高效率功率放大器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、高效率功率放大器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)學(xué)院：電子工程學(xué)院專業(yè)：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)姓名：王元佳學(xué)號(hào)：201320000289報(bào)告日期：2013.11.05一、引言現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的射頻系統(tǒng)要求功耗低、效率高以及體積小。近年來，無線通訊朝大容量、多電平、多載波、高峰均比和寬頻帶方向飛速發(fā)展，寬帶數(shù)字傳輸技術(shù)（如OFDM、CDMA等）和高頻譜效率的調(diào)制方式（如QPSK、QAM等）正獲得越來越廣泛的應(yīng)用，從而對(duì)射頻系統(tǒng)性能提出更為苛刻的要求。功率放大器作為射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其所消耗的功率在整個(gè)射頻系統(tǒng)所占比例相當(dāng)大。低效率的功率放大器嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能。所以，設(shè)計(jì)高效率射頻功率放大器對(duì)于減少電源消耗，提高

2、系統(tǒng)穩(wěn)定性，節(jié)約系統(tǒng)成本都由十分重大的意義。傳統(tǒng)的功率放大器通過調(diào)整工作狀態(tài)（即調(diào)整晶體管導(dǎo)通角）來提高效率，這就是A類、B類、AB類、C類功率放大器的演進(jìn)過程。其中C類功率放大器的理論效率最高達(dá)到100%，但此時(shí)其輸出功率卻為零。其根本原因在于，上述功率放大器工作狀態(tài)下電流、電壓同時(shí)存在于晶體管中，要使晶體管的耗散功率為零，必然使輸出功率也為零。通過不斷減小導(dǎo)通角的方式已不能滿足不斷提高效率的要求。為進(jìn)一步提高效率，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)的功率放大器應(yīng)運(yùn)而生。二、研究現(xiàn)狀2.1 高效率功率放大器2.1.1 D類功率放大器 當(dāng)前，國內(nèi)外高效率射頻功率放大器的研究都集中在開關(guān)模型功率放大器及高效率

3、功率放大器結(jié)構(gòu)上。開關(guān)模型功率放大器主要有D、E兩類。其設(shè)計(jì)思想都是使晶體管上“電流、電壓不同時(shí)出現(xiàn)”。 D類功率放大器一般由兩個(gè)晶體管構(gòu)成，兩只晶體管輪流導(dǎo)通、截止，實(shí)現(xiàn)電流、電壓的不同時(shí)出現(xiàn)條件。但其晶體管和寄生電容耗能都是單管放大電路的雙倍。同時(shí)，在開關(guān)瞬間存在兩晶體管同時(shí)導(dǎo)通或截止引起二次擊穿造成晶體管損壞的危險(xiǎn)。工作頻率比較低時(shí),晶體管開關(guān)延時(shí)可以忽略,晶體管近似理想開關(guān),不會(huì)產(chǎn)生損耗；在高頻下,晶體管開關(guān)延時(shí)不可忽略,會(huì)引入損耗,另外元器件本身也會(huì)有損耗。因此,D類功放適合于頻率較低的應(yīng)用,并不適用于射頻領(lǐng)域，D類放大器現(xiàn)在主要應(yīng)用于音頻領(lǐng)域。如圖所示為D類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。2

4、.1.2 E類功率放大器為了克服D類功放在不完全導(dǎo)通與不完全截止過程中引入的較大損耗,提出了E類功放的設(shè)計(jì)。與D類功放不同,E類功率放大器采用單只晶體管,可工作于較高的頻段，漏極電流為直流和漏極分路電容的充電電流之和。E類放大器是一種開關(guān)式的高效率放大器,理想情況下,效率可達(dá)100%。在這種功率放大器中,足夠強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電壓使得輸出功率管在完全導(dǎo)通和完全截止之間瞬時(shí)切換,流過開關(guān)的電流與開關(guān)上電壓波形沒有重疊,因而開關(guān)不消耗功耗。E類功率放大器的主要設(shè)計(jì)思想為:功放管截止時(shí),使集電極電壓的上升沿延遲到集電極電流等于零以后才開始;功放管一導(dǎo)通時(shí),迫使在集電極電壓等于零以后,才開始出現(xiàn)集電極電流,使功

