功率放大器的關鍵特性及分類

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（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，將來自通信和雷達設備的小功率信號轉(zhuǎn)換為發(fā)送到天線的高功率傳輸信號。功率放大器的目標是在不降低信號質(zhì)量的情況下，將信號增益提高到高功率水平。今天一起詳細了解功率放大器。

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** 基礎知識**

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。許多應用需要天線端口的極端信號功率水平才能達到必要的范圍或吞吐量水平。射頻功率放大器位于發(fā)射機的后端，用于放大射頻信號并達到一定的輸出功率，然后送給天線發(fā)送。

功率放大器必須應對處理各種類型的負載，其中一些可能會導致破壞性反射。因此，功率放大器的設計通常包括保護電路。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

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

效率

功率放大器向負載輸出足夠的信號功率，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載。功率放大器的效率是一個關鍵指標。

線性度

若信號波形的包絡含有信息，功率放大器就應不失真地放大信號，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鍵特性并不是唯一的關鍵特性，而是受到所選放大器類別的嚴重限制。放大器類別是基于放大器輸出級如何在基于正弦輸入的周期的整個旋轉(zhuǎn)中影響輸出信號而進行的區(qū)分。

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分類

功率放大器的電路有很多設計方法，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，將功率放大器進行分類，其中分配了字母符號以標識操作方法。

設計用于放大模擬信號的功率放大器屬于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)典受控導通角放大器（線性放大器）由波形的指定部分上的導通狀態(tài)的持續(xù)時間定義。這些放大器類別中的晶體管要么完全打開，要么完全關閉。這些是最常見的放大器類別，用于優(yōu)化信號的保真度是最重要的。

設計用于放大脈寬調(diào)制（PWM）數(shù)字信號的功率放大器屬于D，E，F(xiàn)等類別

類別D、E、F、G、S、T和其他，即開關放大器，這類放大器使用脈寬調(diào)制（PWM）快速切換，這會導致硬驅(qū)動輸出進入輸出級晶體管的飽和和截止區(qū)域。這些切換功能的目標是當晶體管兩端有電壓時基本上為零電流時進行切換，而當晶體管兩端存在電流時進行零電壓切換。這些類別可以被配置為最有效的，但代價是信號質(zhì)量（主要是線性和噪聲）和復雜性。由于這些放大器類型的復雜性，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雜的偏置和控制電路，并受益于這些類別可實現(xiàn)的高水平效率。

A類放大器

A類放大器是最簡單的放大器，在輸出級中只使用一個晶體管，晶體管輸出偏置在負載線中心的靜態(tài)點（Q點）周圍。通過這種方式，A類放大器可以被偏置，以避免被驅(qū)動到截止或飽和，并且可以輸出全導通周期。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。

在此類放大器中，即使沒有輸入信號，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，效率會降低到50％。

B類放大器

B類放大器有一個互補晶體管的輸出級，每個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、失真和設計復雜性為代價更高效。

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附近傳導，這消除了交叉失真，這是B類放大器線性性能的主要缺點。這些放大器在射頻功率應用中很常見，因為它們比A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。