射频功率放大器技术 PPT课件
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峨眉校区计算机与通信工程系
主讲：李华
射频功率放大器技术
主要内容
1
功率放大器的应用
2 功率放大器在无线通信系统中的地位
3
功率放大器的结构
4
功率放大器的工作状态
5 功率放大器存在的问题及解决方法
什么是功率放大器
❖ 简单说，功率放大器作用就是把弱信号放大
❖ 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控 制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的 电流，起到电流电压放大的作用
Re
+VCC
+ C2
输出 回路
+ RL uo
–
Re 介于输入输出回路，有反馈。 反馈使 uid 减小，为负反馈。 既有直流反馈，又有交流反馈。
❖ 3、预失真法
❖ 预失真技术目前应用较为广泛。它使功率放大器线性度大 大提高，输出功率增大。
❖ 原理：在信号放大之前对信号按照一定的规律进 行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分 量尽可能地小。
理想50% ，实际5～ 很好 20%
理想78.5%，实际 有失真，有一定线性
40%左右
度
理想50-70%，实际 较好 60%
理想80～90%，实际 很好（仅适合低频） 80 %
理想100%，实际90% 完全非线性
❖ 功率放大器效率对移动通信运营商降低成本非常 重要
例如： 移动通信基站采用传统技术的典型功耗为1500 W，而 采用新一代技术的功耗为760 W。 对于一个5000个基站的WCDMA网络，按一年时间计算， 采用新一代基站比传统基站节省电费如下：
❖ 目前“流片”费用昂贵，所以在“流片”前需要 做若干仿真和实验，确保设计正确。
峨眉校区计算机与通信工程系
Question Time
功放工作状态动画
❖ D类-D类放大器是一种开关或PWM功放，在这种功 放中，器件要么完全导通， 要么完全关闭，大幅 度减少了输出器件的功耗。效率可高达90～9 5％
❖ 假设输入信号为一个标准的音频信号(正弦波)。将这个音 频信号与高频三角波相比较产生一个PWM信号。将这个PWM 信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通 滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号
FET 场效应管
MOSFET (IGFET) 绝缘栅型
JFET 结型
N沟道JFET
N沟道绝缘栅型
放大电路
功率放大器的工作状态
❖ A（甲）类-------A类 放大器在整个周期内 都处在导通状态，换 言之，总有偏置电流 流过输出器件。这种 结构的失真最小，基 本是线形的，但效率 也最低，约为20％。
IB
+
+
T VCE
VBE
-
-
IB /A
IC
/mA IB
=
40
A
30 A
20 A
10 A
0
U(BR)BEO 0 UBE(on) UBE /V
IEBO +ICBO
0
U(BR)CEOUCE /V
饱和区、放大区、 截止区、击穿区。
三极管放大电路动画
三极管放大作用动画
场效应管
❖ 场效应管用输入电压控制输出电流的半导体器件
❖ 1、功率回退 ❖ 原理：功率回退法就是把功率放大器的输入功率
从1dB压缩点向后回退6-10个分贝，工作在远小于 1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区， 进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交 调系数 ❖ 实现：选用功率较大的管子作小功率管使用
❖ 一般来说，功率 放大器的输入功 率减小ldB，交叉 调制系数CM就改 善2dB。
信号失真
输出信号的幅度大小有所变化 延时固定
❖(B) 线性失真
•系统的幅度频率特性不是常数 •相位频率特性不是频率的线性函数 •改变了输入信号各频率分量的相对关系 •不产生新的频率分量
❖(C) 非线性失真
•产生新的频率分量 •系统特性与端口条件（信号、负载）有关