5、放管從一導(dǎo)通至截止或者從截止至導(dǎo)通的開關(guān)期間,功放管功耗最小。如圖所示為E類放大器的開關(guān)等效電路。2.1.3 F類功率放大器 E類功率放大器雖然克服開關(guān)在不完全導(dǎo)通時(shí)的損耗,提高了工作效率，但它要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有很快的上升時(shí)間和較高的功放管承受電壓,這樣大大限制了它的應(yīng)用。F類功率放大器就是針對(duì)E類功放的這些限制原因而研究出的一種新型的功率放大器，F(xiàn)類功放使用多個(gè)諧波諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)晶體管的漏端電壓和電流中的諧波成分進(jìn)行整形,使得其負(fù)載對(duì)奇次諧波開路,對(duì)偶次諧波短路。漏極電壓波形中包含奇次諧波,而漏極電流波形中包含基波和偶次諧波漏極電壓與電流相位相差150,因此晶體管漏端的電壓波形與電流波形沒有重疊區(qū)

6、,減小開關(guān)的損耗,提高功率放大器的效率。F類功放的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。2.1.4 S類功率放大器 S 類放大器本質(zhì)上是基于脈沖寬度調(diào)制的高效率低頻調(diào)制器。通常使用一個(gè)晶體管和二極管來作為開關(guān)，產(chǎn)生方波電壓。開關(guān)頻率必須大于調(diào)制頻率 45 倍。脈沖寬度正比于輸入包絡(luò)信號(hào)的幅度，所以在輸出端必須加上一個(gè)對(duì)開關(guān)頻率和它的諧波能產(chǎn)生高阻抗的低通濾波器，用來恢復(fù)出包絡(luò)信號(hào)。理想工作情況下，晶體管上不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)電壓和電流，所以效率極高。但是實(shí)際工作中，二極管和晶體管由于導(dǎo)通飽和電阻不為零，以及開關(guān)通斷時(shí)間不為零，導(dǎo)致了損耗，特別是在高頻時(shí)更嚴(yán)重。典型的S類功放電路如圖所示。2.2 提高功率放大器效率的技術(shù)

7、2.2.1 Doherty技術(shù)線性度的提升往往以功率回退的形式來得以實(shí)現(xiàn)，而功率回退必然會(huì)導(dǎo)致放大器效率的急劇降低。1936年Doherty提出的高效率方案能夠很好解決這一難題，Doherty技術(shù)能夠使放大器在很寬的功率變化范圍內(nèi)保持高效率輸出。Doherty技術(shù)是目前比較成熟的功率放大器技術(shù)，其基本原理是分別放大信號(hào)的峰值功率和平均功率來提高功放效率。如圖所示為Doherty結(jié)構(gòu)框圖。由兩個(gè)平行放大器構(gòu)成，一個(gè)主功放，又稱載波功放，另一個(gè)是輔助功放，又稱峰值功放。其中，主功放偏置在AB類，輔助功放偏置在C類。主功放后面和輔助功放前面各有一段/4的微帶線，分別起阻抗變化的作用和相位平衡的作用。

8、兩支路經(jīng)由/微帶線進(jìn)行合路并將放大后的信號(hào)輸出。當(dāng)主放大器接近飽和時(shí)輔助放大器輸出電流，由此減小的主放大器的輸出阻抗，這樣就能讓主放大器在達(dá)到飽和時(shí)輸出更多的電流。2.2.2 ET技術(shù)（包絡(luò)跟蹤技術(shù)）ET也即動(dòng)態(tài)偏置功率放大器，通過調(diào)節(jié)偏置電壓減少直流功耗，極大地提高功率放大器的效率。其技術(shù)難點(diǎn)主要在于動(dòng)態(tài)偏置和射頻信號(hào)的同步問題。它通過檢測(cè)輸入信號(hào)的包絡(luò)，為不同大小的瞬時(shí)輸入信號(hào)提供不同的偏置電壓。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。定向耦合器將輸入包絡(luò)信號(hào)分為兩路，在下支路里，帶著幅度和相位信息的包絡(luò)信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)線性功率放大器；上支路經(jīng)過檢波器檢測(cè)出輸入信號(hào)包絡(luò)波形，由直流電壓表示。通過對(duì)包絡(luò)電壓定標(biāo)，該

9、電壓即可表示輸入功率的大小。在不同的輸入直流電壓驅(qū)動(dòng)下，DC-DC 變換器為功率放大器提供與輸入功率成比例的偏置電壓，也即動(dòng)態(tài)偏置。在該技術(shù)中，線性放大器可以選擇 A 類放大器。延遲線用來補(bǔ)償上下支路間的相位差，如果設(shè)計(jì)不好將會(huì)導(dǎo)致最終的輸出信號(hào)嚴(yán)重失真。2.2.3 EER技術(shù)（包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)）當(dāng)信號(hào)采用同時(shí)調(diào)幅和調(diào)相的調(diào)制技術(shù)，即可變包絡(luò)調(diào)制時(shí)，需要使用線性功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，但是為了得到一定的線性度，如果采用功率回退，將使功放效率降低。而包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)能在峰值功率輸出和較低功率輸出時(shí)保持較高的功率效率。在傳統(tǒng)模擬 EER 技術(shù)中，需要分離包絡(luò)和相位調(diào)制信號(hào)，用一種類型的功放放

