线性功放知识简介

目录
1、术语、定义和缩略语
2、为什么宽带信号要采用线性功放技术（NCDMA、WCDMA)
3、功放线性功化技术分类（前馈和预失真）
4、预失真技术原理简介
5、前馈技术原理
6、800MHz 30W线性功放实现原理和调试方法
7、工艺结构及信号流向图
8、附录
一、术语、定义和缩略语
1、前馈技术：利用主环路和误差环路来改善功率放大器的非线性失真，即将主环路提取的交调失真信号，在误差环中反相并放大后和主功率放大器输出的信号进行交调失真抵消，从而改善功率放大器非线性失真的一种技术
2、主环：将功率放大器输出的信号(含交调失真信号)与输入的信号（不含交调失真信号）在载频抵消电路中进行载频抵消，其输出只含交调失真信号的一种闭环电路
3、误差环：将功率放大器输出的信号（含交调失真信号）与只含交调失真的信号在交调抵消电路中进行交调失真抵消，其输出只含较小失真信号的一种闭环电路。

4、载频抵消：依靠一个定向耦合电路，将耦合通路上的载频信号（含交调失真信号）与通道上同载频信号在定向耦合电路上进行模拟抵消载频信号的过程
5、交调抵消：依靠一个定向耦合电路，将主环输出的交调失真信号放大后耦合在主功率输出的通道上，在定向耦合电路上模拟抵消交调失真信号的过程
6、预失真技术：是依靠在功率放大器的输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先岐变失真，由于预失真部件的失真特性与功率放大器的非线性失真特性正好相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标的信号处理方案。

预失真技术根据预失真器件的实现方法可以分为模拟预失真和数字预失真。

利用模拟器件的非线性行为直接实现功率放大器输入信号预失真的方法称为模拟预失真，通过数字算法对基带信号进行处理实现预失真的方法称为数字预失真。

C D M A码分多址（C o d e D i v i s i o n M u l i t i p l e A c c e s s）
L M D S本地点对多点分布系统（L o c a l M u l i t i p o i n t D i s t r i b u t i o n S y s t e m）
W L A N无线局域网（W i r e l e s s L o c a l A r e a N e t w o r k）
A C P R邻信道泄漏功率抑制比（A d j a c e n t C h a n n e l L e a k a g e P o w e r R a t i o）
D S P数字信号处理器（D a t a S i g n a l P r o c e s s o r）
F P
G A现场可编程门阵列（F i e l d P r o g r a m G a t e A r r a y）
L P A线性功率放大器（L i n e r P o w e r A m p l i f i e r）
V S W R电压驻波比（V o l t a g e S t a n d i n g W a v e R a t i o）
R F射频（R a d i o F r e q u e n c y）
I F中频（I n t e r m e d i a t e F r e q u e n c y）
二、为什么宽带信号要采用线性功放技术（NCDMA、WCDMA）
(1)、PA产生的非线性失真（频谱再生效应）
成线性关系，即功率增益Gp基本保持不变。

Pin继续增加， Pout出现滞胀，Gp开始减小，
Pout达到最大后开始下降，Gp进一步减小。

通常把增益Gp从Gpmax下降1dB的D点称为
1dB增益压缩点，此点是线性和非线性的分界
点。

Pin超过Pin（1dB）后，放大器很快进
入饱和工作区，即非线性区。

Pin（1dB）越
大，放大器线性度越高。

(1)、P A产生的非线性失真（频谱再生效应）
放大器在非线性区域时，输出P o u t中包
含新的频率分量。

如果为单频f1信号，输出
P o u t中包含f1以及它的的高次谐波频率成
分；如果为两个频率f1及f2的组合信号，
输出中将包含m f1±n f2的频率成分信号，其
中m，n分别为0，1，2…，考虑到放大器负
载的频率是有限的，输出的频率成分中一般
包含f1，f2和它们的组合分量2f1-f2、
2f2-f1、3f1-2f2、3f2-2f1….,
图2中给出了输入信号和输出信号的频谱，由于放大器输出产生新的分量而导致的输出信号失真，称为放大器的非线性失真。

