第15章RF功率放大器..
第15章RF功率放大器
31
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。
2018/11/10
43
设计举例
AB类、B类和C类放大器的设计：
2018/11/10
44
设计举例
3.3V
E类放大器的设计：
BFL L Vdrive C2 1n C1 R
R 5 QR L
3.3V
1 1 R( 2 4 1)( 2) ( R 5.447) 5.447 1.42 C2 C1 ( )(1 ) Q Q 2.08 C1
2018/11/10
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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
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。
2018/11/10
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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
射频功率放大器芯片
射频功率放大器芯片射频功率放大器（RF power amplifier）是一种用于放大射频信号的电子设备，广泛应用于无线通信系统、雷达系统、卫星通信系统、广播电视系统等领域。
它的主要作用是将输入的低功率射频信号放大到足够大的功率，以便能够远距离传输或驱动其他设备。
射频功率放大器芯片是射频功率放大器的核心元件，其主要功能是将输入的低功率射频信号放大到更高的功率。
射频功率放大器芯片通常由半导体材料制成，最常见的是使用金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。
射频功率放大器芯片通常具有以下特点：1. 宽带特性：射频功率放大器芯片能够在很宽的频段内进行工作，从几十兆赫兹到几千兆赫兹不等，能够适应不同的工作频段和应用需求。
2. 高功率增益：射频功率放大器芯片能够将输入信号的功率放大到较高的水平，通常能够提供几瓦到几十瓦的输出功率。
高功率增益可以确保信号的传输距离更远，同时也能够驱动各种外部设备。
3. 高效能率：射频功率放大器芯片通常能够实现较高的功率放大效率，能够将输入的电能有效地转化为输出的射频功率，减少能量的浪费，并减少热量的产生。
4. 低噪声：射频功率放大器芯片通常具有较低的噪声指标，能够保证输出信号的清晰度和稳定性，提高接收信号的质量。
5. 兼容性：射频功率放大器芯片通常具有较高的兼容性，能够适应不同的工作环境和系统要求，同时还能够与其他射频设备和控制电路进行连接和集成。
射频功率放大器芯片在无线通信系统中起着至关重要的作用。
它能够增强信号的强度和传输距离，保证信号的可靠传输，提高通信质量。
同时，射频功率放大器芯片还能够用于雷达系统中的信号增强、卫星通信系统中的信号放大、广播电视系统中的信号驱动等各种应用领域。
总之，射频功率放大器芯片是无线通信系统中至关重要的核心元件，它能够将输入的射频信号放大到足够大的功率，实现信号的长距离传输和驱动其他设备。
随着无线通信技术的发展和应用需求的增加，射频功率放大器芯片将会继续发展和创新，为无线通信领域的进一步发展做出重要贡献。
RF功率放大器设计技巧分享
RF功率放大器设计技巧分享RF功率放大器是无线通信系统中至关重要的组件，其设计质量直接影响着系统性能。
在设计RF功率放大器时，有一些技巧和注意事项可以帮助工程师实现更好的性能和稳定性。
首先，对于RF功率放大器的设计，选择合适的晶体管是至关重要的。
不同的晶体管具有不同的增益、功率输出、线性度和频率特性。
因此，在选择晶体管时，需要根据具体的应用需求来进行选择。
一般来说，高频率和功率输出要求高的应用需要选择高增益、高功率输出、高线性度的晶体管。
其次，对于RF功率放大器的匹配网络设计也是非常关键的一步。
匹配网络能够将晶体管的阻抗与负载的阻抗匹配，从而提高功率传输效率。
在设计匹配网络时，需要考虑到频率的变化对匹配电路的影响，同时还要考虑阻抗匹配的稳定性和带宽。
另外，稳定性分析也是RF功率放大器设计中不可忽视的一部分。
在高频高功率的工作条件下，晶体管可能会出现不稳定的工作状态，导致系统性能下降甚至损坏晶体管。
因此，需要进行稳定性分析来确保设计的功率放大器在各种工作条件下都能够保持稳定。
此外，温度对RF功率放大器的性能也会产生影响。
晶体管的工作温度会影响其参数，因此需要对功率放大器进行热设计，保证在不同温度下都能够正常工作。
最后，对于RF功率放大器的布局设计也需要特别注意。
布局设计应该考虑到电路中各个元件之间的相互干扰和互调，避免信号线之间的干扰和电磁辐射对系统性能的影响。
综上所述，设计高性能的RF功率放大器需要综合考虑晶体管选择、匹配网络设计、稳定性分析、热设计和布局设计等多个方面。
只有全面考虑这些因素，才能够设计出性能稳定、高效率的RF功率放大器，从而提高整个无线通信系统的性能和可靠性。
RF功率放大器设计与优化
RF功率放大器设计与优化RF功率放大器设计与优化是无线通信系统中至关重要的组成部分，它负责将低功率的射频信号放大至足够强度，以确保信号在传输过程中保持稳定和可靠。
在设计和优化RF功率放大器时，需要考虑多个因素，包括功率增益、线性度、效率、稳定性以及成本等。
首先，在RF功率放大器的设计过程中，需要选择合适的放大器拓扑结构。
常见的RF功率放大器包括甲类、甲B类和等等三种，每种拓扑结构都有各自的特点和适用场景。
甲类功放具有简单的电路结构和高效率，适用于对效率要求较高的情况；甲B类功放具有更好的线性度和功率输出，适用于对信号保真度要求较高的场景。
在选择拓扑结构时，需要根据具体的应用需求来决定。
其次，在设计RF功率放大器时，需要注意匹配网络的设计。
匹配网络的作用是将输入输出负载与功放之间的阻抗匹配，以提高功放的效率和稳定性。