10、大包絡(luò)信號(hào)，用另一類型的功放放大恒定包絡(luò)的相位信號(hào)。如圖所示為采用模擬EER技術(shù)的原理電路。功分器將 RF 輸入信號(hào)分成上下兩路，上支路經(jīng)包絡(luò)檢波器檢出包絡(luò)信號(hào)，再由 S 類放大器放大，作為高效率 RF 功放的饋電電源；下支路通過限幅器，得到恒定幅度的相位調(diào)制信號(hào)，用它驅(qū)動(dòng)恒包絡(luò)放大器 RF。最后通過振幅調(diào)制恢復(fù)相位調(diào)制載波的包絡(luò)，將輸入信號(hào)放大輸出。2.2.4 LINC技術(shù)LINC（使用非線性元件的線性放大器）作為振幅調(diào)制信號(hào)的線性功率放大器工作，它組合兩個(gè)高效率的功放（E 類、F 類），對(duì)寬輸入信號(hào)提供了線性特性和高效率。如圖所示為LINC原理框圖。輸入振幅調(diào)制信號(hào)通過DSP，產(chǎn)生兩個(gè)恒包

11、絡(luò)，但相位相反的正弦信號(hào)。然后經(jīng)兩個(gè)高效率放大器放大，最后在輸出端得到線性放大的信號(hào)，由于PA采用的是開關(guān)類放大器，所以效率大為提高。同時(shí)LINC技術(shù)也面臨的一定問題：一是為了獲得良好非線性成分對(duì)消效果，兩個(gè)放大支路必須良好的匹配，但在高頻率工作時(shí)是很難做到的。第二是輸出采用了非線性失真對(duì)消方法，會(huì)對(duì)效率造成一定的影響。三、發(fā)展趨勢(shì)3.1 F3/E類功率放大器 這是一種E/F類功率放大器的對(duì)偶結(jié)構(gòu)。將F類功率放大器的諧波控制單元電路引入逆E類功率放大器的負(fù)載結(jié)構(gòu)，以改善放大器性能。如圖所示是一種具有逆E類功率放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)及F類功率放大器諧波控制特點(diǎn)的放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 器件柵極電壓偏置與B類

12、功率放大器偏置點(diǎn)相同，可使放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，因此功率放大器管可由一個(gè)理想開關(guān)模型替代。Cn/Ln諧振單元可視為對(duì)頻率成分nf0構(gòu)成無窮大阻抗，在逆E類功率放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中加入這個(gè)諧振單元，可改變功率放大器漏極電壓、電流的頻率成分及時(shí)域波形。通過選取合適的 n 取值，能夠使放大器性能獲得提升。當(dāng)n為3時(shí)，該功率放大器模型造成了對(duì)三次諧波的斷路條件，并且可適應(yīng)ZCS，ZCDS邊界限制。本文將這種結(jié)構(gòu)稱為F3/ E類功率放大器。分析結(jié)果表明，該F3/ E類功率放大器的漏極電壓、電流的時(shí)域波形平滑、連續(xù)且不重疊，可使放大器獲得100%的工作效率。3.2 雙頻F/IF類功率放大器 當(dāng)出現(xiàn)諧波頻率的沖

13、突問題時(shí),可以通過F類和IF類兩種功放模式的組合運(yùn)用來解決。假設(shè)信號(hào)頻率為f1和f2,2f13f2,如果按照先前的雙頻F類功放方式設(shè)計(jì),在2f1處需要實(shí)現(xiàn)短路,在3f2處需要實(shí)現(xiàn)開路,這對(duì)于2f13f2的情況來說,是很難實(shí)現(xiàn)的。對(duì)此,我們提出了一個(gè)新的解決思路:可以讓其中的一個(gè)頻率f1工作于F類功放狀態(tài),另一個(gè)頻率f2工作于IF類功放狀態(tài)。即對(duì)應(yīng)需要在2f1處和3f2處都實(shí)現(xiàn)短路。這樣兩個(gè)頻點(diǎn)原本沖突的諧波阻抗匹配就被和諧地統(tǒng)一到了一起。該雙頻F/IF類功放的輸出端電路結(jié)構(gòu)如圖所示。首先,實(shí)現(xiàn)比較接近的兩個(gè)諧波頻率的阻抗調(diào)諧。將諧波匹配電路放在功率晶體管漏極管腳輸出的第一段,由兩個(gè)并聯(lián)枝節(jié)(T

