【E類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)6300字（論文）】

E類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)摘要功率放大器是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、范圍的覆蓋、頻譜的利用效率等指標(biāo)都有非常重要的影響。高效率功率放大器可以提高設(shè)備的電源使用效率，降低建設(shè)投資。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，延長(zhǎng)終端在更高的通信傳輸速率和系統(tǒng)容量下的通信時(shí)間。因此，高效率放大器一直占據(jù)著重要地位。而E類(lèi)功率放大器是一種新型高效率功率放大器，它和傳統(tǒng)的模擬功率放大器不同，E類(lèi)放大器采用了開(kāi)關(guān)放大的模式，通過(guò)降低晶體管在工作過(guò)程中的消耗，使得效率有著顯著的提升。理論上效率可以達(dá)到100%。同時(shí)，E類(lèi)放大器結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單、元器件也比較少。所以，E類(lèi)放大器受到了很多的關(guān)注，在很多領(lǐng)域都有著它的身影。本文先是介紹了目前幾種主要的功率放大器，通過(guò)對(duì)它們的比較，從而引出E類(lèi)功率放大器。隨后分析了E類(lèi)功率放大器的工作原理，設(shè)計(jì)出了一款工作在1.2GHz環(huán)境下的E類(lèi)功率放大器，其實(shí)際效率能達(dá)到90%，電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。之后介紹了一些E類(lèi)功率放大器的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：E類(lèi)高效率功率放大器開(kāi)關(guān)放大目錄1.緒論 11.1研究E類(lèi)功率放大器的目的和意義 12功率放大器 22.1功率放大器的發(fā)展 22.1.1功率放大器的器件組成和工作原理 22.1.2功率放大器的分類(lèi) 32.1.3功率放大器的主要參數(shù) 42.2E類(lèi)功率放大器的工作原理 43E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì) 63.1E類(lèi)功率放大器分析 63.2E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真 84E類(lèi)功率放大器的發(fā)展趨勢(shì) 11結(jié)語(yǔ) 12參考文獻(xiàn) 131.緒論隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)論是企業(yè)還是個(gè)人對(duì)于電子設(shè)備的要求也逐漸升高，老舊的電子設(shè)備和元器件漸漸無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)或者個(gè)人日常生活的需要，慢慢退出了歷史舞臺(tái)，新一代的電子設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家手中逐漸問(wèn)世，其中，功率放大器不管是在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域中都占據(jù)著重要的地位，作為很多系統(tǒng)中的尖端器件，一直和人們的生活息息相關(guān)。除此之外，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)功率放大器的低耗能、高效率、體積小等要求也漸漸增加。在無(wú)線(xiàn)通信傳輸系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)不可或缺的核心部件之一就是功率放大器，一半以上的功率損耗是由它占據(jù)的，因此，功率放大器的設(shè)計(jì)性能直接決定了發(fā)射機(jī)的輸出性能。因此怎樣提高功率放大器的效率成為了當(dāng)前設(shè)計(jì)功率放大器的主要目標(biāo)。E類(lèi)功率放大器是一種數(shù)字開(kāi)關(guān)型放大器，它采用單個(gè)晶體管的工作模式，它的特點(diǎn)是晶體管可以等效為一個(gè)開(kāi)關(guān)和寄生電容的并聯(lián)電路，然后利用晶體管自身的寄生電容使得晶體管上電壓較大時(shí)電流幾乎為零、電流較大時(shí)電壓幾乎為零。這樣就能減小功率的耗散，顯著地提高了功率放大器的效率，理想狀態(tài)下E類(lèi)功率放大器的效率可以高達(dá)100％。1.1研究E類(lèi)功率放大器的目的和意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，科技也在不斷地進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量也越來(lái)越高，各種各樣的電子設(shè)備也漸漸充實(shí)著人們的生活，功率放大器在如今的社會(huì)中處處都能找到它的應(yīng)用，雖然人們不會(huì)直接地看到它，但人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在使用著帶有功率放大器的電子設(shè)備，比如手機(jī)、電腦、耳機(jī)等等。在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的末級(jí)一般都是功率放大器，它的主要作用是將高頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，直到滿(mǎn)足發(fā)送功率的要求時(shí)，再把放大后的信號(hào)傳輸?shù)教炀€(xiàn)中，確保能夠在一定范圍內(nèi)使用器件接收到比較完整的的信號(hào)。