功率放大器教材

功率放大器的分析与设计池保勇清华大学微电子学研究所设计室清华大学微电子学研究所May08,2013参考书：池保勇、余志平、石秉学，CMOS射频集成电路分析与设计，§10SteveC.Cripps,RFPowerAmplifiersforWirelessCommunications,1999提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题晶体管的非线性模型弱非线性：由晶体管的高阶非线性效应引起，所产生的交调失真很小（－30dBc），利用功率展开序列进行分析强非线性：由于晶体管发生截止或者饱和（对于双极型晶体管）等限幅行为所引起的波形失真强弱非线性：在晶体管的饱和和截止之间的区间，晶体管的I-V曲线不是理想线性的（直线），而是用功率序列表示的弱非线性行为提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题功率匹配与负载线匹配功率匹配：负载阻抗与源阻抗共轭，负载上得到的功率达到昀大（昀大功率传输条件），但功放设计不能采用功率匹配功率匹配时源阻抗消耗了同负载阻抗一样的功率，效率仅为50％功率匹配适用于小信号电路，功放处理大信号电路，如何定义大信号阻抗？负载线匹配：信号源（如晶体管）的昀大可承受电压和昀大输出电流受限，这时优化负载是使信号源同时达到昀大承受电压和昀大输出电流的限制条件sLR||RsLR||RsLR||R功率匹配与负载线匹配研究表明，即使在不同的工艺条件下，采用负载线匹配比采用功率匹配的昀大输出功率都会有所提高，提高幅度大概在0.5dB～4dB之间提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题描述功放的性能参数：输出功率射频功率放大器的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。射频功率放大器的负载通常为天线，射频天线的等效阻抗一般为50欧姆如果功率放大器的输出是一个包络为常数的正弦型信号在发射机中，功率放大器处理的信号是经过调制后的信号，它的包络可能随着信源（随机二进制序列〕的变化而变化，因此上式计算的是功率放大器的瞬时输出功率功率放大器的平均输出功率：利用输出功率的统计特性平均输出功率：对瞬时输出功率在时间上平均，它可以将功率放大器的非线性效应对输出功率的影响考虑在内，这种计算办法需要较长的观察时间，通常用在计算机仿真中描述功放的性能参数：效率功率增加效率（PAE，Power-AddedEfficiency）漏端效率，它可以用来衡量功率增益级的效率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号功率也考虑在内，因此功率增加效率能更准确的反应功率放大器的效率性能描述功放的性能参数功率利用因子和功率增益功率利用因子（PowerUtilizationFactor:PUF）：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衡量功率放大器是否充分发挥了晶体管输出功率潜能在选择功率放大器的工作类别时，功率利用因子是要考虑的一个重要因素。某些类型的功率放大器具有很高的效率，但它的功率利用因子很低，这会限制它们的实际应用功率增益：放大器的输出信号功率与驱动信号功率的比值描述功放的性能参数：线性度通信系统所采用的调制方式决定了对功放线性度的要求非恒包络调制的包络是变化的，包络中携带有信息，因此功率放大器必须具有足够的线性度，保证射频信号仅被线性放大恒包络调制方式的包络是恒定的，信息仅包含在信号的相位上，这种调制方式可以使用高效率的非线性功率放大器在数据率一定时，恒包络调制方式会占用更宽的带宽。