功率放大器的基本原理及性能參數(shù)

功率放大器基本原理

功率放大器有很多種不同的分類方式，傳統(tǒng)上，按照功率放大器放大信號(hào)的模式，大體上可將功率放大器分為兩類：放大模式功率放大器和開關(guān)模式功率放大器。

放大模式功率放大器工作在雙極型晶體管的正向放大區(qū)和場(chǎng)效應(yīng)管的飽和區(qū)。放大模式功率放大器按照導(dǎo)通角不同又可以分為A類、B類、C類和AB類功率放大器。

對(duì)雙極型晶體管來說，開關(guān)工作模式功率放大器根據(jù)雙極型晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)或飽和區(qū)；對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管而言，開關(guān)工作模式放大器根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)或線性區(qū)。開關(guān)模式功率放大器可以分為D類、E類和F類。

下面分別總結(jié)A、B、C和AB類功率放大器。

（1）A類功率放大器

A類功率放大器，晶體管在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均處于導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通角為360度。A類功率放大器的輸入和輸出都是完整的正弦波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)線性放大，所以A類功率放大器的線性度是最好的。A類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性度好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，其缺點(diǎn)是效率不高，尺寸大和較高的熱損耗，其效率理論上最高僅為50%。

（2）B類功率放大器

該功率放大器由兩個(gè)不同類型的晶體管-NPN晶體管和PNP晶體管——推挽構(gòu)成。當(dāng)輸入信號(hào)在正半周時(shí)，NPN晶體管導(dǎo)通，PNP晶體管截止；當(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)半周期時(shí)，PNP晶體管導(dǎo)通，NPN晶體管截止。這樣在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，兩個(gè)晶體管交替工作，輸出電流和電壓波形仍然保持完整。每個(gè)晶體管只有半個(gè)周期導(dǎo)通，因此導(dǎo)通角為180度。由于B類功率放大器的晶體管沒有在整個(gè)信號(hào)周期導(dǎo)通，所以晶體管靜態(tài)損耗比A類功率放大器小，效率要相對(duì)高一些。雖然B類功率放大器效率比較高，但是當(dāng)晶體管趨于飽和或者電流為0甚至截止時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象。B類功率放大器在理想狀態(tài)下效率可以達(dá)到78.5%。

（3）C類功率放大器

C類功率放大器，導(dǎo)通角小于180度，晶體管只有小于半個(gè)周期是導(dǎo)通的，負(fù)載上的電流也只是整個(gè)正弦信號(hào)的一部分。信號(hào)出現(xiàn)失真，此時(shí)晶體管工作在非線性區(qū)，所以通常需要濾波網(wǎng)絡(luò)濾出諧波分量。C類功率放大器的最大效率理論上可以達(dá)到100%，但此時(shí)的導(dǎo)通角為0度，即晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有功率輸出。

（4）AB類功率放大器

AB類功率放大器工作原理如圖所示。AB類功率放大器介于A類功率放大器和B類功率放大器之間，在沒有信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)晶體管加一個(gè)較小的靜態(tài)偏執(zhí)電流，使其在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通角大于180度，小于360度，其效率和線性度也介于兩者之間。所以此類功率放大器是一個(gè)效率和線性度很好折中的功率放大器。

功率放大器的性能參數(shù)

功率放大器主要用來放大射頻信號(hào)至需要的功率以使接收機(jī)能夠接收到信號(hào)，功率放大器的基本性能參數(shù)包括輸出功率、功率增益、效率和線性度等，這些對(duì)于功率放大器的設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的。

1、輸出功率

功率放大器的輸出功率定義為功率放大器驅(qū)動(dòng)給負(fù)載的帶內(nèi)射頻信號(hào)的總功率，它不包括諧波成分和雜散成分的功率。射頻功率放大器的負(fù)載通常為天線，射頻天線的等效阻抗一般為50Ω。

在不同的應(yīng)用中，功率放大器的輸出功率差別很大，對(duì)于移動(dòng)通信的基站來說，發(fā)射功率可以達(dá)到上百瓦特，對(duì)于衛(wèi)星通信可以達(dá)到上千瓦特，而對(duì)于便攜式的無線通信設(shè)備，從計(jì)算毫瓦到幾百毫瓦不等。

2、功率增益

功率增益是表征功率放大器功率放大能力的物理量，也是功率放大器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。功率放大器的功率增益定義為輸出與輸入功率的比值。

3、效率

集電極最大效率定義為集電極的射頻輸出功率與直流功耗的比值。

4、線性度

線性度是衡量功率放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比值的線性關(guān)系的參數(shù)。當(dāng)晶體管工作在小信號(hào)狀態(tài)時(shí)，可以忽略非線性效應(yīng)，視其為線性的。但射頻功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)，必須考慮晶體管的非線性效應(yīng)。

（1）、壓縮增益

當(dāng)功率放大器的輸入信號(hào)幅度在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅度與輸入信號(hào)的幅度呈線性關(guān)系，即功率增益保持恒定。但隨著輸入信號(hào)幅度的增加，晶體管的工作區(qū)域由線性區(qū)轉(zhuǎn)向飽和區(qū)，出現(xiàn)非線性失真，功率放大器的增益開始下降，或稱其為壓縮。通常以功率增益比線性增益小1dB時(shí)的功率點(diǎn)來衡量放大器的線性度，該點(diǎn)稱為1dB壓縮點(diǎn)，通常用來表示，如下圖所示：

