射頻功率放大器技術(shù)

1、峨眉校區(qū)計(jì)算機(jī)與通信工程系射頻功率放大器技術(shù)射頻功率放大器技術(shù)主講：李華主講：李華主要內(nèi)容主要內(nèi)容功率放大器的應(yīng)用1功率放大器在無線通信系統(tǒng)中的地位2功率放大器的結(jié)構(gòu)3功率放大器的工作狀態(tài)4功率放大器存在的問題及解決方法5什么是功率放大器什么是功率放大器v簡(jiǎn)單說，功率放大器作用就是把弱信號(hào)放大v利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流，起到電流電壓放大的作用 根據(jù)信號(hào)頻率不同功放不同根據(jù)信號(hào)頻率不同功放不同射頻功率放大器高頻功率放大器中低頻功率放大器功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用高保真音響系統(tǒng)功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用電視、汽車音響等功率

2、放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用發(fā)射無線電廣播電信號(hào)信號(hào)頻率在幾十兆到幾百兆赫茲功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用發(fā)射電視信號(hào)功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用對(duì)講機(jī)、無繩電話功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用藍(lán)牙耳機(jī)信號(hào)頻率在24G赫茲，屬于射頻范圍功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用無線通信基站功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用電腦無線上網(wǎng)GPS功率放大器的應(yīng)用功率放大器的應(yīng)用衛(wèi)星通信無線通信的基本結(jié)構(gòu)無線通信的基本結(jié)構(gòu)v無線電通信系統(tǒng)，由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無線信道三大部分組成的，利用無線電磁波，以實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)動(dòng)畫演示無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)接收機(jī)無線通信收發(fā)

3、機(jī)結(jié)構(gòu)無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)收發(fā)機(jī)包括收信器和發(fā)信器收發(fā)機(jī)包括收信器和發(fā)信器v 收信器和發(fā)信器分別由前端電路和后端電路兩部分構(gòu)成，其接收路徑和發(fā)射路徑各完成三個(gè)功能：v 已調(diào)制的有用信號(hào)的中心頻率從較低頻轉(zhuǎn)換到射頻（發(fā)射路徑）或從射頻轉(zhuǎn)換到較低頻率（接收路徑）v 出現(xiàn)在有用信號(hào)所占頻帶之外的信號(hào)被有效抑制，以保證它們不對(duì)無線通信鏈路和數(shù)字調(diào)制解調(diào)的正常工作造成有害影響v 為了得到最優(yōu)的系統(tǒng)性能，必須調(diào)整信號(hào)電平調(diào)整信號(hào)電平v目前功率放大可以選用功率放大芯片實(shí)現(xiàn)，但其核心是三極管和場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器基本結(jié)構(gòu)功率放大器基本結(jié)構(gòu)v也可選用晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管，自行設(shè)計(jì)外圍電路實(shí)現(xiàn)功率放大晶體三極管（晶體

4、三極管（BJTBJT） v按材料分有兩種：儲(chǔ)管和硅管。 而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的N+NP集電結(jié)集電結(jié)Jc發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)Je 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :發(fā)射區(qū)高摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜; ;基區(qū)很薄基區(qū)很薄; ;集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大BEII)1 (CBII發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏：偏：放大模式放大模式IEIBIC(1)EBII三極管放大電路動(dòng)畫+- -TVCEIBVBEIC+- -UCE /VIB = 40 A30 A20 A10 A00IC /mAU(BR)CEO飽

5、和區(qū)飽和區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)、截止區(qū)截止區(qū)、擊穿區(qū)擊穿區(qū)。IB / AUBE /VUBE(on)0U(BR)BEOIEBO +ICBO三極管放大作用動(dòng)畫場(chǎng)效應(yīng)管v場(chǎng)效應(yīng)管用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件FET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)JFET結(jié)型結(jié)型N溝道溝道JFETN溝道絕緣柵型溝道絕緣柵型放大電路放大電路功率放大器的工作狀態(tài)功率放大器的工作狀態(tài)vA（甲）類-A類放大器在整個(gè)周期內(nèi)都處在導(dǎo)通狀態(tài)，換言之，總有偏置電流流過輸出器件。這種結(jié)構(gòu)的失真最小，基本是線形的，但效率也最低，約為20。vB（乙）類輸出器件僅只導(dǎo)通半個(gè)正弦波的周期，換言之，如果沒有輸入信號(hào)，輸出