功率放大器一直是通信系統(tǒng)中的主要組成部分，發(fā)射機(jī)中一半以上的功率損耗都是它在占據(jù)著。所以，對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)而言，十分重要的問(wèn)題就是如何提高功率放大器的效率、線(xiàn)性度和穩(wěn)定性等。本文所介紹的E類(lèi)功率放大器，它的晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，利用晶體管自身的寄生電容使得晶體管在一個(gè)工作周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)電壓和電流同時(shí)很大的情況。這樣的話(huà)，減少了功率消耗，顯著地提高了放大器的效率，理想狀態(tài)下可以達(dá)到100%。2功率放大器2.1功率放大器的發(fā)展功率放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)“功放”，是將功率放大的器件。在前置放大電路輸入一個(gè)小信號(hào)，放大成足以推動(dòng)功率放大器的程度，最后后級(jí)功率放大電路推動(dòng)喇叭或者其他設(shè)備。它最廣泛的應(yīng)用，是作為輸出級(jí)來(lái)使用。從一般情況上來(lái)說(shuō)功率放大器不局限于音頻放大，很多場(chǎng)合都會(huì)用到它，如射頻、微波、激光等等。1920年，人們對(duì)于半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，此時(shí)科學(xué)家們開(kāi)始在半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究功率放大器，成功地設(shè)計(jì)出了傳統(tǒng)的模擬功率放大器，這就是A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和C類(lèi)功率放大器；研究出了這些功率放大器之后，人們發(fā)現(xiàn)AB類(lèi)功率放大器有著功率回退和效率較低等問(wèn)題。于是在1936年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的射頻工程師Doherty第一次提出了D類(lèi)功率放大器【1】；隨后為了進(jìn)一步提高功率放大器的效率，在1958年，由泰勒設(shè)計(jì)出了第一款多諧振的F類(lèi)功率放大器的【2】；之后在1975年，開(kāi)關(guān)E類(lèi)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)首次由N.OSokal和A.DSokal提出【3】，由于這是一種高頻性能出色、結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單的新型開(kāi)關(guān)E類(lèi)功率放大器，因此在無(wú)線(xiàn)通信、開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，提高射頻與微波功放的各種性能成為了目前較火熱的話(huà)題，怎樣才能減小功放的尺寸和重量、進(jìn)一步降低成本，同時(shí)又能保證良好的線(xiàn)性度、輸出功率及效率是科學(xué)家們要研究的主要問(wèn)題。隨著功率放大器的發(fā)展，這些問(wèn)題都將決定著功率放大器未來(lái)的發(fā)展方向。2.1.1功率放大器的器件組成和工作原理功率放大器需要用到的有源器件主要是晶體管。直流電源功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流就是利用三極管的控制原理實(shí)現(xiàn)的，這也是功率放大器的主要工作原理。由于三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的某個(gè)倍數(shù)，若在基極輸入一個(gè)小信號(hào)，則集電極的電流就會(huì)是基極電流的倍數(shù)，再使用電容隔離出這個(gè)信號(hào)，就得到了一個(gè)大信號(hào)，這個(gè)大信號(hào)就是原先的小信號(hào)的倍數(shù)，這也就是三極管的放大作用。再經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，這樣就完成了功率放大。2.1.2功率放大器的分類(lèi)功率放大器可按照有源器件的工作點(diǎn)不同來(lái)分類(lèi)。將功率放大器分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、C類(lèi)功率放大器，是根據(jù)晶體管在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況來(lái)區(qū)分的，其中A類(lèi)功率放大器：A類(lèi)功率放大器又被稱(chēng)為甲類(lèi)功率放大器，放大區(qū)中間是其靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)晶體管始終導(dǎo)通。A類(lèi)功率放大器非線(xiàn)性失真較小，但是效率較低，理論上效率最高只有50%。B類(lèi)功率放大器：B類(lèi)功率放大器又稱(chēng)為乙類(lèi)功率放大器，靜態(tài)工作點(diǎn)Q在截止點(diǎn)，在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通，它采用兩個(gè)晶體管推挽工作。B類(lèi)功率放大器的效率較高，理論上能達(dá)到78%，但放大器在非線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)有一段，這樣的話(huà)就會(huì)出現(xiàn)交越失真較大的情況。