匹配网络的设计需要考虑到频率响应、波形失真、增益平坦度等因素，以确保功率放大器在整个工作频段内都能保持优良的性能。
另外，在优化RF功率放大器的性能时，需要注重参数的调节和优化。
例如，可以通过调整电源电压、偏置电流、负载阻抗等参数来达到最佳的功放工作状态。
此外，可以采用反馈控制技术或自适应算法来实现对功放性能的动态调节和优化，以适应复杂的通信环境和需求。
除了以上提到的设计和优化方法，还可以考虑使用高性能的功率放大器芯片和器件，以提升功放的整体性能。
同时，通过合理的散热设计和EMC（电磁兼容性）设计，可以进一步提高功放的稳定性和可靠性，避免因杂散辐射或其他外界干扰而导致的性能下降。
综上所述，RF功率放大器的设计与优化是一个综合考虑电路结构、匹配网络、参数调节以及芯片器件等多个方面因素的过程。
只有综合考虑各种因素，并根据具体的应用需求进行精心设计和优化，才能实现功率放大器的最佳性能和稳定性，为无线通信系统的正常运行提供有力支持。
RF功率放大器设计原理与应用技巧
RF功率放大器设计原理与应用技巧RF功率放大器是一种用于放大射频信号的电子器件，通常在通信系统、雷达系统、无线电设备等领域得到广泛应用。
在设计RF功率放大器时，需要考虑到许多因素，包括频率范围、功率输出、效率、线性度、稳定性等。
本文将介绍RF功率放大器的设计原理和应用技巧。
首先，我们来看一下RF功率放大器的基本原理。
RF功率放大器通常由一个输入匹配网络、一个放大器芯片和一个输出匹配网络组成。
输入匹配网络用于将输入信号匹配到放大器芯片的阻抗，以获得最大的输入功率传输。
放大器芯片则负责将输入信号放大到所需的功率级别，同时保持放大器的线性度和效率。
输出匹配网络用于将放大后的信号匹配到负载阻抗，以最大化输出功率传输。
在设计RF功率放大器时，需要注意以下几个关键技巧。
首先是选择合适的放大器芯片。
不同的应用领域需要不同频率范围和功率输出的放大器芯片，因此需要根据实际需求选择合适的芯片。
其次是进行良好的匹配网络设计。
输入和输出匹配网络的设计对于放大器性能至关重要，需要确保信号能够顺利传输到放大器芯片或负载上。
另外，还需要注意功率输出和效率的平衡。
通常情况下，功率输出和效率是有牺牲关系的，需要在二者之间寻找一个平衡点，以满足实际需求。
除了基本的设计原理和技巧，还有一些其他注意事项需要考虑。
例如，稳定性设计是一个很重要的方面。
RF功率放大器在工作过程中会受到外部环境、负载变化等因素的影响，因此需要采取一些措施来增强其稳定性，例如采用反馈控制技术。
此外，还需要考虑到功率放大器的线性度。
在一些需要高动态范围的应用中，需要保证放大器能够在不同功率级别下保持较好的线性度，避免信号失真等问题。
总的来说，RF功率放大器的设计是一个综合考虑多种因素的复杂过程，需要结合实际应用需求以及相关技术要求进行综合设计。
通过了解放大器的基本原理和设计技巧，我们可以更好地设计和应用RF功率放大器，为射频通信系统等领域提供更好的性能和稳定性。
RF功率放大器的设计与优化
RF功率放大器的设计与优化RF功率放大器是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分，主要用于对信号进行放大，以满足通信系统对于高功率、低失真、高效率等多种要求。
而其设计与优化则直接关系着整个通信系统的性能和效率。
本文将从介绍功率放大器工作原理、设备特点和设计原则入手，结合实际案例，探讨RF功率放大器设计与优化的过程和技巧，以期为读者提供一定的参考和帮助。
一、功率放大器工作原理及特点功率放大器是一种将信号输入端的小信号放大成输出端的大信号的电子设备，其工作原理为将幅度较小的输入信号进行放大实现增强信号功率。
一般情况下，功率放大器被广泛应用于各种无线通信系统中，如手机、基站、卫星通信等。
功率放大器具有以下几个特点：（1）高输出功率：功率放大器的主要功能是对输入信号进行放大，从而达到提高功率的效果。
因此，功率放大器的输出功率必须要高，这也是它被广泛应用于无线通信系统中的原因之一。
（2）低失真：在功率放大器中，由于信号的放大不可避免地会伴随着失真，因此要求功率放大器的失真尽可能小。
否则，失真信号将会影响整个通信系统的运行质量。
（3）高效率：功率放大器是消耗电能的电子设备，因此高效率的功率放大器不仅可以使整个通信系统的工作更长寿，而且还可以节省用户的能源消耗。
二、功放设计原则在进行功放设计时，需要遵守以下的设计原则：（1）功率放大器的稳定性：功放的稳定性是功放设计的首要原则，任何放大器都不应该存在不稳定的现象，从而保证提供良好的信号放大性能。
（2）低失真：功率放大器的失真对于信号质量来讲有很大的影响，因此尽量减少失真是功放设计的目标之一。
（3）高效率：功率放大器在输入功率不变的情况下，输出功率越大则耗能也就越大，因此设计功放的时候需要在功率输出和能源消耗之间做一个平衡，以提高功放的效率。
三、功放设计流程在进行功放设计时，需要按照一定流程进行操作：（1）确定功率放大器的频带：功放工作的频带范围决定了器件的性能特征，因此功放设计开始之前需要明确出功放的频带范围。
RF功率放大器[发明专利]
![RF功率放大器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/81437d46284ac850ac02426e.png)
专利名称：RF功率放大器
专利类型：发明专利
发明人：R·科斯特,J·J·胡格,N·克拉默,R·M·希尔雷斯申请号：CN03811490.9
申请日：20030519
公开号：CN1656674A
公开日：
20050817
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：根据本发明的RF功率放大器包括连接到电源的多个并联输出晶体管(HBT，1，1到HBT，1，N)。