(2)传统功率放大器线性化方法及它的局限性
1、负反馈：应用于低频率较窄的频段。

2、补偿技术（back-off）：即降低输入功率Pin，使放大器的工作点远离饱和区，用降低输出功率的方法减小非线性失真。

这种方法简单也可以保证线性。

但是由于放大器的工作电流不变，使得效率降低，晶体管本身也“大材小用”，没有发挥它的能力。

当需要大的输出功率时，就需要输出功率更大的放大管，这对器件提出了更高的要求。

这些局限性限制了补偿技术的广泛应用。

既要保证高功率，又要高线性，高效率，显然在保证有良好的晶体管和选择合理的工作状态外，还要采用合理的线性化措施。

（3）宽带信号要采用线性化技术的原因
在NCDMA或WCDMA 中，即使是单载波，也需要使用高线度指标的RF功率放大器；这是因为。

CDMA技术是随机包络的宽带通道，如果采用一般的高功放（通常工作于AB类）进行信号放大，将由于交调失真的影响产生频谱再生效应，对相邻的信道产生严重的干扰，为此3GPP规定了频谱辐射屏蔽（Spectrum emission mask）的要求，而通常所说的高功放是难以达到这个要求的，虽然采用A类功放可能会达到这个要求，但是它的效率太低，也难以把信号放大到几十瓦的量级，为此，在高功放的基础上必须对其进行线性化的处理。

把运用了线性化技术的功放称为线性功放，
它可以较好的解决信号的频谱再生问题。

三、功放线性功化技术分类
1、前馈技术
利用主环路和误差环路来改善功率放大器的非线性失真，即将主环路提取的交调失真信号，在误差环中反相并放大后和主功率放大器输出的信号进行交调失真抵消，从而改善功率放大器非线性失真的一种技术
2、预失真技术：是依靠在功率放大器的输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先岐变失真，由于预失真部件的失真特性与功率放大器的非线性失真特性正好相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标的信号处理方案。

四、预失真技术原理简介
1、模拟预失真（RF和IF预失真）（一）
如图3所示：a是预失真线性器的输入输出曲线示意图；b是微波晶体管放大器的输入输出曲线示意图。

可以看出经过预失真器件的输出信号再经过放大器进行放大，从而补偿了放大器的非线性特征，使放大器的非线性提高（如c）。

1、模拟预失真（RF和IF预失真）（二）
图4是一种预失真线性器的结构，信号经3dB电桥后相位相差90°，一路经具有可调移相器和衰减器的“线性支路”，另外一路经过由两个反相并联二极管组成的“非线性支路”，然后经3dB电桥耦合器加和输出。

经过“线性支路”的信号随输入信号的增加而增加，经过“非线性支路”的信号，随输入信号的增加不呈现线性变化，根据微波二极管非线性特性，输入信号小时，二极管衰减大，输入信号大时，二极管衰减小。

这样具有90°相差的两路信号再输出3dB 耦合器合成时，能获得图3c的曲线特征。

2、数字预失真（基带预失真－线性功放未来发展的方向）（一）
图5 数字预失真原理框图
2、数字预失真（基带预失真－线性功放未来发展的方向）（一）
数字预失真是一种放大器线性化方法，能显著提高多载波放大器的效率。

其原理是：非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真功能数量相当（“相等”），但功能却相反。

将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。

这样就可以在功率放大器（PA）内使用简单的AB类平台，从而可以消除制造前馈放大器（feed forward amplifier）的负担和复杂性。

此外，由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路，因此可以显著提高系统效率。

数字预失真系统的基本运行原理上图5所示。

目标是数字化生成非线性，以获得放大器所展示的优异特征。

如果对基带非线性进行了正确建构，那么对连续流经基带非线性层叠（cascade）及放大器的信号的总体系统响应则为线性增益响应。

这就意味着不会再发生失真和光谱再增长现象，因此可以极大地满足当前需求。

五、前馈技术原理
前馈技术为目前功率放大器的主流技术，对其原理简单介绍如下：
前馈型线性功率放大器的原理框图如图1所示，该放大器从其输出中只提取了互调失真信号并将其与反相的输出信号混合，因而改进了C/I（载频－互调）比。

以输入双音（TONE）信号为例，图7给出了前馈功放中各点的频谱示意。

参考图6，说明前馈功率放大器的工作原理：射频RF信号经过工分器1加到主路径的节点NA和子路径的节点NA’.在这里所分配的信号具有相同的大小和相位，如图2（a）所示。

在主路径的上的信号经电调衰减器5、电调移相器6进行信号幅度和相位的调整（控制）后，由主功率放大器2放大。

主功率放大器2输出的信号中包含所放大RF信号之外的互调失真信号，如图2（b）（图中只给出了三阶和五阶互调，实际上还存在其他形式的交调分量，互调分量的相对幅度取决于放大器的饱和状态，在中等饱和状态，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶互调分量IM3）。