6、器件就不會(huì)有電流流過。這類功放的效率很明顯地要優(yōu)越于A類。通常采用兩只乙類功放管構(gòu)成互補(bǔ)放大，但存在交越失真。交越失真動(dòng)畫vAB（甲乙）類放大器的工作點(diǎn)既不象乙類放大選得那樣低，也不象甲類那樣高，電流截止的時(shí)間小于半周期，工作性能介于甲（A）類和乙（B）類之間 功放工作狀態(tài)動(dòng)畫vD類-D類放大器是一種開關(guān)或PWM功放，在這種功放中，器件要么完全導(dǎo)通， 要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗。效率可高達(dá)909 5 v 假設(shè)輸入信號(hào)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)(正弦波)。將這個(gè)音頻信號(hào)與高頻三角波相比較產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)。將這個(gè)PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率級(jí)產(chǎn)生放大的數(shù)字信號(hào)，最后采用低通濾波器過濾PWM載波

7、，還原出正弦音頻信號(hào) vE類功率放大器，工作在開關(guān)模式。 當(dāng)輸入電壓Vin大于開啟電壓時(shí),晶體管工作在可變電阻區(qū),漏源之間有很小的電阻,假設(shè)為ron,這相當(dāng)于開關(guān)閉合;如果輸入電壓Vin小于開啟電壓時(shí),MOS管處于截至狀態(tài),沒有電流流過漏級(jí),這相當(dāng)開關(guān)斷開 目前功放面臨的問題目前功放面臨的問題v效率和線性化問題一直是困擾功率放大器性能的問題發(fā)射機(jī)的功耗主要在功率放大器，不同類型發(fā)射機(jī)功放約占全機(jī)60-90% 功放效率的提高對(duì)延長(zhǎng)電池壽命、增加發(fā)射功率、散熱、減小體積重量起決定作用。其中PC為電源供給直流功率，Pout為交流輸出功率，Pc為消耗在集電極上的功率v 各種工作狀態(tài)的效率和線性性功放工

8、作狀態(tài)效率線性度A類理想50% ，實(shí)際520%很好B類理想78.5%，實(shí)際40%左右有失真，有一定線性度AB類理想50-70%，實(shí)際60% 較好D類理想8090%，實(shí)際80 % 很好（僅適合低頻）E、F類理想100%，實(shí)際90% 完全非線性v功率放大器效率對(duì)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商降低成本非常重要例如：移動(dòng)通信基站采用傳統(tǒng)技術(shù)的典型功耗為1500 W，而采用新一代技術(shù)的功耗為760 W。對(duì)于一個(gè)5000個(gè)基站的WCDMA網(wǎng)絡(luò)，按一年時(shí)間計(jì)算，采用新一代基站比傳統(tǒng)基站節(jié)省電費(fèi)如下：節(jié)省的電費(fèi) =功耗差值基站數(shù)目電費(fèi)單價(jià)全年的小時(shí)數(shù)=（1500760） 5 000 0.7 1000 24 365 = 22

9、688 400 = 22 688 400 元元非線性特性非線性特性v (1) 信號(hào)失真v (2) 增益1dB壓縮點(diǎn) 、三階交調(diào)、三階交截點(diǎn)v (3) 調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)v (4) 頻譜擴(kuò)展信號(hào)失真信號(hào)失真v（1）無失真?zhèn)鬏斴敵鲂盘?hào)的幅度大小有所變化延時(shí)固定v(B) 線性失真系統(tǒng)的幅度頻率特性不是常數(shù)相位頻率特性不是頻率的線性函數(shù)改變了輸入信號(hào)各頻率分量的相對(duì)關(guān)系不產(chǎn)生新的頻率分量v(C) 非線性失真產(chǎn)生新的頻率分量系統(tǒng)特性與端口條件（信號(hào)、負(fù)載）有關(guān)v(2)增益1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)、三階交截點(diǎn)交調(diào)失真對(duì)模擬微波通信來說，會(huì)產(chǎn)生鄰近信道的串?dāng)_，對(duì)數(shù)字微波通信來說，會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用率，并使誤碼率惡