因此在选择系统的调制方式时，要在功放的线性度、效率和信道容量之间进行折衷考虑1dB压缩点和三阶交调点：1dB压缩点是衡量功放昀大输出功率的一个参数在1dB压缩点附件，放大器的增益受到压缩，会产生AM-AM失真，而且输入信号与输出信号之间的相移也会随着输入信号功率的变化而发生变化，产生AM-PM失真为了满足一定的线性度要求，放大器工作时的输出功率要小于它的昀大设计输出功率（输出1dB压缩点），两者之间的差别称为功率回退(Back-off)描述功放的性能参数：线性度(续)相邻信道功率比ACPR（AdjacentChannelPowerRatio），它是发射机在相邻信道某一频率的一定带宽范围内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，它可以衡量发射机因非线性对相邻信道所产生的干扰在IS-95CDMA通信系统标准0.885描述功放的性能参数：线性度(续)频谱掩模板：当信号被非线性放大时，信号可能在频域上扩展到相邻信道里，产生带外辐射；每一种通信系统标准都会对带外辐射作出规定，避免通信系统之间的相互干扰发射机的输出功率谱密度随频率的变化，是由信号的调制方式以及信源的统计特性决定的当发射机中存在非线性时，非线性会扩展发射信号的带宽，提高相邻信道内的功率谱密度，这种现象称为频谱扩展（SpectralRegrowth）无线通信系统标准常用频谱掩模板（SpectralMask）给发射机的功率谱密度扩展和带外辐射设置下限值，发射机的输出功率谱密度必须在掩模板设定的范围内描述功放的性能参数：线性度(续)误差向量幅度（error-vectormagnitude：EVM）：发射机发射信号误差向量的长度发射机发射的信号除了不在相邻信道内产生干扰外，对它的本质要求是信道内的信号具有很高的质量，能被接收机准确解调。误差向量幅度就是为了衡量发射机的信号质量而引入的参数对于数字调制系统来说，每一个符号都会产生随机的误差向量，但无线通信系统标准仅对一定数量的符号所产生的误差向量幅度的平均值做出规定提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题负载线理论晶体管模型：晶体管是一个理想的电压控制电流源，它的输出导纳为0，而且过驱动电压Vknee远小于晶体管所能承受的昀大电压Vmax，可以认为Vknee=0；晶体管跨导具有强非线性特性负载线理论（续）晶体管可承受的昀高电压：2Vdc昀大输出电流：Imax=2IdcA类功放的设计：根据输出功率要求和晶体管可承受的昀高电压，确定昀优阻抗Ropt和晶体管尺寸（根据昀大可输出电流确定）设计输出匹配网络，将Ropt匹配到50欧姆设计输入匹配网络提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题波形分析(1)假设当静态工作点变化时，驱动电压的幅度也跟着变化，使得输出电流的昀大值保持Imax不变。为了分析的方便，将所有的电压针对VO－Vt进行归一化，即Vt=0、VO=1，驱动电压的幅度为：波形分析(2)在一个周期内，晶体管导通部分所占的比重，称为导通角α。依据导通角的不同，可以将传统功率放大器划分为四种不同的类型，即A类、AB类、B类和C类功放输出电流的表达式波形分析(3)进行傅立叶变换，可以得到输出电流的平均值为电流Id(θ)的n阶谐波成分幅度为其中，直流成分和一阶谐波成分是需要特别关注的量，它们决定了放大器的效率和输出功率（其它谐波成分都短路到地波形分析(4)导通角减小时，直流成分单调减小当导通角位于2π和π之间时，基频成分随导通角的减小而单调增加，仅当导通角小于π（C类功放）时，基频成分才转为随导通角的减小而单调下降当πα2π时，高阶谐波成分中仅有二阶谐波成分比较高，其它的谐波成分都很小，而且随着导通角的减小，高阶谐波成分逐渐增加；当α=π时（B类功放），奇数阶谐波成分都等于0随着导通角的减小，功率放大器的非线性是逐渐增加的，这是提高功率放大器的效率所付出的代价当α=2π（A类功放）时，输出电流中除了基频外，没有其它的谐波成分，因此A类功放是一个理想线性放大器。