第15章RF功率放大器..
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• 定义为放大器的输出信号功率与驱动信号 功率的比值：
2018/7/24
7
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
• 功率增益
• 线性度
2018/7/24 3
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。
2018/7/24 15
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
2018/7/24
16
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。
2018/7/24 17
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
2018/7/24
4
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。
2018/7/24
12
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
2018/7/24
13
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。
2018/7/24
14
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
2018/7/24
5
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。
2018/7/24
6
功率增益
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
2018/7/24 1
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
2018/7/24
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功率放大器性能参数
• 输出功率
• 效率
• 功率利用因子
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。
2018/7/24 8
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
2018/7/24
9
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
2018/7/24
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Fra Baidu bibliotek
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
19
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
负载 电阻
2018/7/24
10
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。
2018/7/24 11
理想A类放大器漏极电压和电流
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
2018/7/24
20
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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EC UCES
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。
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 2018/7/24 22 上可得相对输入信号不失真的输出功率。
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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
• 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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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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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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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
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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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功率增益
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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功率放大器性能参数
• 输出功率
• 效率
• 功率利用因子
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
2018/7/24
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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
2018/7/24
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Fra Baidu bibliotek
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
负载 电阻
2018/7/24
10
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。
2018/7/24 11
理想A类放大器漏极电压和电流
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
2018/7/24
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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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EC UCES
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。
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 2018/7/24 22 上可得相对输入信号不失真的输出功率。