AB類(lèi)功率放大器：AB類(lèi)功率放大器又被稱(chēng)為甲乙類(lèi)功率放大器，這種功率放大器是結(jié)合了A類(lèi)和B類(lèi)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的，它在輸入信號(hào)的半個(gè)周期以上晶體管導(dǎo)通，其靜態(tài)工作點(diǎn)Q靠近截止點(diǎn)，也是用兩個(gè)晶體管推挽工作，它兼容了A類(lèi)和B類(lèi)功率放大器的優(yōu)勢(shì)，在兩者的性能上做了平衡。C類(lèi)功率放大器：C類(lèi)功率放大器也被稱(chēng)為丙類(lèi)功率放大器，在截止區(qū)內(nèi)是其靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置，它在輸入信號(hào)小于半個(gè)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通，效率比B類(lèi)功率放大器更高。D類(lèi)功率放大器：D類(lèi)功率放大器也被稱(chēng)為丁類(lèi)功率放大器，和前面提到的幾種功率放大器不同，這種功率放大器是一種新型數(shù)字功率放大器，它和模擬功率放大器不同的地方在于，它采用了開(kāi)關(guān)放大的模式，因此也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器；效率高、失真低，頻率響應(yīng)曲線(xiàn)好，元器件少是它的優(yōu)點(diǎn)。2.1.3功率放大器的主要參數(shù)輸出功率：功率放大器的輸出功率就是功放電路負(fù)載的功率，它可以用1dB壓縮點(diǎn)輸出功率或者飽和輸出功率來(lái)表示。其中，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率指當(dāng)輸入較低的功率時(shí)，相比增益減少1dB時(shí)的輸出功率點(diǎn)；飽和輸出功率是指在一定的諧波失真范圍內(nèi)，放大器能穩(wěn)定工作所能輸出功率的最大值。失真：失真是指信號(hào)的波形不能維持原狀而發(fā)生變化的現(xiàn)象。信噪比：指信號(hào)大小和噪聲信號(hào)大小的比例關(guān)系，信噪比的大小可以用功放電路輸出信號(hào)電平與輸出的噪聲信號(hào)電平之比的分貝數(shù)表示。2.2E類(lèi)功率放大器的工作原理E類(lèi)功率放大器采用了單個(gè)晶體管工作，它有很多種結(jié)構(gòu)，有并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)是最為廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)是在1975年第一次提出的。E類(lèi)功率放大器的特點(diǎn)是晶體管作為通斷開(kāi)關(guān)，集電極的穩(wěn)壓電壓和電流必須在一個(gè)周期內(nèi)不相交。下圖2.1為E類(lèi)功率放大器的基本原理圖，晶體管可以等效為開(kāi)關(guān)和寄生電容的并聯(lián)電路，其中，與直流電源相連的電感為扼流圈，允許直流通過(guò)為電路提供能量，阻止電流從此傳出，理想狀態(tài)下感抗無(wú)窮大。令扼流圈右邊的電感為L(zhǎng)X，它的作用是提供一定的感抗，右邊的電感和電容分別是LS和CS，它們構(gòu)成諧振于信號(hào)基波頻的串聯(lián)諧振電路，理想狀態(tài)下品質(zhì)因數(shù)Q無(wú)窮大，電阻RL為50Ω負(fù)載電阻。電路左側(cè)的閉合開(kāi)關(guān)和并聯(lián)的寄生電容CP則是晶體管等效的結(jié)果。在電路圖中的部分電壓和電流，其中，令從扼流圈流入電路的輸入電流為Idc；令開(kāi)關(guān)和電容CP并聯(lián)部分的總電流和總電壓分別為it和ut，也就是晶體管的電流和電壓，都是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)；令開(kāi)關(guān)和電容C圖2.1E類(lèi)功率放大器基本原理圖圖2.2晶體管等效后的E類(lèi)功率放大器原理圖3E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)3.1E類(lèi)功率放大器分析設(shè)θ=ωt(3.1)由上可得，iθ是輸入電流和射頻電流之和，令?α1到2π?α1為一個(gè)工作周期，假設(shè)?α1到α2晶體管導(dǎo)通，這時(shí)uθ等于零，icθ也等于零，iswθ和iθ相同；α2到2π?α1晶體管截止，這時(shí)i?α1到α?=α1+α根據(jù)之前的分析可知iθ=Irf設(shè)m=IrfI那么iθ=Idc可以得出晶體管的電流峰值Ipk=Irf?α1時(shí)晶體管電流為零，代入式（3.3Idc1+mcosαcosα1=?在一個(gè)工作周期內(nèi)，晶體管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流均值等于輸入電流，由此可得12π?α1α1+α2代入式（3.2）和式（3.8）可得m=1+2π??+sin?這樣就得到了m和導(dǎo)通角?之間的關(guān)系，進(jìn)而可以把很多量和導(dǎo)通角聯(lián)系起來(lái)。晶體管截止時(shí)，兩端的電壓uθ為電流在電容CuCθ=1uCθ=I當(dāng)晶體管電流為零時(shí)，電壓達(dá)到最大值。