（2）、諧波失真

諧波失真是指當(dāng)功率放大器輸入單一信號(hào)時(shí)，在輸出端，除了基頻信號(hào)被放大外，原信號(hào)的各次諧波也被放大，導(dǎo)致可能干擾其他頻帶，通常需要加匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧波抑制。

（3）三階交調(diào)失真

交調(diào)失真是指當(dāng)功率放大器的輸入端的兩個(gè)頻率相差很小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因輸入信號(hào)的和差（交互調(diào)變）而產(chǎn)生的交調(diào)失真信號(hào)，如圖所示，其中，三階交調(diào)失真（IMD3）因其頻率與載波頻率很近，難以用濾波器消除，容易干擾臨近頻率，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的危害。

三階交調(diào)失真定義為基頻信號(hào)的輸出功率與三階交調(diào)信號(hào)的功率比值。

三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）為基頻信號(hào)功率與三階交調(diào)信號(hào)功率的虛擬延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。通常三階交調(diào)點(diǎn)功率大約比1dB壓縮點(diǎn)功率要高10dBm。

（4）、錯(cuò)誤向量幅度

發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)除了不在相鄰信道內(nèi)產(chǎn)生干擾外，對(duì)它的本質(zhì)要求是信道內(nèi)的信號(hào)具有很高的質(zhì)量，能被接收機(jī)準(zhǔn)確解調(diào)。錯(cuò)誤向量幅度（EVM）就說為了衡量發(fā)射機(jī)的信號(hào)質(zhì)量而引入的參數(shù)。

功率放大器的設(shè)計(jì)步驟

1、確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇工藝并添加設(shè)計(jì)所需的工藝庫

2、根據(jù)功率放大器的要求和晶體管確定靜態(tài)工作點(diǎn)

3、進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)，包括偏置電路的設(shè)計(jì)、阻抗匹配等

4、對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，分析仿真曲線并優(yōu)化

功率放大器仿真實(shí)例

AB類功率放大器是設(shè)計(jì)中最為常用的一種形式，這種結(jié)構(gòu)較好地利用了效率和線性度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工作頻率：900MHz

1dB壓縮點(diǎn)輸出功率：>35dBm

增益：>20db

確定設(shè)計(jì)指標(biāo)后，就可以進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)和仿真了。

直流分析步驟

1、下載，建立原理圖所需要添加設(shè)計(jì)所需要的工藝庫

這時(shí)：Read-Only Libraries面就可以找到庫

2、新建工程和原理圖

這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)模型

3、調(diào)出MW6S010N晶體管，如圖所示，進(jìn)行電路搭建。

4、完成電路圖如下所示：

完成電路圖，并設(shè)置，之前在直流仿真中有講過。

這里會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果只添加了MW6S010N，是不夠的，還需要添加RF_Power_ADS_designKit這個(gè)庫。

這些庫都需要到飛思卡爾的官網(wǎng)進(jìn)行下載。

這個(gè)庫導(dǎo)入之后還是不能夠，總是會(huì)出現(xiàn)找不到模型的錯(cuò)誤。

在這里卡了很久，后面解決了，解決的方法如下：

點(diǎn)擊OK。

最后進(jìn)行仿真，得到直流仿真的結(jié)果如下：

功率放大器穩(wěn)定性分析步驟

主要觀察穩(wěn)定因子，穩(wěn)定因子小于1 ，則晶體管可能會(huì)振蕩，穩(wěn)定因子大于1，這代表晶體管處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1、創(chuàng)建一個(gè)原理圖，命名為“PA_BIAS”，在原理圖選擇[insert]->[Template]，選擇“S_Params”模板，自動(dòng)插入S參數(shù)掃描模板。

2、從“Lumped-Components”元件面板中調(diào)出射頻扼流圈“DC-Feed”和隔直電容“DC_Block”；從“Source-Freq Domain”元件面板中調(diào)出“StabFact控件”控制器；雙擊兩個(gè)電源，分別將電壓設(shè)為3.3V和15V。

射頻扼流圈“DC-Feed”：RF choke射頻扼流圈，經(jīng)常應(yīng)用在電源濾波電路中，對(duì)高頻RF（射頻）信號(hào)呈高阻，從而抑制高頻信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，與磁珠的功能有點(diǎn)類似。

StabFact返回的是穩(wěn)定性因子。

完成電路如下圖所示：

3、進(jìn)行仿真，并添加StabFact曲線。

看“StabFact”可以看出穩(wěn)定系數(shù)隨頻率變化的曲線，可以看出，在900M時(shí)穩(wěn)定因子大于1，這代表晶體管處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果穩(wěn)定因子小于1，則晶體管有可能會(huì)發(fā)生振蕩，所以要采取一定的穩(wěn)定措施來使晶體管處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

穩(wěn)定措施有很多，常用的一種是在晶體管的柵極加入一個(gè)小電阻，然而電阻的引入會(huì)導(dǎo)致增益和功率的降低，所以可以在電阻上并聯(lián)一個(gè)電容來減小損耗。增加電容和電阻之后的原理圖如下，穩(wěn)定系數(shù)曲線如下。

好了，今天就到這里了。