%的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通B類放大器在50%時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通C類放大器在0~50%之間的某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通AB類放大器在50%~100%時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，效率與線性度在A類和B類之間19傳統(tǒng)功率放大器性能比較

輸出電流類型導(dǎo)通角AABBC2023/2/320D類功率放大器輸出端采用RLC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸入端保證了在一定時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)晶體管被驅(qū)動(dòng)（一個(gè)晶體管工作在正半周，另外一個(gè)工作在負(fù)半周）輸出變壓器T2得每個(gè)初級(jí)終端被交替地驅(qū)動(dòng)至地，在初級(jí)繞組兩端產(chǎn)生一個(gè)方波電壓當(dāng)一個(gè)漏極電壓為零伏時(shí)，變壓器的作用使得另外一個(gè)晶體管的漏極電壓為2VDD。輸出濾波器則允許這一方波的基波分量流入到負(fù)載2023/2/321D類功率放大器性能晶體管如同開(kāi)關(guān)，D類放大器的理論效率為100%放大器歸一化傳遞能力2023/2/322VT1VT2T1LCRLECCC4D類和E類功率放大器簡(jiǎn)介

1.D類功率放大器的原理分析

D類功率放大器有電壓開(kāi)關(guān)型和電流開(kāi)關(guān)型兩種基本電路，電壓開(kāi)關(guān)型D類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路

uiub1ub2ic1ic2uLuAub1和ub2是由ui通過(guò)變壓器T1產(chǎn)生的兩個(gè)極性相反的輸入激勵(lì)電壓

ui正半周時(shí)VT1管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，電源EC對(duì)電容C充電，電容上的電壓很快充至（EC-UCES1）值，A點(diǎn)對(duì)地的電壓uA=（EC-UCES1）。

ui負(fù)半周時(shí)VT2管飽和導(dǎo)通，VT1管截止。VT2管的直流電源由電容C上充的電荷供給，uA=UCES2≈0

uA近似為矩形波電壓，幅值為（EC-2UCES）。若L、C和RL串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)的角頻率ω上，且回路的Q值足夠高，則通過(guò)回路的電流ic1或ic2是角頻率為ω的余弦波，RL上可得相對(duì)輸入信號(hào)不失真的輸出功率。ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt

盡管每管飽和導(dǎo)通時(shí)的電流很大，但相應(yīng)的管壓降很小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高

