功率放大器的设计

功率放大器的仿真设计

0 引言

各种无线通信系统的发展，大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波通信的采用，射频工程师为减小功率放大器的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用EDA工具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步有环设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。

功率放大器（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。

1 功率放大器基础

1．1 功率放大器的种类

根据输入与输出信号间的大小比例关系，功率放大器可分为线性放大器与非线性放大器两种。属于线性放大器的有A类、B类及AB类放大器；属于非线性的则有C类、D类、E类、F类等类型的放大器。

（1） A类放大器是所有类型功率放大器中线性最高的，其功率元件在输入信号的全部周期内均导通，即导通角为360°，但其效率却非常低，在理想状

态下效率仅达到50%，而在实际电路中，则仍限制在30%以下。

（2） B类功率放大器的功率元件只在输入正弦波之半周期内导通，即导通角仅为180°，其效率在理想状态下可达到78%，但在实际电路中所达到的效

率不会超过60%。

（3） AB类功率放大器的特性介于A类和B类放大器之间，其功率元件偏压在远比正弦波信号峰值小的非零直流电流，因此导通角大于180°但远小于360°。一般情况下，其效率介于30%~60%之间。

（4） C类功率放大器的功率元件的导通时段比半周期短，即导通角小于180°。

其输出波形为周期性脉冲，必须并联LC滤波电路后，才可得到所需要的正弦波。在理论上，C类放大器的效率可达到100%，但在实际电路中仅能

达到约60%的效率。

（5） D类、E类的功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器，其原理是将功率元件当作开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完整的输出波形。

（6） F类功率放大器可算是C类功率放大器的延伸，他们的偏执方式相似，但F类放大器在功率管输出端与负载间加入了频波控制网络，一次提高效率。在理论上他们都可以达到100%的效率，但在实际电路中仍受到开关切换时间等因素的控制而无法达到理想值。

设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路架构。以射频功率放大器而言，有的系统需要高效率的功率放大器，有的需要高效率且线性度佳的功率放大器，有的需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的，如B类、C类、E类架构的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A类放大器是所有放大器中线性度最高的，但它最大的缺点是效率最低，这些缺点虽然可用各种Harmonic Termination电路的设计技巧予以改进，但仍无法提高到与高效率的功率放大器相当的水平。具有高效率、高线性度及高功率的功率放大器自然成为电路设计者所努力的一个目标。

1.2 放大器的主要参数

（1） 1db功率压缩点

通信系统中输出功率单位通常以dBm表示：

mW

P

10dBm

)

log

)

(

(

out

当放大器在非常低的输入功率时，功率增益为常数，放大器工作在线性区。当输入功率增加时，收到放大管非线性特性影响，放大器功率增益逐渐被压缩，限制了最大输出功率。在此区域，有线性失真、谐波和交互调变失真现象发生。若继续再增加输入功率，则因放大管已工作在饱和区，其输出功率几乎维持不变。

通常以输出增益（Gout）比线性增益小1db的位置来定义放大器工作范围的上限，也就是1dB输出功率压缩点（P1dB），则P1db点所对应的输出功率值表示式为P1db（dBm）—

Pin（dBm）=Gout（dB）—1

（2）功率增益

①小信号增益：当输入多少的功率时，就会依照其放大功率来放大，这是

理想的放大器，但事实上这是不可能做的出来。一个真正的放大器就会因其放大管之特性不同而有不同的饱和区，以致会导致其在一个区段内之增益有所不同。

② 输出功率增益比：在不同的输出功率，其增益也会有所不同。故有些放大器会特别标示，其在多少的输出功率时的增益是多少。

③ 效率

因为在输入功率转换成输出功率工程中，一定会有功率损耗的情形发生，并且效率与线性度往往都是互相抵触的，因此在设计放大器电路时必须视系统要求而作适当取舍。以下为一般放大器效率的定义：

集电极效率：DC

DC Out

DC out C I V P P P ⨯==

η 功率附加效率：DC

IN

out PAE P P P -=

η 总效率：IN

DC Out

T P P P +=η

（4） 失真

信号失真主要是由有源元件的非线性引起的。其失真主要为谐波失真、AM to PM Conveision 、互调失真。

（5） 邻信道功率比ACPR

由于功率放大器的非线性效应影响，当信号通过功率放大器时会产生频谱“扩散”现象。中心频率为fc 、频宽为B1中的功率与距离中心频率f0、频宽为B2中的功率的比值即为ACPR 。 1.3 PA 设计的一般步骤

（1）将厂家提供的晶体管模型库导入到ADS 模型库中。 （2）根据放大器的要求和晶体管的特性确定静态工作点。

（3）进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路和直流扼流等。 （4）确定仿真类型（S-参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等）、仿真参数，以及ADS 环境下所需的一些变量。

（5）对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并得出结论。 （6）优化功放电路结构和电路参数。

本设计具体介绍射频功率放大器的设计步骤，设计一个性能满足技术指标需