功率放大器基礎(chǔ)知識(shí)科普分析

在無線通信系統(tǒng)中射頻前端是核心組件，連接通信收發(fā)器和天線的必經(jīng)之路。射頻前端主要包括功率放大器（PA）、天線開關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和 Diplexer）和低噪聲放大器（LNA）等。

其中功率放大器（PA）是發(fā)射器射頻前端的主放大器，將來自通信和雷達(dá)設(shè)備的小功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)送到天線的高功率傳輸信號(hào)。功率放大器的目標(biāo)是在不降低信號(hào)質(zhì)量的情況下，將信號(hào)增益提高到高功率水平。今天一起詳細(xì)了解功率放大器。

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?基礎(chǔ)知識(shí)

功率放大器（PA）是大多數(shù)射頻、微波和毫米波傳感、通信、電子戰(zhàn)重要部件。許多應(yīng)用需要天線端口的極端信號(hào)功率水平才能達(dá)到必要的范圍或吞吐量水平。射頻功率放大器位于發(fā)射機(jī)的后端，用于放大射頻信號(hào)并達(dá)到一定的輸出功率，然后送給天線發(fā)送。

功率放大器必須應(yīng)對(duì)處理各種類型的負(fù)載，其中一些可能會(huì)導(dǎo)致破壞性反射。因此，功率放大器的設(shè)計(jì)通常包括保護(hù)電路。如果功率水平足夠高或工作頻率足夠高，功率放大器可利用同軸連接器，甚至可利用波導(dǎo)連接器。

高功率放大器，P1dB 7 W， 8.5 GHz - 10.5 GHz， 輸入端 SMA，輸出端 SMA，增益 36 dB，IP3 47 dBm

功率放大器的關(guān)鍵特性是效率、功率輸出、增益和線性。其中

傳輸效率

為了信號(hào)源（電壓或電流）獲取最大的功率，需要使負(fù)載與信號(hào)源內(nèi)阻形成共軛匹配，這時(shí)的功率傳輸效率為50%。電壓源的負(fù)載電阻越大、電流源的負(fù)載電阻越小，內(nèi)阻上的消耗功率就越小，功率傳輸效率就越高。

效率

功率放大器向負(fù)載輸出足夠的信號(hào)功率，需要消耗大的直流功率，并將直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率提供給負(fù)載。功率放大器的效率是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

線性度

若信號(hào)波形的包絡(luò)含有信息，功率放大器就應(yīng)不失真地放大信號(hào)，因此功率放大器的線性度就顯得十分重要。

GaAs高功率放大器，Psat 7.9 W， 2.6 GHz ~ 4.2 GHz，SMA，增益 19 dB，IP3 47 dBm，NF 9 dB 以上為射頻功率放大器的關(guān)鍵特性并不是唯一的關(guān)鍵特性，而是受到所選放大器類別的嚴(yán)重限制。放大器類別是基于放大器輸出級(jí)如何在基于正弦輸入的周期的整個(gè)旋轉(zhuǎn)中影響輸出信號(hào)而進(jìn)行的區(qū)分。

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分類

功率放大器的電路有很多設(shè)計(jì)方法，每種電路配置操作和輸出特性都互不相同，為了區(qū)分不同功率放大器電路的特性和性能，將功率放大器進(jìn)行分類，其中分配了字母符號(hào)以標(biāo)識(shí)操作方法。

設(shè)計(jì)用于放大模擬信號(hào)的功率放大器屬于A，B，AB或C類

GaAs中等功率放大器，A/AB 類，Psat 1.5 W， 800 MHz ~ 4.2 GHz，SMA，增益 31 dB，IP3 41 dBm A類、B類、AB類和C類的經(jīng)典受控導(dǎo)通角放大器（線性放大器）由波形的指定部分上的導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間定義。這些放大器類別中的晶體管要么完全打開，要么完全關(guān)閉。這些是最常見的放大器類別，用于優(yōu)化信號(hào)的保真度是最重要的。

設(shè)計(jì)用于放大脈寬調(diào)制（PWM）數(shù)字信號(hào)的功率放大器屬于D，E，F(xiàn)等類別

類別D、E、F、G、S、T和其他，即開關(guān)放大器，這類放大器使用脈寬調(diào)制（PWM）快速切換，這會(huì)導(dǎo)致硬驅(qū)動(dòng)輸出進(jìn)入輸出級(jí)晶體管的飽和和截止區(qū)域。這些切換功能的目標(biāo)是當(dāng)晶體管兩端有電壓時(shí)基本上為零電流時(shí)進(jìn)行切換，而當(dāng)晶體管兩端存在電流時(shí)進(jìn)行零電壓切換。這些類別可以被配置為最有效的，但代價(jià)是信號(hào)質(zhì)量（主要是線性和噪聲）和復(fù)雜性。由于這些放大器類型的復(fù)雜性，它們更常見于高度集成的解決方案中，這些解決方案允許更復(fù)雜的偏置和控制電路，并受益于這些類別可實(shí)現(xiàn)的高水平效率。

A類放大器

A類放大器是最簡(jiǎn)單的放大器，在輸出級(jí)中只使用一個(gè)晶體管，晶體管輸出偏置在負(fù)載線中心的靜態(tài)點(diǎn)（Q點(diǎn)）周圍。通過這種方式，A類放大器可以被偏置，以避免被驅(qū)動(dòng)到截止或飽和，并且可以輸出全導(dǎo)通周期。因此，這一類是極其線性的、低失真的和高增益的，但以效率為代價(jià)。

在此類放大器中，即使沒有輸入信號(hào)，有源元件（用于放大的電子組件，在這種情況下為晶體管）也一直處于使用狀態(tài)。在正常配置的情況下，這會(huì)產(chǎn)生大量熱量并將A類放大器的效率降低到25％，在變壓器耦合配置的情況下，效率會(huì)降低到50％。

B類放大器

B類放大器有一個(gè)互補(bǔ)晶體管的輸出級(jí)，每個(gè)晶體管只輸出一半的波形（推挽放大器）。由于這些放大器不需要在Q點(diǎn)附近偏置，因此它們比a類放大器使用更少的直流功率，并且以線性、失真和設(shè)計(jì)復(fù)雜性為代價(jià)更高效。

AB類放大器

AB類放大器是一種混合類，其中輸出放大器都在波形交叉點(diǎn)附近傳導(dǎo)，這消除了交叉失真，這是B類放大器線性性能的主要缺點(diǎn)。這些放大器在射頻功率應(yīng)用中很常見，因?yàn)樗鼈儽華類更高效，比B類更線性。

GaN功率放大器，18W，1000 MHz~2500 MHz， AB類，L和S波段，效率50%，28V，SMA

C類放大器

C類放大器被偏置，使得輸出電流在超過一半的信號(hào)周期內(nèi)為零。這是一種比A類、B類或AB類放大器更有效的方法，但它最容易失真。然而，這些放大器通常用于高頻振蕩電路，其中C類放大器輸出脈沖可以使用LC諧振電路轉(zhuǎn)換為正弦波。

編輯：黃飛

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