【E類功率放大器設(shè)計6300字（論文）】

E類功率放大器設(shè)計摘要功率放大器是無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，對無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、范圍的覆蓋、頻譜的利用效率等指標(biāo)都有非常重要的影響。高效率功率放大器可以提高設(shè)備的電源使用效率，降低建設(shè)投資。對于移動設(shè)備來說，可以延長電池的使用壽命，延長終端在更高的通信傳輸速率和系統(tǒng)容量下的通信時間。因此，高效率放大器一直占據(jù)著重要地位。而E類功率放大器是一種新型高效率功率放大器，它和傳統(tǒng)的模擬功率放大器不同，E類放大器采用了開關(guān)放大的模式，通過降低晶體管在工作過程中的消耗，使得效率有著顯著的提升。理論上效率可以達(dá)到100%。同時，E類放大器結(jié)構(gòu)也比較簡單、元器件也比較少。所以，E類放大器受到了很多的關(guān)注，在很多領(lǐng)域都有著它的身影。本文先是介紹了目前幾種主要的功率放大器，通過對它們的比較，從而引出E類功率放大器。隨后分析了E類功率放大器的工作原理，設(shè)計出了一款工作在1.2GHz環(huán)境下的E類功率放大器，其實際效率能達(dá)到90%，電路結(jié)構(gòu)也比較簡單。之后介紹了一些E類功率放大器的優(yōu)缺點以及未來功率放大器的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：E類高效率功率放大器開關(guān)放大目錄1.緒論 11.1研究E類功率放大器的目的和意義 12功率放大器 22.1功率放大器的發(fā)展 22.1.1功率放大器的器件組成和工作原理 22.1.2功率放大器的分類 32.1.3功率放大器的主要參數(shù) 42.2E類功率放大器的工作原理 43E類功率放大器的設(shè)計 63.1E類功率放大器分析 63.2E類功率放大器的設(shè)計與仿真 84E類功率放大器的發(fā)展趨勢 11結(jié)語 12參考文獻(xiàn) 131.緒論隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)一步發(fā)展，無論是企業(yè)還是個人對于電子設(shè)備的要求也逐漸升高，老舊的電子設(shè)備和元器件漸漸無法滿足企業(yè)或者個人日常生活的需要，慢慢退出了歷史舞臺，新一代的電子設(shè)備在各個領(lǐng)域的科學(xué)家手中逐漸問世，其中，功率放大器不管是在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域中都占據(jù)著重要的地位，作為很多系統(tǒng)中的尖端器件，一直和人們的生活息息相關(guān)。除此之外，隨著科技的進(jìn)步，人們對功率放大器的低耗能、高效率、體積小等要求也漸漸增加。在無線通信傳輸系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)不可或缺的核心部件之一就是功率放大器，一半以上的功率損耗是由它占據(jù)的，因此，功率放大器的設(shè)計性能直接決定了發(fā)射機(jī)的輸出性能。因此怎樣提高功率放大器的效率成為了當(dāng)前設(shè)計功率放大器的主要目標(biāo)。E類功率放大器是一種數(shù)字開關(guān)型放大器，它采用單個晶體管的工作模式，它的特點是晶體管可以等效為一個開關(guān)和寄生電容的并聯(lián)電路，然后利用晶體管自身的寄生電容使得晶體管上電壓較大時電流幾乎為零、電流較大時電壓幾乎為零。這樣就能減小功率的耗散，顯著地提高了功率放大器的效率，理想狀態(tài)下E類功率放大器的效率可以高達(dá)100％。1.1研究E類功率放大器的目的和意義隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，科技也在不斷地進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量也越來越高，各種各樣的電子設(shè)備也漸漸充實著人們的生活，功率放大器在如今的社會中處處都能找到它的應(yīng)用，雖然人們不會直接地看到它，但人們無時無刻不在使用著帶有功率放大器的電子設(shè)備，比如手機(jī)、電腦、耳機(jī)等等。