但在以上的分析中，都假设晶体管满足强非线性条件，而忽略了晶体管的弱非线性。实际上，当输出电流中高阶谐波成分很小时，弱非线性将成为限制功率放大器线性度的主要因素。因此实际的A类功放也不是理想的线性放大器输出终端（1）传统功放的输出电流中包含有大量的谐波成分，二阶以上的谐波成分应该被短路到地，使得晶体管输出端的电压仅由输出电流的基频成分和负载阻抗决定输出终端（2）•功率放大器的输出功率为：•电源上消耗的功耗为•功率放大器的漏端效率为：•优化负载阻抗：•昀大输出功率：•昀高效率•功率利用因子Knee电压的影响(1)当输出电压小于Knee电压时，输出电流不仅与输入电压有关，而且与输出电压也有关，它随输出电压的增加而增加；而当输出电压大于Knee电压时，输出电流仅与输入电压有关，而与输出电压无关。Knee电压一般定义为输入电压一定时，输出电流达到昀大电流值的95％时输出电压的数值Knee电压的影响(2)考虑到Knee电压后，输出电流波形中将出现一个双峰,使得直流成分和基频成分都下降，输出功率减小，而且效率也会有所降低为了减小Knee电压的影响，可以通过适当减小负载阻抗RL来减小输出电压的摆幅考虑到Knee电压后，负载阻抗的选择，应综合考虑输出功率、效率等因素后进行优化功率传输关系与线性度：A类驱动电压幅度变化时，在负载阻抗保持不变（通常取Ropt）的情况下，输出电流和输出电压的幅度、输出功率和效率着的变化：线性关系功率传输关系与线性度：AB类驱动电压幅度变化时，在负载阻抗保持不变（通常取Ropt）的情况下，输出电流和输出电压的幅度、输出功率和效率着的变化：非线性关系功率传输关系与线性度：B类驱动电压幅度变化时，在负载阻抗保持不变（通常取Ropt）的情况下，输出电流和输出电压的幅度、输出功率和效率着的变化：线性关系功率传输关系与线性度：C类驱动电压幅度变化时，在负载阻抗保持不变（通常取Ropt）的情况下，输出电流和输出电压的幅度、输出功率和效率着的变化：非线性关系功率传输关系与线性度：总结强非线性模型：仅有A类功放和B类功放的功率传输关系是线性的，AB类功放在一定程度上偏离了线性关系强弱非线性模型，由于弱非线性的出现，A类和B类功放的功率传输关系不再是理想线性的，相反，通过合理选择AB类功放的偏置点，AB类功放可以达到很高的线性度输出匹配网络按照负载线匹配理论，输出晶体管的负载应为Ropt，而功率放大器的实际负载RL（通常为50欧姆的天线或者带通滤波器）与Ropt并不相同，因此功率放大器的输出端需要一个负载匹配网络，将阻抗RL变换为Ropt谐波短路终端传统功率放大器的输出电流中包含有各次谐波成分，而其中昀重要的是二阶谐波成分，功率放大器的输出应提供一个高阶（昀主要的是二阶）谐波短路终端高Q值的LC并联谐振网络：二阶谐波频率处的阻抗小于Ropt的1/10四分之一波长短路传输线:Pi型匹配网络也可以用来完成准谐波短路功能:应兼顾谐波短路和阻抗匹配传统功放的设计过程提要晶体管的非线性模型功率匹配与负载线匹配描述功放的性能参数负载线理论传统功率放大器开关模式功率放大器功放设计中的稳定性问题D类功放（1）驱动电压幅度足够强（过驱动），使得输出晶体管相当于受控的开关，在完全导通（晶体管工作于线性区）和完全截止（晶体管工作于截止区）之间瞬时切换D类功放（2）开关不会引入损耗，再加之无源元件都是理想的，也不会引入损耗，因此理想D类放大器的效率为100％，电源所消耗的功耗都转化为了有用的基频输出功率T2次级线圈上的电压为Vdc的方波信号，其基频成分的幅度为假设流过RLC谐振电路的电流幅度为Ipk，基频电流成分的幅度为I1=Ipk，基频信号功率（放大器的输出功率）为：理想D类放