9-PA(第九章)

InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity1第九章东南大学射光所李智群第九章功率放大器(PA)概述PA与小信号放大器的区别PA的主要指标PA的分类大信号阻抗匹配线性化技术CMOS功率放大器InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity2第九章Z.Q.LI概述»射频功率放大器位于发射机的后端，用于放大射频信号并达到一定的输出功率，然后送给天线发射。»射频和微波系统中信号的功率可以用瓦(W)、毫瓦(mW)和dBm表示。单位dBm是信号功率相对于1mW的对数值，定义为dBmmWW10lg()10lg()30PPP如果使用统一的负载，功率与幅度是一一对应的。在50的系统中，10V的信号幅度所对应的功率为22max101W1000mW2250VPR3dBmmW10lg()10lg(10)30dBmPPInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity3第九章Z.Q.LI»小信号放大器传输效率：为了从信号源(电压或电流)获取最大的功率，需要使负载与信号源内阻形成共轭匹配，这时的功率传输效率为50%。电压源的负载电阻越大、电流源的负载电阻越小，内阻上的消耗的功率就越小，功率传输效率就越高。»功率放大器效率：PA向负载输出足够的信号功率，需要消耗大的直流功率，并将直流功率转换为交流功率提供给负载。功率放大器的效率是一个关键指标。»由于小信号放大器输出的功率非常有限，因此通常不考虑效率问题。»功率放大器的线性度：若信号波形的包络含有信息，功率放大器就应不失真地放大信号，因此功率放大器的线性度就显得十分重要。概述InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity4第九章Z.Q.LI»效率和线性度是一对矛盾，放大器的效率越高，线性度就越低。另一方面输出功率越大，效率就越高，而由非线性引起的失真或干扰也越强。设计时需要对效率和线性度进行折中考虑。概述InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity5第九章Z.Q.LIPA与小信号放大器的区别»小信号放大器：工作在小信号状态，提供放大的信号电流和电压，功率常常是微不足道的。»功率放大器：工作在大信号状态，提供较大的功率输出，其晶体管应同时具有足够的电流驱动能力和较高的击穿电压。由于功率放大器工作于大信号下，有很大的动态范围，其输出阻抗随电压和电流而改变，是非线性阻抗，因此阻抗匹配是难点。»小信号放大器：主要关心电压增益。»功率放大器：不仅要看电压增益，还要看功率增益。没有电压增益并不一定意味着没有功率增益。以低频射极跟随器为例，电压增益和源电压增益分别为(1)(1)1/oLLvinLmLvRRAvrRgR(1)(1)/1/oLLvssSLSmLvRRAvRrRRgRInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity6第九章Z.Q.LI电路的转化功率增益表示为设100SR50LR100计算得0.98vA0.96vsA因此，没有电压增LSsoSsLoAVSLTRRvvR//vR/vPPG222242dB7.84.7TG因此，射极跟随器虽然没有电压增益，但是它有功率增益。PA与小信号放大器的区别InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity7第九章Z.Q.LIPA的主要指标1.输出功率和增益功率放大器的输出功率大小由系统标准确定，不同系统所要求的输出功率也不尽相同，在个人无线通信系统中要求的输出功率大致在1毫瓦到几瓦之间，为了获得这一范围的输出功率，根据输入信号的大小，放大器的功率增益大约为20~40dB。2.效率(Efficiency)和功率附加效率(PowerAddedEfficiency,PAE)若用PL表示负载上的功率，PD表示电源提供的直流功率，G表示功率增则功率放大器效率定义为DLPP功率附加效率(PAE)定义为GPPPPAEDinL11InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity8第九章Z.Q.LIPA的主要指标3.线性度—功率放大器产生的非线性失真会同时表现在幅度和相位上，即在信号的幅度和相位上会同时出现失真。—功率放大器的非线性可以通过双音测试来表征，即在放大器输入端加两个幅度相等、频率间隔很小的正弦信号，然后在放大器输出端测量互调分量。对相邻信道的干扰情况，用三阶互调量(IM3)来表示，对邻近信道的干扰情况，用五阶互调量(IM5)来表示。10/PPACPR—相邻信道功率比(ACPR，AdjacentChannelPowerRatio)：定义为信道带宽内的信号功率P0与相邻信道带宽内泄漏或扩展的信号功率P1之比，即InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity9第九章Z.Q.LIPA的主要指标—误差矢量幅度(EVM,ErrorVectorMagnitude)：由于非线性失真会使信号幅度和相位同时出现失真，因此用星座图中实际信号的点和理想信号的点之间的距离来表示误差。4.功率控制—功率控制是节省能量、减少对其他用户干扰的有效手段。在CDMA系统中更是一个基本要求。—控制信号可以是连续变化的模拟信号或按一定的步长或dB值变化的数字信号。5.输入输出反射系数或驻波比—为了获得最大的输入功率，需要较小的输入反射系数。—为了获得高效率，通常会在输出端有意地造成失配，这样会在输出端形成较大的驻波比。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity10第九章Z.Q.LIPA的分类1.A类(甲类)功率放大器—线性功率放大器，能够对输入信号进行线性放大，不会使信号的幅值和相位产生明显的失真。