第15章RF功率放大器汇总

设计举例
3.3V
A类放大器的设计： （5）漏极效率：

P0 1 37% PDC 0.825A 3.3V
Vdrive >6.4nH Vout
（6）根据滤波器的要求，Q=10 带宽100MHz
5 0.80nH 2 1GHz 1 XC 5 C 31.8 pF 5 2 1GHz XL 5 L
级绕组两端产生一 个方波电压 当一个漏极电压为零伏时，变压器的作用使得 另外一个晶体管的漏极电压为2VDD。 输出滤波器则允许这一方波的基波分量流入到负载
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D类功率放大器性能
• 晶体管如同开关，D类放大器的理论效率为 100% • 放大器归一化传递能力
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11.7pF RL=50 0.8nH 32pF
X BFL 10 4 BFL 6.4nH L1 C1
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RL 50 2.3nH 9 0Q 2 10 3.4 1 11.7 pF oQRs
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设计举例
A类放大器的设计：
带有偏置的完整的电路
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漏极调制
节点Vx的电压是电源 • 利用功率放大器的电源端作为一个输入端， 线性调制放 电压Vdc和调制放大 通过改变电源电压来改变功率放大器的输 大器M2 器的输出电压之和， 幅度调 出功率，得到比直接在功率放大器输入端 它与输入信号幅度成 制信号 引入幅度调制信号更高的线性度。 线性关系。 Vmod
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C类功率放大器
• 栅偏压设成使得晶体管在小于一半时间内 导通
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C类功率放大器性能
• 漏极电流
• 漏极电压 • 效率
当导通角减小至零时，效率接近100%。 输出功率趋近于零。
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AB类功率放大器
• • • • A类放大器在100%的时间内导通 B类放大器在50%时间内导通 C类放大器在0~50%之间的某段时间内导通 AB类放大器在50%~100%时间内导通，效 率与线性度在A类和B类之间
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A类功率放大器性能
• 漏极电流
• 漏极电压 • 信号功率 • DC输入功率 • 效率（漏极效率） • 功率因子
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B类功率放大器
• 偏置设成使输出器件在每个周期的一半时 间内关断。
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B类功率放大器性能
• 漏极电流
• 漏极电压 • 输出功率 • DC功率 • 效率 • 功率因子
EC UCES
4 D类和E类功率放大器简介
C CES c1
uA
1. D类功率放大器的原理分析 E -2U D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本 ωt i 电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路 ub1和ub2是由ui通过变压器T1 ωt VT E i 产生的两个极性相反的输入激励 C i 电压 T ωt u u ui正半周时VT1管饱和导通， L uA C VT2管截止，电源EC对电容C充 u VT i 电，电容上的电压很快充至 ωt uL R u （EC-UCES1）值，A点对地的电 压uA=（EC-UCES1） 。 ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直 尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很 流电源由电容 C上充的电荷供给，uA= UCES2≈0 小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高 uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和 RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上，且回路的Q值 足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波，RL 2018/12/23 22 上可得相对输入信号不失真的输出功率。
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功率增益
• 定义为放大器的输出信号功率与驱动信号 功率的比值：
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线性度
• 1dB压缩点和三阶交调点 • 相邻信道功率比ACPR（Adjacent Channel Power Ratio） • 错误向量幅度（error-vector magnitude： EVM） ：发射机发射信号错误向量的长度
传输线的长度精确的 Z 选择等于载波波长 ¼ ， Z Z 输入阻抗正比于终端 阻抗的倒数
in 2 o L
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F类功率放大器
• 漏极在载波的所有偶次谐波处看到的是短路 • 漏极在载波的所有奇次谐波处看到的是开路 • 假设晶体管的工作像一个开关，那么电抗性 的终端阻抗保证了漏极电压的所有奇次谐波 都看不到任何负载，则在漏极会理想地产生 一个方波电压。
恒包络 相位调 制信号 2018/12/23 Vrf
非线性主放 大器M1
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包络反馈
• 反馈信号是调制信号的包络。 • 基本原理：功率放大器的输出经解调器解 调后，恢复出调制信号，反馈到系统的输 入，与原始调制信号进行比较，比较后的 误差量经放大和上变频后，送入功率放大 器进行放大。这是一个负反馈系统，当环 路传输增益大于1时，只要反馈回路是线性 的，系统的线性度就可以得到改善。
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F类功率放大器性能
• 输出功率
• 功率利用因子
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PA 的分类
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PA 的分类
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PA 的分类
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各类放大器性能比较
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功率放大器调制
• 调制方式
• 线性化技术
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传统功率放大器性能比较
输出电流
类型 A AB B C
导通角
2π π~2π
π
0~π
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D类功率放大器
• 输出端采用RLC串联网络 • 输入端保证了在一定时间内只有一个晶体 输出变压器T2得每 管被驱动（一个晶体管工作在正半周，另 个初级终端被交替 外一个工作在负半周） 地驱动至地，在初