❖ (2)增益1dB压缩点、三阶交调、三阶交截点
❖ E类功率放大器，工作在开关模式。
当输入电压Vin大于开启电压时,晶体管工作在可变电阻区, 漏源之间有很小的电阻,假设为ron,这相当于开关闭合;如果 输入电压Vin小于开启电压时,MOS管处于截至状态,没有电流
流过漏级,这相当开关断开
目前功放面临的问题
❖ 效率和线性化问题一直是困扰功率放大器性能的问题
优缺点
简单、易实现 降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统
❖ 2、负反馈
❖ 将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通 过一定的元件，回送到输入回路并影响输入量 (电压或电流)和输出量的过程。
来自百度文库
输入
放大电路 输出
反馈网络
例如：
C1
+RS us
+ ui
–
–
Rb
++
输入 uid
回路 –
蓝牙耳机 信号频率在2～4G赫兹，属于射频范围
功率放大器的应用
功率放大器的应用
无线通信基站
功率放大器的应用
电脑无线上网
GPS
功率放大器的应用
卫星通信
无线通信的基本结构
❖ 无线电通信系统，由发送设备、接收设备、无线信 道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息 和数据传输的系统
动画演示
根据信号频率不同功放不同
射频功率放大器 高频功率放大器 中低频功率放大器
功率放大器
功率放大器的应用
高保真音响系统
功率放大器的应用
电视、汽车音响等
功率放大器的应用
发射无线电广播电信号 信号频率在几十兆到几百兆赫兹
功率放大器的应用
发射电视信号
功率放大器的应用
对讲机、无绳电话
功率放大器的应用
交调失真对模拟微波通信 来说，会产生邻近信道的 串扰，对数字微波通信来 说，会降低系统的频谱利 用率，并使误码率恶化； 因此容量越大的系统，要 求IP3越高，IP3越高表示 线性度越好和更少的失真
动画演示
❖ (3)调幅-调相效应 输入信号： 输出信号：
基波增益：
❖ (4)频谱扩展
功率放大器的线性化技术
❖ 线性性能受限的主要因素有两个： 1. 包络通道带宽 2. 两路信号间的延时差
EER中相位信号带宽大于原信号带宽
ET(包络跟踪)和EER技术的比较
EER
ET
混合型EER
❖ 根据以上线性化技术，设计功率放大器外围电路， 当达到预订指标时，可以进行“流片”，制作芯 片，以达到批量生产的目的。
发射机的功耗主要在功率放大器，不同类型发射机功放 约占全机60-90% 功放效率的提高对延长电池寿命、增加发射功率、 散热、减小体积重量起决定作用。
其中PDC为电源供给直流功率，Pout为交流输出功率，Pc为消 耗在集电极上的功率
❖ 各种工作状态的效率和线性性
功放工作状态
效率
线性度
A类 B类 AB类 D类 E、F类
3. 为了得到最优的系统性能，必须调整信号电平
功率放大器基本结构
❖ 目前功率放大可以选用功率放大芯片实现，但其 核心是三极管和场效应管
❖ 也可选用晶体三极管和场效应管，自 行设计外围电路实现功率放大
晶体三极管（BJT）
❖按材料分有两种：储管和硅管。 而每一种又有NPN 和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP 两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原 理都是相同的
节省的电费 =功耗差值×基站数目×电费单价×全年的小时数
=（1500－760）× 5 000 × 0.7 ÷1000× 24× 365 = 22 688 400 元
非线性特性
❖ (1) 信号失真 ❖ (2) 增益1dB压缩点 、三阶交调、三阶交截点 ❖ (3) ❖ (4) 频谱扩展
❖ （1）无失真传输
发
+
射N
极
e 发射区
发射结Je
集
P
N
电
基区
极 集电区 c
基极b 集电结Jc
电路符号
➢ 三极管内部结构特点:发射区高掺杂;基区很薄;集电结面积大
发射结正偏，集电结反偏：放大模式
IE
IE (1 )IB
IB
IC IC IB
IE (1 )IB
β表示，基极电流IB对集电极电流IC的控制能力。
IC
