关于高效率功率放大器的现状及发展趋势

高效率功率放大器的现状及发展趋势

一、引言

现代通信系统中的射频系统要求功耗低、效率高以及体积小。近年来，无线通讯朝大容量、多电平、多载波、高峰均比和宽频带方向飞速发展，宽带数字传输技术（如OFDM、CDMA等）和高频谱效率的调制方式（如QPSK、QAM等）正获得越来越广泛的应用，从而对射频系统性能提出更为苛刻的要求。功率放大器作为射频系统的关键部件，其所消耗的功率在整个射频系统所占比例相当大。低效率的功率放大器严重影响系统的整体性能。所以，设计高效率射频功率放大器对于减少电源消耗，提高系统稳定性，节约系统成本都由十分重大的意义。

传统的功率放大器通过调整工作状态（即调整晶体管导通角）来提高效率，这就是A类、B类、AB类、C类功率放大器的演进过程。其中C类功率放大器的理论效率最高达到100%，但此时其输出功率却为零。其根本原因在于，上述功率放大器工作状态下电流、电压同时存在于晶体管中，要使晶体管的耗散功率为

零，必然使输出功率也为零。通过不断减小导通角的方式已不能满足不断提高效率的要求。为进一步提高效率，晶体管工作在开关状态的功率放大器应运而生。

二、研究现状

2.1 高效率功率放大器

2.1.1 D类功率放大器

当前，国内外高效率射频功率放大器的研究都集中在开关模型功率放大器及高效率功率放大器结构上。开关模型功率放大器主要有D、E两类。其设计思想都是使晶体管上“电流、电压不同时出现”。 D类功率放大器一般由两个晶体管构成，两只晶体管轮流导通、截止，实现电流、电压的不同时出现条件。但其晶体管和寄生电容耗能都是单管放大电路的双倍。同时，在开关瞬间存在两晶体管同时导通或截止引起二次击穿造成晶体管损坏的危险。工作频率比较低时,晶体管开关延时可以忽略,晶体管近似理想开关,不会产生损耗；在高频下,晶体管开关延时不可忽略,会引入损耗,另外元器件本身也会有损耗。因此,D类功放适合于频率较低的应用,并不适用于射频领域，D类放大器现在主要应用于音频领域。如图所示为D类功率放大器的电路结构。

2.1.2 E类功率放大器

为了克服D类功放在不完全导通与不完全截止过程中引入的较大损耗,提出了E类功放的设计。与D类功放不同,E类功率放大器采用单只晶体管,可工作于较高的频段，漏极电流为直流和漏极分路电容的充电电流之和。E类放大器是一种开关式的高效率放大器,理想情况下,效率可达100%。在这种功率放大器中,足够强的驱动电压使得输出功率管在完全导通和完全截止之间瞬时切换,流过开关的电流与开关上电压波形没有重叠,因而开关不消耗功耗。E类功率放大器的主

要设计思想为:功放管截止时,使集电极电压的上升沿延迟到集电极电流等于零以后才开始;功放管一导通时,迫使在集电极电压等于零以后,才开始出现集电极电流,使功放管从一导通至截止或者从截止至导通的开关期间,功放管功耗最小。如图所示为E类放大器的开关等效电路。

2.1.3 F类功率放大器

E类功率放大器虽然克服开关在不完全导通时的损耗,提高了工作效率，但它要求驱动信号具有很快的上升时间和较高的功放管承受电压,这样大大限制了它的应用。F类功率放大器就是针对E类功放的这些限制原因而研究出的一种新型的功率放大器，F类功放使用多个谐波谐振网络对晶体管的漏端电压和电流中的谐波成分进行整形,使得其负载对奇次谐波开路,对偶次谐波短路。漏极电压波形中包含奇次谐波,而漏极电流波形中包含基波和偶次谐波漏极电压与电流相位相差150,因此晶体管漏端的电压波形与电流波形没有重叠区,减小开关的损耗,提高功率放大器的效率。F类功放的电路结构如下图所示。

2.1.4 S类功率放大器

S 类放大器本质上是基于脉冲宽度调制的高效率低频调制器。通常使用一个晶体管和二极管来作为开关，产生方波电压。开关频率必须大于调制频率 4－5 倍。脉冲宽度正比于输入包络信号的幅度，所以在输出端必须加上一个对开关频率和它的谐波能产生高阻抗的低通滤波器，用来恢复出包络信号。理想工作情况下，晶体管上不会同时出现电压和电流，所以效率极高。但是实际工作中，二极管和晶体管由于导通饱和电阻不为零，以及开关通断时间不为零，导致了损耗，特别是在高频时更严重。典型的S类功放电路如图所示。

2.2 提高功率放大器效率的技术

2.2.1 Doherty技术

线性度的提升往往以功率回退的形式来得以实现，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低。1936年Doherty提出的高效率方案能够很好解决这一难题，Doherty技术能够使放大器在很宽的功率变化范围内保持高效率输出。Doherty技术是目前比较成熟的功率放大器技术，其基本原理是分别放大信号的峰值功率和平均功率来提高功放效率。如图所示为Doherty结构框图。

由两个平行放大器构成，一个主功放，又称载波功放，另一个是辅助功放，又称峰值功放。其中，主功放偏置在AB类，辅助功放偏置在C类。主功放后面和辅助功放前面各有一段λ/4的微带线，分别起阻抗变化的作用和相位平衡的作用。两支路经由λ/４微带线进行合路并将放大后的信号输出。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小的主放大器的输出阻抗，这样就能让主放大器在达到饱和时输出更多的电流。

2.2.2 ET技术（包络跟踪技术）

ET也即动态偏置功率放大器，通过调节偏置电压减少直流功耗，极大地提高功率放大器的效率。其技术难点主要在于动态偏置和射频信号的同步问题。它通过检测输入信号的包络，为不同大小的瞬时输入信号提供不同的偏置电压。其结构框图如图所示。

定向耦合器将输入包络信号分为两路，在下支路里，带着幅度和相位信息的包络信号直接驱动线性功率放大器；上支路经过检波器检测出输入信号包络波形，由直流电压表示。通过对包络电压定标，该电压即可表示输入功率的大小。在不同的输入直流电压驱动下，DC-DC 变换器为功率放大器提供与输入功率成比例的偏置电压，也即动态偏置。在该技术中，线性放大器可以选择 A 类放大器。延迟线用来补偿上下支路间的相位差，如果设计不好将会导致最终的输出信号严重失真。