根據(jù)余弦函數(shù)圖像的對(duì)稱(chēng)性可得α1Upk=Idc再用傅里葉公式對(duì)其進(jìn)行正交分解，分解為正弦和余弦兩個(gè)部分正弦部分：US=1π化簡(jiǎn)后代入式（3.8）和式（3.10）可得US=mIdc余弦部分：UC=1π化簡(jiǎn)后代入式（3.10）可得US=?Idc在LX，LS，CS和RL構(gòu)成的串聯(lián)回路中，LS和C在一個(gè)周期內(nèi)，晶體管截止時(shí)兩端的電壓均值等于電源電壓，由此可得Udc=IdcUdc=mIdc4πω我們發(fā)現(xiàn)式（3.20）和之前的式（3.18）很相似，為了進(jìn)一步得到各個(gè)量之間的關(guān)系，分析如下輸入功率Pdc=Idc由于電路的理論效率能達(dá)到100%，所以Pdc=Prf通過(guò)比較式（3.18）和式（3.20）以及電流的峰值電流和有效電流的關(guān)系，可得Prf=?I功率只由負(fù)載消耗，因此右端可以看做是負(fù)載電阻兩端有效電壓和有效電流的乘積，進(jìn)而能求出負(fù)載電阻的阻值RL=Uc或者RL=2P通過(guò)之前對(duì)串聯(lián)回路的分析，可以求得感抗XL=US進(jìn)而得出電感LX=XL3.2E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真圖3.1為AWR軟件下的E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)原理圖，圖3.2為該放大電路在各個(gè)頻率下的功率附加效率，圖3.3和圖3.4為E類(lèi)功率放大器晶體管集電極的電壓、電流波形，圖3.5為E類(lèi)功率放大器輸出功率與輸入功率波形的比較。由圖3.2可得，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為1.2GHz時(shí)，該E類(lèi)功率放大器可以得到較高的效率，因此，我們選擇輸入信號(hào)為1.2GHz的正弦波。圖3.1E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)原理圖圖3.2E類(lèi)功率放大器功率附加效率圖3.3E類(lèi)功率放大器晶體管集電極電壓波形圖3.4E類(lèi)功率放大器晶體管集電極電流波形圖3.5E類(lèi)功率放大器輸入功率與輸出功率比較波形由上圖3.3和圖3.4可以得到，在一個(gè)周期范圍內(nèi)，E類(lèi)功率放大器晶體管集電極電壓和電流不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，當(dāng)電壓不為零時(shí)，電流值為零；當(dāng)電壓為零時(shí)，電流值不為零，這樣就能極大可能地減少功率的消耗。由圖3.4經(jīng)過(guò)輸入功率和輸出功率的比對(duì)可以看出，E類(lèi)功率放大器的效率很高，幾乎可以達(dá)到90%以上4E類(lèi)功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)近些年來(lái)，影響功率放大器發(fā)展的因素有很多，主要是器件、技術(shù)和工藝，通過(guò)對(duì)一些文獻(xiàn)和功率放大器的分析可以知道，高效率功率放大器依然是現(xiàn)階段主要的發(fā)展方向，所以E類(lèi)功率放大器依然會(huì)成為未來(lái)一段時(shí)間功率放大器的重點(diǎn)研究目標(biāo)。目前科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)對(duì)E類(lèi)功率放大器的工作原理的分析取得了一些進(jìn)展，在E類(lèi)功率放大器的基礎(chǔ)上提出了一些新的結(jié)構(gòu)。例如F3/E在功率放大器的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)下，E類(lèi)放大器在未來(lái)一段時(shí)間的的研究方向可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：對(duì)E類(lèi)功率放大器的性能繼續(xù)提升、提出E類(lèi)功率放大器的新的設(shè)計(jì)方法以及集成E類(lèi)功率放大器。結(jié)語(yǔ)高效率功率放大器技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域內(nèi)放大器技術(shù)的偉大革新。該技術(shù)能在使用相同直流功耗的情況下極大地提高通信基站和終端系統(tǒng)的效率，它推動(dòng)著移動(dòng)通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的中堅(jiān)力量。本文總結(jié)了E類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)和一些理論知識(shí)，基于E類(lèi)功率放大器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)E類(lèi)功率放大器的原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)單的工作在1GHz環(huán)境下的E類(lèi)功率放大器，從仿真結(jié)果來(lái)看，該放大器具有較高的效率，這樣就能極大地減少功率的無(wú)用損耗。本次設(shè)計(jì)的不足之處是，雖然設(shè)計(jì)已經(jīng)滿(mǎn)足了E類(lèi)功率放大器的基本要求，但由于自身能力的不足，沒(méi)有能夠更多的測(cè)試E類(lèi)功率放大器的其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)。雖然此次設(shè)計(jì)已經(jīng)取得部分成果，但要把電路結(jié)構(gòu)研究透徹、控制熟練、舉一反三，還需要大量的時(shí)間和精力，在未來(lái)參加工作或進(jìn)一步的深造過(guò)程中，我還會(huì)回顧此次設(shè)計(jì)的內(nèi)容，爭(zhēng)取對(duì)電路結(jié)構(gòu)深入研究。參考文獻(xiàn)[1]W.H.Doherty.Anewhighefficiencypoweramplifierformodulatedwaves[J].Proc.Inst.RadioEng.,1936,24(9):1163-1182.[2]V.J.Tyler.Anewhigh-efficiencyhigh