❖ B（乙）类输出器件 仅只导通半个正弦波 的周期，换言之，如 果没有输入信号，输 出器件就不会有电流 流过。这类功放的效 率很明显地要优越于 A类。通常采用两只 乙类功放管构成互补 放大，但存在交越失 真。
交越失真动画
❖ AB（甲乙）类放大器的工作点既不象乙类放大选 得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间 小于半周期，工作性能介于甲（A）类和乙（B） 类之间
无线通信系统
接收机
无线通信收发机结构
收发机包括收信器和发信器
❖ 收信器和发信器分别由前端电路和后端电路两部 分构成，其接收路径和发射路径各完成三个功能：
1. 已调制的有用信号的中心频率从较低频转换到射 频（发射路径）或从射频转换到较低频率（接收 路径）
2. 出现在有用信号所占频带之外的信号被有效抑制， 以保证它们不对无线通信链路和数字调制解调的 正常工作造成有害影响
❖ 实际前馈实现原理
优缺点 结构复杂、实现难度大 频带宽、动态范围大 适用于线性要求高的系统
5、包络消除与恢复法（EER）
❖ 调制后的RF信号通过藕合器分离出一部分信号来 取得包络信息，同时主支路上的RF信号通过限幅 器变为恒定包络信号，经由高效率的非线性放大 器放大，然后利用前面取出的包络信息控制最后 一级功放的直流偏置，进行幅度调制来恢复出信 号本身的包络。
❖ 缺点:预失真回路由于某些因素引起的失真不能起 到补偿作用，比如由于温度、直流电压的变化以 及器件老化等引起的器件非线性的波动。
目前发展方向 ：自适应预失真器的功率放大器。
❖ 4、前馈法
❖ 前馈法是目前放大器线性化技术中最先进、发展最为迅速 的方法之一。
❖ “前馈”线性化技术中的反馈信号与信号流是一 致的方向抵消放大器的非线性分量
预失真的信号可以部分抵消功率放大器中产生的非线性失真
❖ 预失真的设计
假设放大器PA的传递函数为 H A | H A ( j) | e j()
如果总的传递函数 H K K为常数，是线性放大
而 H HA HB
HB
K HA
K
e j ( )
| H A ( j) |
❖ 预失真技术的好处是不必要求功率回退，放大器 可以工作在ldB压缩点附近甚至饱和区，所以能得 到较高的效率。
主讲：李华
射频功率放大器技术
主要内容
1
功率放大器的应用
2 功率放大器在无线通信系统中的地位
3
功率放大器的结构
4
功率放大器的工作状态
5 功率放大器存在的问题及解决方法
什么是功率放大器
❖ 简单说，功率放大器作用就是把弱信号放大
❖ 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控 制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的 电流，起到电流电压放大的作用
Re
+VCC
+ C2
输出 回路
+ RL uo
–
Re 介于输入输出回路，有反馈。 反馈使 uid 减小，为负反馈。 既有直流反馈，又有交流反馈。
❖ 3、预失真法
❖ 预失真技术目前应用较为广泛。它使功率放大器线性度大 大提高，输出功率增大。
❖ 原理：在信号放大之前对信号按照一定的规律进 行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分 量尽可能地小。
理想50% ，实际5～ 很好 20%
理想78.5%，实际 有失真，有一定线性
40%左右
度
理想50-70%，实际 较好 60%
理想80～90%，实际 很好（仅适合低频） 80 %
理想100%，实际90% 完全非线性
❖ 功率放大器效率对移动通信运营商降低成本非常 重要
例如： 移动通信基站采用传统技术的典型功耗为1500 W，而 采用新一代技术的功耗为760 W。 对于一个5000个基站的WCDMA网络，按一年时间计算， 采用新一代基站比传统基站节省电费如下：
❖ 目前“流片”费用昂贵，所以在“流片”前需要 做若干仿真和实验，确保设计正确。
峨眉校区计算机与通信工程系
Question Time
功放工作状态动画
❖ D类-D类放大器是一种开关或PWM功放，在这种功 放中，器件要么完全导通， 要么完全关闭，大幅 度减少了输出器件的功耗。效率可高达90～9 5％