14、L1和TL2)在電路中引入這兩個(gè)頻率的短路點(diǎn),然后通過一段微帶線(TL5)變換到需要的阻抗值。由于這兩個(gè)頻率非常接近,只需要一段微帶線就可以實(shí)現(xiàn)它們所需要的阻抗轉(zhuǎn)換。然后由兩條并聯(lián)枝節(jié)(TL3和TL4)引入相距較遠(yuǎn)的另外兩個(gè)諧波頻率的短路點(diǎn)。由于頻率和阻抗值都相差較大,為了同時(shí)滿足它們的阻抗條件,需要引入更多的可調(diào)變量。因此,對(duì)之前的兩個(gè)并聯(lián)枝節(jié)(TL1和TL2)的特征阻抗也進(jìn)行調(diào)整,再加上一段串聯(lián)微帶線(TL6)的特征阻抗和電長度。調(diào)節(jié)這4個(gè)參數(shù),使得該結(jié)構(gòu)滿足另兩個(gè)諧波頻率上的阻抗條件。3.3 包絡(luò)放大器和開關(guān)E類功放的整合這項(xiàng)技術(shù)是基于開關(guān)高效率功放和高效率包絡(luò)功放的結(jié)合以獲得線性高效率

15、功放。該設(shè)計(jì)中采用了帶有波紋消除網(wǎng)絡(luò)的同步降壓轉(zhuǎn)換器。同步降壓轉(zhuǎn)換器的提出降低了包絡(luò)放大器的開關(guān)頻率和信號(hào)帶寬的比率。改進(jìn)的包絡(luò)放大器的結(jié)構(gòu)如圖所示。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)是基于帶有波紋消除電路的全新的同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。無源元件的減少可以提高開關(guān)頻率，尤其是電容Cb,波紋的消除依賴于fsw,Cb,L2,L1A,N這些參數(shù)的設(shè)計(jì)。開關(guān)E類放大器的簡化原理圖如圖所示。3.4 集成CMOS-IPD功率放大器 該設(shè)計(jì)中有源器件采用的是0.18um的CMOS工藝，無源器件采用的是IPD技術(shù)（無源器件集成）。采用IPD技術(shù)的無源器件有高Q值，低損耗，低成本的優(yōu)點(diǎn)。用一個(gè)寬帶Ruthroff型的傳輸線變換器取代

16、E類功放中傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了功放的寬帶特性。如圖所示為Ruthroff型的TLT結(jié)構(gòu)。3.5 寬帶功率放大器和調(diào)諧濾波器的協(xié)同設(shè)計(jì) 首次證明調(diào)諧濾波器的輸入端口能夠合成以直接匹配晶體管的輸出，這樣就消除了傳統(tǒng)的功率放大器寬帶/帶重構(gòu)匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電路尺寸，體積，損耗最小化。該設(shè)計(jì)中一個(gè)三極可調(diào)諧帶通濾波器作為10W的GaN功放的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了最佳的基波和諧波阻抗網(wǎng)絡(luò)。如圖所示為三維的PA和濾波器的協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。四、總結(jié) 該次報(bào)告主要介紹了幾種常用的高效率功率放大器，然后介紹了現(xiàn)在的功率放大器中常用的提高功放效率的方法，最后介紹了現(xiàn)在設(shè)計(jì)的一些新型功放，運(yùn)用一些新穎的設(shè)計(jì)技術(shù)

17、，實(shí)現(xiàn)了功率放大器的高效率。參考文獻(xiàn)1、袁杰,高效率射頻功率放大器的研究,電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.2、毛興武，D類功率放大器及第三代調(diào)制技術(shù)，電子元器件應(yīng)用，2004年第6卷第7期.3、汪標(biāo)，射頻高效E類功率放大器研究，北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.4、丁瑤，高效率射頻功率放大器的研究，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.5.5、陳理華，羅勇，高效率基站Doherty功放的研究，現(xiàn)代電子技術(shù)，2011年第34卷第23期.6、曹韜，呂立明，高效率開關(guān)F3/E類功率放大器，電路與組件，2012.7、南敬昌，方楊，高效率高線性度功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，20

18、13.6，第33卷第3期.8、D.Díaz,O.García,J.A.Oliver. High Efficiency Power Amplifier Applying the Envelope Elimination and Restoration Technique with a Single Stage Envelope Amplifier with Ripple Cancellation Network. IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS.2013.9、Hwann-Kaeo Chiou ,et al.Broadband and High-Efciency Power Amplifier that Integr