10、化；因此容量越大的系統(tǒng)，要求IP3越高，IP3越高表示線性度越好和更少的失真動(dòng)畫演示v(3)調(diào)幅-調(diào)相效應(yīng)輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：基波增益：v(4)頻譜擴(kuò)展功率放大器的線性化技術(shù)功率放大器的線性化技術(shù)v1、功率回退 v原理：功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)向后回退6-10個(gè)分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)v實(shí)現(xiàn)：選用功率較大的管子作小功率管使用 v一般來說，功率放大器的輸入功率減小ldB，交叉調(diào)制系數(shù)CM就改善2dB。優(yōu)缺點(diǎn) 簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn) 降低效率、增大成本 小功率、適用于線性要求不很高的系統(tǒng)v 2、

11、負(fù)反饋v 將電路的輸出量(電壓或電流)的部分或全部，通過一定的元件，回送到輸入回路并影響輸入量(電壓或電流)和輸出量的過程。輸入輸入 輸出輸出 放大電路放大電路 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)輸入輸入回路回路輸出輸出回路回路+C1RS+ui ReRb+VCCC2RL+us+uo+ uid Re 介于輸入輸出回路，有反饋。介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使反饋使 uid 減小，為負(fù)反饋。減小，為負(fù)反饋。既有直流反饋，又有交流反饋。既有直流反饋，又有交流反饋。例如：例如：v3、預(yù)失真法v 預(yù)失真技術(shù)目前應(yīng)用較為廣泛。它使功率放大器線性度大大提高，輸出功率增大。v原理：在信號(hào)放大之前對(duì)信號(hào)按照一定的規(guī)律進(jìn)行“預(yù)先失

12、真”，以便最終輸出信號(hào)中的失真分量盡可能地小。預(yù)失真的信號(hào)可以部分抵消功率放大器中產(chǎn)生的非線性失真預(yù)失真的信號(hào)可以部分抵消功率放大器中產(chǎn)生的非線性失真v預(yù)失真的設(shè)計(jì) 假設(shè)放大器PA的傳遞函數(shù)為()|()|jAAHHje 如果總的傳遞函數(shù)HKK為常數(shù)，是線性放大而ABHHH()|()|jBAAKKHeHHj v預(yù)失真技術(shù)的好處是不必要求功率回退，放大器可以工作在ldB壓縮點(diǎn)附近甚至飽和區(qū)，所以能得到較高的效率。v缺點(diǎn):預(yù)失真回路由于某些因素引起的失真不能起到補(bǔ)償作用，比如由于溫度、直流電壓的變化以及器件老化等引起的器件非線性的波動(dòng)。目前發(fā)展方向 ：自適應(yīng)預(yù)失真器的功率放大器。v4、前饋法v 前饋

13、法是目前放大器線性化技術(shù)中最先進(jìn)、發(fā)展最為迅速的方法之一。v“前饋”線性化技術(shù)中的反饋信號(hào)與信號(hào)流是一致的方向抵消放大器的非線性分量v實(shí)際前饋實(shí)現(xiàn)原理優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大 頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大 適用于線性要求高的系統(tǒng)適用于線性要求高的系統(tǒng)5 5、包絡(luò)消除與恢復(fù)法（、包絡(luò)消除與恢復(fù)法（EEREER）v調(diào)制后的RF信號(hào)通過藕合器分離出一部分信號(hào)來取得包絡(luò)信息，同時(shí)主支路上的RF信號(hào)通過限幅器變?yōu)楹愣òj(luò)信號(hào)，經(jīng)由高效率的非線性放大器放大，然后利用前面取出的包絡(luò)信息控制最后一級(jí)功放的直流偏置，進(jìn)行幅度調(diào)制來恢復(fù)出信號(hào)本身的包絡(luò)。v 線性性能受限的主要因素有兩個(gè)：v 包絡(luò)通道帶寬v 兩路信號(hào)間的延時(shí)差E