2023/2/323E類功率放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來(lái)改變電壓的波形，使得在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的值和斜率均為零，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。2023/2/324E類功率放大器性能輸出功率功率利用因子2023/2/325F類功率放大器利用電抗終端阻抗的特性改變開(kāi)關(guān)電壓和電流的波形來(lái)提高效率傳輸線的長(zhǎng)度精確的選擇等于載波波長(zhǎng)?，輸入阻抗正比于終端阻抗的倒數(shù)2023/2/326F類功率放大器漏極在載波的所有偶次諧波處看到的是短路漏極在載波的所有奇次諧波處看到的是開(kāi)路假設(shè)晶體管的工作像一個(gè)開(kāi)關(guān)，那么電抗性的終端阻抗保證了漏極電壓的所有奇次諧波都看不到任何負(fù)載，則在漏極會(huì)理想地產(chǎn)生一個(gè)方波電壓。2023/2/327F類功率放大器性能輸出功率功率利用因子2023/2/328PA的分類2023/2/329PA的分類2023/2/330PA的分類2023/2/331各類放大器性能比較2023/2/332功率放大器調(diào)制調(diào)制方式線性化技術(shù)2023/2/333調(diào)制方式恒包絡(luò)調(diào)制方式信息僅調(diào)制載波的相位，而不改變載波的幅度，調(diào)制后信號(hào)波形的包絡(luò)是一個(gè)常數(shù)。包括模擬頻率和相位調(diào)制、數(shù)字相位和頻率調(diào)制（PSK、FSK、GMSK〕等。非恒包絡(luò)調(diào)制方式信息僅調(diào)制載波的幅度（如模擬幅度調(diào)制和ASK調(diào)制〕信息同時(shí)調(diào)制載波的幅度和相位（線性調(diào)制方式〕，如QAM調(diào)制等。這兩類調(diào)制方式都會(huì)改變載波的幅度，調(diào)制后信號(hào)波形的包絡(luò)會(huì)隨著時(shí)間而變化。2023/2/334線性化技術(shù)功率回退漏極調(diào)制包絡(luò)反饋前饋技術(shù)預(yù)失真技術(shù)包絡(luò)恢復(fù)與消除技術(shù)LINC技術(shù)極坐標(biāo)反饋技術(shù)笛卡爾反饋技術(shù)偏置子適應(yīng)技術(shù)Doherty技術(shù)2023/2/335功率回退功率放大器的輸出功率通常被限制于1dB壓縮點(diǎn)以下的能量范圍內(nèi)?；驹硎牵寒?dāng)輸入功率減小時(shí)，各階交調(diào)積成分和諧波成分都會(huì)以指數(shù)率減小，而輸出功率僅線性減小，因此可以提高線性度。2023/2/336漏極調(diào)制利用功率放大器的電源端作為一個(gè)輸入端，通過(guò)改變電源電壓來(lái)改變功率放大器的輸出功率，得到比直接在功率放大器輸入端引入幅度調(diào)制信號(hào)更高的線性度。線性調(diào)制放大器M2非線性主放大器M1節(jié)點(diǎn)Vx的電壓是電源電壓Vdc和調(diào)制放大器的輸出電壓之和，它與輸入信號(hào)幅度成線性關(guān)系。恒包絡(luò)相位調(diào)制信號(hào)Vrf幅度調(diào)制信號(hào)Vmod2023/2/337包絡(luò)反饋反饋信號(hào)是調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)?；驹恚汗β史糯笃鞯妮敵鼋?jīng)解調(diào)器解調(diào)后，恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入，與原始調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的誤差量經(jīng)放大和上變頻后，送入功率放大器進(jìn)行放大。這是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路傳輸增益大于1時(shí)，只要反饋回路是線性的，系統(tǒng)的線性度就可以得到改善。2023/2/338前饋技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：a.可以大大改善功放的線性；b.它不損失器件的增益和增益帶寬；c.第二個(gè)輔助放大器僅處理誤差信號(hào)，噪聲低、功率低，系統(tǒng)總的噪聲性能沒(méi)有因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)功放而惡化；d.它是無(wú)條件穩(wěn)定的電路，帶寬較寬。2023/2/339預(yù)失真技術(shù)通過(guò)一個(gè)預(yù)失真模塊給功率放大器的輸入引入一定的失真。預(yù)失真模塊的幅度和相位隨輸入功率的變化曲線與功率放大器完全相反，級(jí)聯(lián)后就可以得到一個(gè)與輸入信號(hào)功率無(wú)關(guān)的常數(shù)增益和恒定相移。常用于數(shù)字基帶和中頻信號(hào)處理中，既可以工作于窄帶，也可以工作于寬帶。其中最常見(jiàn)的兩種類型是：（1）映射預(yù)失真；（2）恒定增益預(yù)失真。常用的辦法是建立一個(gè)數(shù)字查找表，它存儲(chǔ)了不同輸入功率下通過(guò)測(cè)量功率放大器的傳輸函數(shù)得到的增益和相位校準(zhǔn)值，以輸入信號(hào)功率作為索引，查找相對(duì)應(yīng)的增益和相位校準(zhǔn)量，控制預(yù)失真模塊來(lái)補(bǔ)償功率放大器的失真。2023/2/340RF功率放大器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)A類放大器設(shè)計(jì)E類放大器設(shè)計(jì)2023/2/341設(shè)計(jì)目標(biāo)通信頻率：1GHz負(fù)載阻抗：50歐姆功率：1W輸入電壓：3.3V2023/2/342設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)指標(biāo)：用于1GHz的通信系統(tǒng)中的線性放大器，要求為50Ω提供1W的功率，電源電壓為3.3V.要求說(shuō)明重要的器件參數(shù)，計(jì)算所有元件的值并估計(jì)漏極效率A類放大器的設(shè)計(jì)：（1）必須阻抗變換（2）（3）取負(fù)載為4Ω，則峰值RF電流將不超過(guò)Vdd/R=825mA=ID(4）漏極最大電流約為1.65A,晶體管的導(dǎo)通電阻為200mΩ以下。（對(duì)一個(gè)0.5umCMOS工藝，器件寬度為幾個(gè)毫米。2023/2/343設(shè)計(jì)舉例A類放大器的設(shè)計(jì)：（5）漏極效率：（6）根據(jù)濾波器的要求，Q=10帶寬100MHz