同时信号经过延时线4在合路器7上与主径路放大的信号经定向耦合器3耦合所得的信号进行合路（对消。

抵消），在NC得到图2（c）的频谱信号（互调信号、失真信号）。

电调衰减器8、电调移相器9调整（控制）来自信号合路器7的互调失真信号，使经过功率放大器10放大输出的信号与主功率放大器2放大的互调失真信号幅度相等，相位相差Nφ（N为奇数），如图2（d）所示。

并且延时线11延迟分路径上误差放大器10放大的信号，以便该延迟信号和主功放2输出的信号同时到达功率组合器12。

功率组
的反相的互调失真信号进行互调对消。

由此产生图2（e ）中的最终输出信号
通常，把由工分器1、功率放大器2、定向耦合器3、延时线4、电调衰减器5、电调移相器6、合路器7构成的环路称为主环。

功率放大器2为主功率放大器，主环的主要作用由以下两个方面：
1）信号放大
2）提取功放2产生的交调失真信号。

把由电调衰减器8、电调移相器9、功率放大器10、延时线11、定向耦合器12构成的环路称为误差环：功率放大器10称为误差放大器。

误差环的主要作用为：
1）放大交调（失真）信号
2）对消交调（失真）信号
前馈技术能够改善功率放大器线性指标的关键在于IM3信号的剥离与对消。

图7 前馈功率放大器各频点谱示意
六、800MHz 30W线性功放实现原理和调试方法
1、性能和技术指标（一）
1）频率范围869MHz～894MHz
2）输出功率30W（44.8dBm）3）增益53dB±0.5dB @869MHz～894MHz
4）增益平坦度±0.5 dB @869MHz～894MHz
5）增益波动2dB @ -25℃～＋75℃增益波动3.5dB @ -40℃～＋75℃
6）邻信道泄漏功率抑制比ACPR（输入为连续的单载频N- CDMA信号，测试模式1、32个
DPCH.PAR=10dB@0.01%时）优于:
-45dBc at ±750KHz offect @30KHz RBW(42dBm输出)
-65dBc at ±1.98MHz offect @30KHz RBW(42dBm输出)
1、性能和技术指标（二）
7）谐波：2阶≤－45dBc，3阶≤－60dBc
8）交调杂散：30W输出时：≤－17dBm
9）电源：DC +26V～+27V
≤4A @NO Signal;(冷机)≤10A @27VDC,+44.8dBm Output;
10）输入/输出驻波比（VSWR）:≤1.5:1;
11）平均故障间隔时间（MTBF）≥100000H
2、功能指标
1）过温度告警和保护（OTALARM）：当主功放散热槽温度≥95℃±3℃时告警并保护功放。

功放散热槽温度≤85℃时自动恢复。

告警电平为高电平（TTL）
2）低增益告警（LGALARM）:当功放的增益低于6dB或更多时，告警并保护功放：高电平有效（TTL）;
3）驻波告警（VSWR）:当功放输出端口VSWR>驻波告警门限时，告警并保护功放（在功放输出功率为30dBm～48dBm 时）;驻波告警门限可设置（1.4~2.0）;高电平有效（TTL）;
4）过功率告警（OPALARM）:当功放的输出功率≥46.8dBm，告警并保护功放；高电平有效（TTL）;
5）使能（EN/DISABLE）:当使能端为高电平（TTL）时，禁止功放工作；当使能端为低电平（TTL）时，允许功放工作；
6）ALC指标：实时指示ALC启控电压；
7)功率指示：实时指示功放输出功率取样电压；
8)外部接口:与PA-4453CSS05兼容；
3、系统原理框图（800MHz 30W线性功放）
3、系统原理简介
800MHz 30W线性功率放大器基于前馈技术构建，主要由功率放大电路、信号分配电路和检测电路并结合DSP技术实现实时自适应控制系统，可以实现功放的自行检测和自适应控制、告警及保护、并可以通过RS485 BUS与上位机进行半双工通信，接受命令并上报功放状态。

（介绍两个环路的工作过程与前面大致相同）
4、系统构成框图
4、系统构成简介
800MHz 30W CDMA线性功率放大器由信号分路单元、主功率放大器、误差放大单元、延时滤波器单元、检测单元和控制单元构成，如图9所示。