❖ 假设输入信号为一个标准的音频信号(正弦波)。将这个音 频信号与高频三角波相比较产生一个PWM信号。将这个PWM 信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通 滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号
FET 场效应管
MOSFET (IGFET) 绝缘栅型
JFET 结型
N沟道JFET
N沟道绝缘栅型
放大电路
功率放大器的工作状态
❖ A（甲）类-------A类 放大器在整个周期内 都处在导通状态，换 言之，总有偏置电流 流过输出器件。这种 结构的失真最小，基 本是线形的，但效率 也最低，约为20％。
IB
+
+
T VCE
VBE
-
-
IB /A
IC
/mA IB
=
40
A
30 A
20 A
10 A
0
U(BR)BEO 0 UBE(on) UBE /V
IEBO +ICBO
0
U(BR)CEOUCE /V
饱和区、放大区、 截止区、击穿区。
三极管放大电路动画
三极管放大作用动画
场效应管
❖ 场效应管用输入电压控制输出电流的半导体器件
❖ 1、功率回退 ❖ 原理：功率回退法就是把功率放大器的输入功率
从1dB压缩点向后回退6-10个分贝，工作在远小于 1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区， 进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交 调系数 ❖ 实现：选用功率较大的管子作小功率管使用
❖ 一般来说，功率 放大器的输入功 率减小ldB，交叉 调制系数CM就改 善2dB。
信号失真
输出信号的幅度大小有所变化 延时固定
❖(B) 线性失真
•系统的幅度频率特性不是常数 •相位频率特性不是频率的线性函数 •改变了输入信号各频率分量的相对关系 •不产生新的频率分量
❖(C) 非线性失真
•产生新的频率分量 •系统特性与端口条件（信号、负载）有关
❖ (2)增益1dB压缩点、三阶交调、三阶交截点
❖ E类功率放大器，工作在开关模式。
当输入电压Vin大于开启电压时,晶体管工作在可变电阻区, 漏源之间有很小的电阻,假设为ron,这相当于开关闭合;如果 输入电压Vin小于开启电压时,MOS管处于截至状态,没有电流
流过漏级,这相当开关断开
目前功放面临的问题
❖ 效率和线性化问题一直是困扰功率放大器性能的问题
优缺点
简单、易实现 降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统
❖ 2、负反馈
❖ 将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通 过一定的元件，回送到输入回路并影响输入量 (电压或电流)和输出量的过程。
来自百度文库
输入
放大电路 输出
反馈网络
例如：
C1
+RS us
+ ui
–
–
Rb
++
输入 uid
回路 –
蓝牙耳机 信号频率在2～4G赫兹，属于射频范围
功率放大器的应用
功率放大器的应用
无线通信基站
功率放大器的应用
电脑无线上网
GPS
功率放大器的应用
卫星通信
无线通信的基本结构
❖ 无线电通信系统，由发送设备、接收设备、无线信 道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息 和数据传输的系统
动画演示
根据信号频率不同功放不同
射频功率放大器 高频功率放大器 中低频功率放大器
功率放大器
功率放大器的应用
高保真音响系统
功率放大器的应用
电视、汽车音响等
功率放大器的应用
发射无线电广播电信号 信号频率在几十兆到几百兆赫兹
功率放大器的应用
发射电视信号
功率放大器的应用
对讲机、无绳电话
功率放大器的应用
交调失真对模拟微波通信 来说，会产生邻近信道的 串扰，对数字微波通信来 说，会降低系统的频谱利 用率，并使误码率恶化； 因此容量越大的系统，要 求IP3越高，IP3越高表示 线性度越好和更少的失真
动画演示
❖ (3)调幅-调相效应 输入信号： 输出信号：
基波增益：
❖ (4)频谱扩展
功率放大器的线性化技术
❖ 线性性能受限的主要因素有两个： 1. 包络通道带宽 2. 两路信号间的延时差