—晶体管在整个信号周期内保持导通。晶体管集电极的总电流为tIIiIioQoQCsin集电极的总电压为tVVvoCCCEsinInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity11第九章Z.Q.LIQoIImax,负载上能得到的最大电流幅度为IQ此时对应的最大输出电压幅度为CCLVRIVmaxo,maxo,LCCQRVI直流电源功率为LCCCCQDRVVIP2负载上的最大功率为LCCoooRVVIP2212max,max,max,PA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity12第九章Z.Q.LI功率放大器的最大效率为PA的分类%5021max,maxDoPP如果输出电压幅度(用Vo表示)减小，输出功率减小，由于直流功耗不变，因此效率随之降低，此时效率表示为2222212CCoLCCLoDoVVR/VR/VPP为什么输出共轭匹配在功率放大器设计中会有问题?设晶体管的输出电阻为ro，负载阻抗ZL经阻抗变换后变成了RL。假设V5CCVmA10CIk1or，，，1)共轭匹配情况1LoRrkInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity13第九章Z.Q.LIPA的分类由已知条件得CCoCVrIV10mA10mA5/max,LCCoRVI因此最大的输出电流幅度(Io,max)将小于IC，并有最大的输出电压(Vo,max)应等于VCC，即有V5max,CCoVV放大器的最大输出功率为mW5.122212max,max,max,LCCoooRVVIP放大器的效率为%IRVIVPCLCCCCCmax,o2510152121InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity14第九章Z.Q.LIPA的分类2)非共轭匹配情况取RL为偏置电压和偏置电流的比值，即500101053CCCLIVR最大的输出电流和电压幅度分别为mA10/max,LCCoRVIV5max,CCoVV放大器的最大输出功率为mW252212max,max,max,LCCoooRVVIP放大器的效率为%50105.052121max,CLCCCCCoIRVIVPInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity15第九章Z.Q.LI结论：共轭匹配在功率放大器的设计中不是最佳选择，负载电阻RL需要根据源电压和最大偏置电流而定，在电源电压很低的情况下，需要将负载阻抗变成更小的RL，并提供更大的偏置电流。PA的分类»已知电源电压VCC和输出功率Po，A类功率放大器设计步骤可以归纳如下：1)计算可以实现最大电压和电流摆幅的负载电阻RL：RL=(VCC-Vsat)2/(2Po),若给定的负载与该值不同，则用匹配网络将给定负载变成RL。2)计算晶体管的集电极偏置电流IC：IC=VCC/RL3)在信号源和放大器输入端之间通常要进行阻抗匹配。4)选择的晶体管应能承受的最大集电极电流为2VCC/RL，最大电压为2VCC，最大功耗为VCC2/RL。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity16第九章Z.Q.LI2.B类（乙类）功率放大器B（乙）类功率放大器的偏置电流IC为零，没有信号时晶体管截止，有信号时晶体管只在信号正半周导通。iCiCtt静态工作点vBEvBEPA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity17第九章Z.Q.LI集电极电流表示为2ππ0π0sintttItiPC其中IP为电流的最大值。晶体管的直流电流通过下式计算PTCDCIdttiTI01集电极电流由基波和谐波分量组成，其中的谐波分量可通过滤波器滤除，电流的基波分量表示为tIPsin2相应的平均输出功率为LPoRIP82电源提供的直流功率为PCCDCCCDCIVIVPPA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity18第九章Z.Q.LICCLPDCoVRIPP8π效率计算公式为LCCLPR/VRI2822LCCPR/VI2%.VRR/VVRICCLLCCCCLP5784828晶体管的功耗表示为82LPPCCoDCTRIIVPPPLCCPR/VI4当时，PT达到最大值，并有LCCTRVP22max,2由于有PA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity19第九章Z.Q.LI»已知电源电压VCC和输出功率Po，B类功率放大器设计步骤可以归纳如下：1)根据输出功率计算负载电阻RL：RL=(VCC-Vsat)2/(2Po),若给定的负载与该值不同，则用匹配网络将给定负载变成RL。2)偏置晶体管使其在半个周期内导通，即导通角为180o。3)在信号源和放大器输入端之间进行阻抗匹配。4)选择的晶体管应能承受的最大集电极电流为2VCC/RL，最大电压为2VCC，最大功耗为2VCC2/(RL)。由于B类功率放大器的输出有很大的失真，因此输出匹配网络应同时具有滤除谐波的功能。PA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity20第九章Z.Q.LIB类功率放大器的另一种结构是推挽式结构，它可以有效地避免失真。PA的分类InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity21第九章Z.Q.LIPA的分类3.C类(丙类)功率放大器—如果进一步减小晶体管的导通角，让其小于180°，则可以获得更高的效率，这就是C类功率放大器的工作原理。C类放大器是非线性的。—从结构上看，C类放大器除了直流偏置以外，其它都和A类放大器基本相似，但在输出