图中已详细给出了800MHz 30W CDMA线性功率放大器的框架构成、单元划分及信号连接关系，并对系统的射频电路增益和电平传输给出了具体的要求。

5、单元/单板功能和性能指标
一、信号分路单元及调试方法
信号分路单元的功能是对输入得信号功率取样检测；提供ALC功能（启控深度为20dBm）；对信号的功率进行工分，一路去误差放大单元作为载频抵消电路的输入基准信号；另外一路经主功放和延时滤波器后作为系统的输出信号，该路信号将为主环环路提供调整的电调移相器和衰减器，为通道提供8.2dB的增益。

见图10
二、主功率放大单元及调试方法
功率放大单元负责系统主要功率增益实现，并取样检测末级功放管的散热槽温度，输出温度检测电压Vt。

电路原理如图11所示。

三、延时滤波器延时滤波器单元的电路框图如图12所示。

延时滤波器单元的作用主要是将主功率放大单元的输出耦合；交调分量的抵消；功放输出信号的耦合和反向耦合。

延时滤波器单元在输入通道上提取30dB耦合信号作为主环路的输入信号去误差放大单元。

对功率放大器输出的信号进行固定延时、谐波抑制、交调抵消并最终输出额定的输出功率。

延时滤波器单元主要是由延时滤波器、耦合器、环路器等组成。

目前延时滤波器单元中的延时滤波器采用耦合同轴腔技术，它能提供小的差损和高性能的滤波特性。

由于各方面条件的限制，目前只能采用外购的方式。

四、误差放大单元及调试方法（一）
误差放大单元的电路框图如图13所示。

误差放大单元主要是把来自信号分路单元来的基准信号经延时线延时后与延时滤波器单元耦合器耦合输出的信号进行载频抵消，并对提取的误差信号进行放大;由于误差功放的输出与主功放产生的互调信号在延时滤波器单元中进行反相抵消，从而实现邻道抑制。

它的非线性产物主要影响功放高阶的杂散分量，为了在误差放大器中产生新的互调分量，应使误差放大器具有很高的线性。

四、误差放大单元及调试方法（二）
5、单元/单板功能和性能指标
六、控制单元（一）
控制单元是系统的状态监控和软件控制调整的核心部件，同时还担负着对外通信和告警指示及控制功能的实现。

考虑到功放工作过程中实时控制要求，选用DSP为控制单元的核心。

控制单元的原理框图如图15所示
（1）接口方便。

DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

（2）编程方便。

DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

（3）稳定性好。

DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。

（4）精度高。

16位数字系统可以达到的精度。

（5）可重复性好。

模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。

(6)集成方便。

DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

七、系统调试方法（三）
调试两个环路的目的是为了给软件监控搭建一个平台，由于温度等条件的变化，调试效果随时在变化，软件的作用就是稳住这种变化，但是只有手动调试好了，显示可以实现这种效果时，软件才可以实现它的目的。

另外，调试时，主环没有对消时，误差功放输入信号很大，这时电流很大（一般整机电流超过15A），所以要注意从小信号开始调试，以免损害误差功放。

其它指标的调试和一般功放基本相同。

不作介绍。

功率放大器的分类
功率放大器的分类
C类(丙类)放大器，
是指器件导通时间小于50％的工作类别。

这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。

D类(丁类)放大器
这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其效率在理论上来说是很高的。

但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感(考虑立体声)，成本自然不会低。

此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

E类(戊类)放大器
这类放大器，是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。

遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。

F类(己类)放大器
这类放大器，就笔者目前所知并不存在，似乎是需要补充的空缺。

功率放大器的分类
这类放大器，似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的放大器有些类似。

对于小的输出信号，它的供电电流来自低电压源；而对于‘大信号’，供电将转换到较高的电压源。

这样，一定比B类(乙类)的效率更高。

但是，这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点，以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。

此外，G类(庚类)放大器所产生的失真，大概要比相应的B类(乙类)更大，但也有资料显示，对转换细节进行精心设计，将会使其差别较小。

H类[辛类)放大器
这类放大器，也似乎与B类(乙类)相似，其特点在于动态地提升单供电电压(不用转换到另一个电压源)，以提高效率，所采用的电路结构是自举电路。

S类放大器
S类放大器，是由桑德曼博士命名的一种放大器。

这类放大器，采用一个A类(甲类)放大电路，其电流能力非常有限，加上B类(乙类)放大电路作后备，在连接上使负载呈现为一较高的电阻。

Tech-nicsSE-1000所采用的方法与此极为相似。