EER中相位信号带宽大于原信号带宽
ET(包络跟踪)和EER技术的比较
EER
ET
混合型EER
❖ 根据以上线性化技术，设计功率放大器外围电路， 当达到预订指标时，可以进行“流片”，制作芯 片，以达到批量生产的目的。
发射机的功耗主要在功率放大器，不同类型发射机功放 约占全机60-90% 功放效率的提高对延长电池寿命、增加发射功率、 散热、减小体积重量起决定作用。
其中PDC为电源供给直流功率，Pout为交流输出功率，Pc为消 耗在集电极上的功率
❖ 各种工作状态的效率和线性性
功放工作状态
效率
线性度
A类 B类 AB类 D类 E、F类
3. 为了得到最优的系统性能，必须调整信号电平
功率放大器基本结构
❖ 目前功率放大可以选用功率放大芯片实现，但其 核心是三极管和场效应管
❖ 也可选用晶体三极管和场效应管，自 行设计外围电路实现功率放大
晶体三极管（BJT）
❖按材料分有两种：储管和硅管。 而每一种又有NPN 和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP 两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原 理都是相同的
节省的电费 =功耗差值×基站数目×电费单价×全年的小时数
=（1500－760）× 5 000 × 0.7 ÷1000× 24× 365 = 22 688 400 元
非线性特性
❖ (1) 信号失真 ❖ (2) 增益1dB压缩点 、三阶交调、三阶交截点 ❖ (3) ❖ (4) 频谱扩展
❖ （1）无失真传输
发
+
射N
极
e 发射区
发射结Je
集
P
N
电
基区
极 集电区 c
基极b 集电结Jc
电路符号
➢ 三极管内部结构特点:发射区高掺杂;基区很薄;集电结面积大
发射结正偏，集电结反偏：放大模式
IE
IE (1 )IB
IB
IC IC IB
IE (1 )IB
β表示，基极电流IB对集电极电流IC的控制能力。
IC
❖ B（乙）类输出器件 仅只导通半个正弦波 的周期，换言之，如 果没有输入信号，输 出器件就不会有电流 流过。这类功放的效 率很明显地要优越于 A类。通常采用两只 乙类功放管构成互补 放大，但存在交越失 真。
交越失真动画
❖ AB（甲乙）类放大器的工作点既不象乙类放大选 得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间 小于半周期，工作性能介于甲（A）类和乙（B） 类之间
无线通信系统
接收机
无线通信收发机结构
收发机包括收信器和发信器
❖ 收信器和发信器分别由前端电路和后端电路两部 分构成，其接收路径和发射路径各完成三个功能：
1. 已调制的有用信号的中心频率从较低频转换到射 频（发射路径）或从射频转换到较低频率（接收 路径）
2. 出现在有用信号所占频带之外的信号被有效抑制， 以保证它们不对无线通信链路和数字调制解调的 正常工作造成有害影响
❖ 实际前馈实现原理
优缺点 结构复杂、实现难度大 频带宽、动态范围大 适用于线性要求高的系统
5、包络消除与恢复法（EER）
❖ 调制后的RF信号通过藕合器分离出一部分信号来 取得包络信息，同时主支路上的RF信号通过限幅 器变为恒定包络信号，经由高效率的非线性放大 器放大，然后利用前面取出的包络信息控制最后 一级功放的直流偏置，进行幅度调制来恢复出信 号本身的包络。
❖ 缺点:预失真回路由于某些因素引起的失真不能起 到补偿作用，比如由于温度、直流电压的变化以 及器件老化等引起的器件非线性的波动。
目前发展方向 ：自适应预失真器的功率放大器。
❖ 4、前馈法
❖ 前馈法是目前放大器线性化技术中最先进、发展最为迅速 的方法之一。
❖ “前馈”线性化技术中的反馈信号与信号流是一 致的方向抵消放大器的非线性分量
预失真的信号可以部分抵消功率放大器中产生的非线性失真
❖ 预失真的设计
假设放大器PA的传递函数为 H A | H A ( j) | e j()
如果总的传递函数 H K K为常数，是线性放大
而 H HA HB
HB
K HA
K
e j ( )
| H A ( j) |
❖ 预失真技术的好处是不必要求功率回退，放大器 可以工作在ldB压缩点附近甚至饱和区，所以能得 到较高的效率。