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的末級一般都是功率放大器，它的主要作用是將高頻信號進(jìn)行功率放大，直到滿足發(fā)送功率的要求時，再把放大后的信號傳輸?shù)教炀€中，確保能夠在一定范圍內(nèi)使用器件接收到比較完整的的信號。功率放大器一直是通信系統(tǒng)中的主要組成部分，發(fā)射機(jī)中一半以上的功率損耗都是它在占據(jù)著。所以，對于整個通信系統(tǒng)而言，十分重要的問題就是如何提高功率放大器的效率、線性度和穩(wěn)定性等。本文所介紹的E類功率放大器，它的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時，利用晶體管自身的寄生電容使得晶體管在一個工作周期內(nèi)不會出現(xiàn)電壓和電流同時很大的情況。這樣的話，減少了功率消耗，顯著地提高了放大器的效率，理想狀態(tài)下可以達(dá)到100%。2功率放大器2.1功率放大器的發(fā)展功率放大器，簡稱“功放”，是將功率放大的器件。在前置放大電路輸入一個小信號，放大成足以推動功率放大器的程度，最后后級功率放大電路推動喇叭或者其他設(shè)備。它最廣泛的應(yīng)用，是作為輸出級來使用。從一般情況上來說功率放大器不局限于音頻放大，很多場合都會用到它，如射頻、微波、激光等等。1920年，人們對于半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)有了初步的認(rèn)識，此時科學(xué)家們開始在半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究功率放大器，成功地設(shè)計出了傳統(tǒng)的模擬功率放大器，這就是A類、B類、AB類和C類功率放大器；研究出了這些功率放大器之后，人們發(fā)現(xiàn)AB類功率放大器有著功率回退和效率較低等問題。于是在1936年，美國Bell實驗室的射頻工程師Doherty第一次提出了D類功率放大器【1】；隨后為了進(jìn)一步提高功率放大器的效率，在1958年，由泰勒設(shè)計出了第一款多諧振的F類功率放大器的【2】；之后在1975年，開關(guān)E類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)首次由N.OSokal和A.DSokal提出【3】，由于這是一種高頻性能出色、結(jié)構(gòu)也比較簡單的新型開關(guān)E類功率放大器，因此在無線通信、開關(guān)電源等領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，提高射頻與微波功放的各種性能成為了目前較火熱的話題，怎樣才能減小功放的尺寸和重量、進(jìn)一步降低成本，同時又能保證良好的線性度、輸出功率及效率是科學(xué)家們要研究的主要問題。隨著功率放大器的發(fā)展，這些問題都將決定著功率放大器未來的發(fā)展方向。2.1.1功率放大器的器件組成和工作原理功率放大器需要用到的有源器件主要是晶體管。直流電源功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流就是利用三極管的控制原理實現(xiàn)的，這也是功率放大器的主要工作原理。由于三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的某個倍數(shù)，若在基極輸入一個小信號，則集電極的電流就會是基極電流的倍數(shù)，再使用電容隔離出這個信號，就得到了一個大信號，這個大信號就是原先的小信號的倍數(shù)，這也就是三極管的放大作用。再經(jīng)過不斷的電流放大，這樣就完成了功率放大。2.1.2功率放大器的分類功率放大器可按照有源器件的工作點不同來分類。將功率放大器分為A類、B類、AB類、C類功率放大器，是根據(jù)晶體管在輸入信號的一個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況來區(qū)分的，其中A類功率放大器：A類功率放大器又被稱為甲類功率放大器，放大區(qū)中間是其靜態(tài)工作點Q的位置，在輸入信號的整個周期內(nèi)晶體管始終導(dǎo)通。A類功率放大器非線性失真較小，但是效率較低，理論上效率最高只有50%。B類功率放大器：B類功率放大器又稱為乙類功率放大器，靜態(tài)工作點Q在截止點，在輸入信號的半個周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通，它采用兩個晶體管推挽工作。B類功率放大器的效率較高，理論上能達(dá)到78%，但放大器在非線性區(qū)域內(nèi)有一段，這樣的話就會出現(xiàn)交越失真較大的情況。