• 功率增益
• 线性度
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输出功率
• 定义为功率放大器驱动给负载的带内射频 信号的总功率，它不包括谐波成分以及杂 散成分的功率。
在绝大多数通信时段内，功率放大器的输出功率 会远小于最大输出功率。为了保证在最坏情况下， 通信系统依然有较好的通信质量，功率放大器必 须按最大输出功率进行设计和优化。
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功率利用因子
• 功率利用因子（Power Utilization Factor: PUF）是用来衡量功率放大器是否充分发 挥了晶体管输出功率潜能的一个性能参数。 • 定义为功率放大器的实际输出功率与利用 同一晶体管构成的理想A类功率放大器输出 功率的比值。
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调制方式
• 恒包络调制方式
信息仅调制载波的相位，而不改变载波的幅度，调制 后信号波形的包络是一个常数。 包括模拟频率和相位调制、数字相位和频率调制 （PSK、FSK、GMSK〕等。
• 非恒包络调制方式
信息仅调制载波的幅度（如模拟幅度调制和ASK调制〕 信息同时调制载波的幅度和相位（线性调制方式〕， 如QAM调制等。 这两类调制方式都会改变载波的幅度，调制后信号波 形的包络会随着时间而变化。
2 VDD (3.3) 2 Rmax 5.4 2Pmax 2 1
必须阻抗变换
（2）
（3）取负载为4Ω，则峰值RF电流将不超过Vdd/R=825mA =ID (4）漏极最大电流约为1.65A, 晶体管的导通电阻为200mΩ以下。（对一个 0.5umCMOS工艺，器件宽度为几个毫米。
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c2 1
C
c1
C
1
L
b1
i
2
c2
L
b2
E类功率放大器
• 采用高阶电抗网络提供足够的自由度来改 变电压的波形，使得在开关导通时的值和 斜率均为零，从而降低开关损耗。
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E类功率放大器性能
• 输出功率
• 功率利用因子
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F类功率放大器
• 利用电抗终端阻抗的特性改变开关电压和电流 的波形来提高效率
引入的信号功率与发射机本身信道内的总信号 功率的比值，可以衡量发射机因非线性对相邻 信道所产生的干扰。
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功率放大器类型
• 传统功率放大器
A类、B类、C类、AB类功率放大器
• 开关模式功率放大器
D类、E类、F类功率放大器
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通用功率放大器模型
优点 1、晶体管的输出电容被吸收进 将DC功 振荡回路。 率送到晶 2、振荡回路提供的滤波功能削减 防止负载中 体管漏极 了由非线性引起的频带外发射。 有任何DC 功耗
负载 电阻
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A类功率放大器
• 立体声设备中的一个标准范例的小信号放 大器 • 设计中的假设是选择偏置的大小使得晶体 管工作在线性区。
与小信号放大器的区别 在功率放大器（PA）的信号电流是偏置电流 的很大一部分，可能存在严重的失真。
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理想A类放大器漏极电压和电流
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线性化技术
• • • • • 功率回退 漏极调制 包络反馈 前馈技术 预失真技术
包络恢复与消除技术 LINC技术 极坐标反馈技术 笛卡尔反馈技术 偏置子适应技术 Doherty技术
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功率回退
• 功率放大器的输出功率通常被限制于1dB压 缩点以下的能量范围内。 • 基本原理是：当输入功率减小时，各阶交 调积成分和谐波成分都会以指数率减小， 而输出功率仅线性减小，因此可以提高线 性度。
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效率
Pdelivered是功率增益级输出到下一级电路的 • 衡量放大器将电源消耗的功耗转化为射频 射频信号功率。漏端效率反应了有源器件所消 输出功率的能力。 耗的功耗与电源消耗的功耗的比值。 • 功率增加效率
• 漏极效率 漏端效率仅考虑了电源上的直流功耗转化为射频输出
功率的能力，而功率增加效率将功率放大器的驱动信 Pout是放大器输出到负载上的射频输出功率， 号功率也考虑在内，因此功率增加效率能更准确的反 Pin是放大器的驱动信号功率，而Psupply是 应功率放大器的效率性能。 电源上消耗的功耗。
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前馈技术
优点： a.可以大大改善功放的线性； b.它不损失器件的增益和增益带宽； c.第二个辅助放大器仅处理误差信号， 噪声低、 功率低，系统总的噪声性能没有因为多了一个 功放而恶化； d. 它是无条件稳定的电路， 带宽较宽。
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预失真技术
• 通过一个预失真模块给功率放大器的输入 引入一定的失真。 常用于数字基带和中频信号处理中，既可以工作 于窄带，也可以工作于宽带。其中最常见的两种 • 预失真模块的幅度和相位随输入功率的变 类型是：（1）映射预失真；（2）恒定增益预失真。 化曲线与功率放大器完全相反，级联后就 可以得到一个与输入信号功率无关的常数 常用的办法是建立一个数字查找表，它存储了不同 输入功率下通过测量功率放大器的传输函数得到的 增益和恒定相移。
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来自百度文库
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设计举例
AB类、B类和C类放大器的设计：
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设计举例
3.3V
E类放大器的设计：
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设计举例
• 设计指标：用于1GHz的通信系统中的线性放大器，要求为50Ω提 供1W的功率，电源电压为3.3V. • 要求说明重要的器件参数，计算所有元件的值并估计漏极效率
A类放大器的设计： （1）
2 VDD (3.3) 2 Pmax 0.1W 2 R 2 50
第十五章 RF 功率放大器
张艺蒙
西安电子科技大学微电子学院 zhangyimeng@xidian.edu.cn
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主要内容
• 功率放大器性能参数
• 功率放大器类型
• 功率放大器调制 • RF功率放大器设计
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2
功率放大器性能参数
• 输出功率
• 效率
• 功率利用因子
增益和相位校准值，以输入信号功率作为索引， 查找相对应的增益和相位校准量，控制预失真模 块来补偿功率放大器的失真。
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RF功率放大器设计
• 设计目标
• A类放大器设计 • E类放大器设计
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设计目标
• • • • 通信频率：1GHz 负载阻抗：50欧姆 功率：1W 输入电压：3.3V