提供用于输出晶体管(HBT，1，1到HBT，1，N)的多个基极电阻器(Rb，1，1到Rb，1，N)和多个输入电容器(Cb，1到Cb，N)，每个输入电容器并联耦合以便接收RF信号输入并经至少一个附加无源部件连接到每个对应输出晶体管(HBT，1，1到HBT，1，N)的输入端。
从输出晶体管(HBT，1，1到HBT，1，N)的并联接点获得用于RF输出信号的输出。
晶体管(HBT，1，1到HBT，1，N)是异质结双极晶体管。
申请人：皇家飞利浦电子股份有限公司
地址：荷兰艾恩德霍芬
国籍：NL
代理机构：中国专利代理(香港)有限公司
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射频(RF)功率放大器和RF功率放大器装置[发明专利]
![射频(RF)功率放大器和RF功率放大器装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7669ddedbb68a98270fefa78.png)
专利名称：射频(RF)功率放大器和RF功率放大器装置专利类型：发明专利
发明人：田中聪,田上知纪
申请号：CN200910138572.5
申请日：20090508
公开号：CN101588159A
公开日：
20091125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供自适应于负载变化和过载状态的一种共用RF功率放大器以及功率放大器装置，其执行饱和型非线性放大和非饱和型线性放大。
RF功率放大器具有生成RF传输输出信号的末级放大器级、检测RF传输输出电平的信号检测器、第一检测器、第二检测器和控制电路。
末级放大器级包括晶体管和负载元件，并且执行饱和型非线性放大和非饱和型线性放大。
从信号检测器输出的RF检测信号提供到第一检测器，以及末级晶体管的输出电压提供到第二检测器。
第一检测器和控制电路相对于在饱和型非线性放大时在天线处的负载变化而维持RF传输输出信号近似恒定。
第二检测器和控制电路相对于在非饱和型线性放大时天线的过载状态而减少末级晶体管的输出电压的增加。
申请人：株式会社瑞萨科技
地址：日本东京都
国籍：JP
代理机构：北京市金杜律师事务所
代理人：王茂华
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第15章RF功率放大器
2020/3/28
11
理想A类放大器漏极电压和电流
2020/3/28
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
2020/3/28
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。
2020/3/28
14
BFL L
R 5
Vdrive
L QR
3.3V
C1 R( 2
1
4 1)(
1
2) (R • 5.447)
C2
C1
(
5.447 Q
)(1
1.42 ) Q 2.08
>6nH
Vdrive
C1
10.4nH 5.8pF
C2 1n
R
C4 1n
10.6pF
RL=50
2020/3/28
46
E类放大器的设计： 选择Q＝10可得到
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。
2020/3/28
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
2020/3/28
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
2020/3/28
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
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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
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
2018/7/24
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EC UCES
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。
c2 1
C
c1
C
1
L
b1Βιβλιοθήκη i2c2L
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。
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
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
• 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
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
18
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
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。
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
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
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@
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
2
功率放大器性能参数
• 输出功率
• 效率
• 功率利用因子