AB類功率放大器：AB類功率放大器又被稱為甲乙類功率放大器，這種功率放大器是結(jié)合了A類和B類的特點而設(shè)計出來的，它在輸入信號的半個周期以上晶體管導(dǎo)通，其靜態(tài)工作點Q靠近截止點，也是用兩個晶體管推挽工作，它兼容了A類和B類功率放大器的優(yōu)勢，在兩者的性能上做了平衡。C類功率放大器：C類功率放大器也被稱為丙類功率放大器，在截止區(qū)內(nèi)是其靜態(tài)工作點Q的位置，它在輸入信號小于半個周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通，效率比B類功率放大器更高。D類功率放大器：D類功率放大器也被稱為丁類功率放大器，和前面提到的幾種功率放大器不同，這種功率放大器是一種新型數(shù)字功率放大器，它和模擬功率放大器不同的地方在于，它采用了開關(guān)放大的模式，因此也被稱為開關(guān)放大器；效率高、失真低，頻率響應(yīng)曲線好，元器件少是它的優(yōu)點。2.1.3功率放大器的主要參數(shù)輸出功率：功率放大器的輸出功率就是功放電路負(fù)載的功率，它可以用1dB壓縮點輸出功率或者飽和輸出功率來表示。其中，1dB壓縮點輸出功率指當(dāng)輸入較低的功率時，相比增益減少1dB時的輸出功率點；飽和輸出功率是指在一定的諧波失真范圍內(nèi)，放大器能穩(wěn)定工作所能輸出功率的最大值。失真：失真是指信號的波形不能維持原狀而發(fā)生變化的現(xiàn)象。信噪比：指信號大小和噪聲信號大小的比例關(guān)系，信噪比的大小可以用功放電路輸出信號電平與輸出的噪聲信號電平之比的分貝數(shù)表示。2.2E類功率放大器的工作原理E類功率放大器采用了單個晶體管工作，它有很多種結(jié)構(gòu)，有并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)是最為廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)是在1975年第一次提出的。E類功率放大器的特點是晶體管作為通斷開關(guān)，集電極的穩(wěn)壓電壓和電流必須在一個周期內(nèi)不相交。下圖2.1為E類功率放大器的基本原理圖，晶體管可以等效為開關(guān)和寄生電容的并聯(lián)電路，其中，與直流電源相連的電感為扼流圈，允許直流通過為電路提供能量，阻止電流從此傳出，理想狀態(tài)下感抗無窮大。令扼流圈右邊的電感為LX，它的作用是提供一定的感抗，右邊的電感和電容分別是LS和CS，它們構(gòu)成諧振于信號基波頻的串聯(lián)諧振電路，理想狀態(tài)下品質(zhì)因數(shù)Q無窮大，電阻RL為50Ω負(fù)載電阻。電路左側(cè)的閉合開關(guān)和并聯(lián)的寄生電容CP則是晶體管等效的結(jié)果。在電路圖中的部分電壓和電流，其中，令從扼流圈流入電路的輸入電流為Idc；令開關(guān)和電容CP并聯(lián)部分的總電流和總電壓分別為it和ut，也就是晶體管的電流和電壓，都是關(guān)于時間的函數(shù)；令開關(guān)和電容C圖2.1E類功率放大器基本原理圖圖2.2晶體管等效后的E類功率放大器原理圖3E類功率放大器的設(shè)計3.1E類功率放大器分析設(shè)θ=ωt(3.1)由上可得，iθ是輸入電流和射頻電流之和，令?α1到2π?α1為一個工作周期，假設(shè)?α1到α2晶體管導(dǎo)通，這時uθ等于零，icθ也等于零，iswθ和iθ相同；α2到2π?α1晶體管截止，這時i?α1到α?=α1+α根據(jù)之前的分析可知iθ=Irf設(shè)m=IrfI那么iθ=Idc可以得出晶體管的電流峰值Ipk=Irf?α1時晶體管電流為零，代入式（3.3Idc1+mcosαcosα1=?在一個工作周期內(nèi)，晶體管導(dǎo)通時流過的電流均值等于輸入電流，由此可得12π?α1α1+α2代入式（3.2）和式（3.8）可得m=1+2π??+sin?這樣就得到了m和導(dǎo)通角?之間的關(guān)系，進(jìn)而可以把很多量和導(dǎo)通角聯(lián)系起來。晶體管截止時，兩端的電壓uθ為電流在電容CuCθ=1uCθ=I當(dāng)晶體管電流為零時，電壓達(dá)到最大值。根據(jù)余弦函數(shù)圖像的對稱性可得α1Upk=Idc再用傅里葉公式對其進(jìn)行正交分解，分解為正弦和余弦兩個部分正弦部分：US=1π化簡后代入式（3.8）和式（3.10）可得US=mIdc余弦部分：UC=1π化簡后代入式（3.10）可得US=?Idc在LX，LS，CS和RL構(gòu)成的串聯(lián)回路中，LS和C在一個周期內(nèi)，晶體管截止時兩端的電壓均值等于電源電壓，由此可得Udc=IdcUdc=mIdc4πω我們發(fā)現(xiàn)式（3.20）和之前的式（3.18）很相似，為了進(jìn)一步得到各個量之間的關(guān)系，分析如下輸入功率Pdc=Idc由于電路的理論效率能達(dá)到100%，所以Pdc=Prf通過比較式（3.18）和式（3.20）以及電流的峰值電流和有效電流的關(guān)系，可得Prf=?I功率只由負(fù)載消耗，因此右端可以看做是負(fù)載電阻兩端有效電壓和有效電流的乘積，進(jìn)而能求出負(fù)載電阻的阻值RL=Uc或者RL=2P通過之前對串聯(lián)回路的分析，可以求得感抗XL=US進(jìn)而得出電感LX=XL3.2E類功率放大器的設(shè)計與仿真圖3.1為AWR軟件下的E類功率放大器的設(shè)計原理圖，圖3.2為該放大電路在各個頻率下的功率附加效率，圖3.3和圖3.4為E類功率放大器晶體管集電極的電壓、電流波形，圖3.5為E類功率放大器輸出功率與輸入功率波形的比較。由圖3.2可得，當(dāng)輸入信號的頻率為1.2GHz時，該E類功率放大器可以得到較高的效率，因此，我們選擇輸入信號為1.2GHz的正弦波。圖3.1E類功率放大器的設(shè)計原理圖圖3.2E類功率放大器功率附加效率圖3.3E類功率放大器晶體管集電極電壓波形圖3.4E類功率放大器晶體管集電極電流波形圖3.5E類功率放大器輸入功率與輸出功率比較波形由上圖3.3和圖3.4可以得到，在一個周期范圍內(nèi)，E類功率放大器晶體管集電極電壓和電流不會同時出現(xiàn)，當(dāng)電壓不為零時，電流值為零；當(dāng)電壓為零時，電流值不為零，這樣就能極大可能地減少功率的消耗。由圖3.4經(jīng)過輸入功率和輸出功率的比對可以看出，E類功率放大器的效率很高，幾乎可以達(dá)到90%以上4E類功率放大器的發(fā)展趨勢近些年來，影響功率放大器發(fā)展的因素有很多，主要是器件、技術(shù)和工藝，通過對一些文獻(xiàn)和功率放大器的分析可以知道，高效率功率放大器依然是現(xiàn)階段主要的發(fā)展方向，所以E類功率放大器依然會成為未來一段時間功率放大器的重點研究目標(biāo)。目前科學(xué)家們已經(jīng)通過對E類功率放大器的工作原理的分析取得了一些進(jìn)展，在E類功率放大器的基礎(chǔ)上提出了一些新的結(jié)構(gòu)。例如F3/E在功率放大器的實際應(yīng)用和發(fā)展趨勢下，E類放大器在未來一段時間的的研究方向可以總結(jié)為以下幾個方面：對E類功率放大器的性能繼續(xù)提升、提出E類功率放大器的新的設(shè)計方法以及集成E類功率放大器。結(jié)語高效率功率放大器技術(shù)是無線通信領(lǐng)域內(nèi)放大器技術(shù)的偉大革新。該技術(shù)能在使用相同直流功耗的情況下極大地提高通信基站和終端系統(tǒng)的效率，它推動著移動通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，是現(xiàn)代無線通信技術(shù)的中堅力量。本文總結(jié)了E類功率放大器設(shè)計的主要指標(biāo)和一些理論知識，基于E類功率放大器的結(jié)構(gòu)簡單、效率較高等特點，通過對E類功率放大器的原理進(jìn)行分析，設(shè)計出了一款簡單的工作在1GHz環(huán)境下的E類功率放大器，從仿真結(jié)果來看，該放大器具有較高的效率，這樣就能極大地減少功率的無用損耗。本次設(shè)計的不足之處是，雖然設(shè)計已經(jīng)滿足了E類功率放大器的基本要求，但由于自身能力的不足，沒有能夠更多的測試E類功率放大器的其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)。雖然此次設(shè)計已經(jīng)取得部分成果，但要把電路結(jié)構(gòu)研究透徹、控制熟練、舉一反三，還需要大量的時間和精力，在未來參加工作或進(jìn)一步的深造過程中，我還會回顧此次設(shè)計的內(nèi)容，爭取對電路結(jié)構(gòu)深入研究。參考文獻(xiàn)[1]W.H.Doherty.Anewhighefficiencypoweramplifierformodulatedwaves[J].Proc.Inst.RadioEng.,1936,24(9):1163-1182.[2]V.J.Tyler.Anewhigh-efficiencyhigh