射频AB类功率放大器的非线性分析与研究（可编辑）

射频AB类功率放大器的非线性分析与研究（可编辑） 射频AB类功率放大器的非线性分析与研究 电子科技大学 硕士学位论文 射频AB类功率放大器的非线性分析与研究 姓名:刘伟琴 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:张玉兴 20100519 摘要 摘要 对于任何无线通信系统，都需要有发射机部分，作为发射机核心部件的功率 放大器，已经成为当今通信业的一个重要研究对象。无论是几百毫瓦的手机功率 放大器，还是几十瓦的基站功率放大器，甚至是几百瓦的电视功率放大器， 的基本原则都是相同的。但是随着无线通信的迅猛发展，对功率放大器的效率、 线性度、输出功率、带宽等指标的要求越来越高，因此如何使功放满足高线性和 高效率的要求是功放研究的热点，对射频功率放大器的非线性分析与研究具有非 常重要的实际意义。本文从理论上对射频功放的非线性做了深入的分析与研究， 特别是射频AB类功率放大器的非线性，并通过实际功放电路验证前面的理论分 析。 文章首先介绍了线性功率放大器的基本理论，包括功率放大器的分类、稳定 性分析、非线性分析、匹配和负载,源牵引理论。然后对传统降低导通角模式的功 率放大器进行了波形分析和输出终端阻抗分析，并且介绍了放大器传输特性曲线 中的膝区效应，对功率放大器的驱动信号做了讨论，在此基础上详细的分析了射 频AB类功率放大器的非线性，包括了理想的传统AB类功放，射频功放器件的非 线性传输特性和非线性电容效应。最后讲述了一个应用于WCDMA 基站中的射频 AB类功率放大器的设计过程，利用ADS仿真软件对功放电路进 行了仿真优化， 然后通过电路调试，使设计的功率放大器满足指标要求，并给出 测试结果以及验 证情况。 关键词:线性功率放大器，非线性，AB类，匹配网络，谐波 ABSTRACT For wirelesscommunication isoneofthe any systems， transmitterimportantparts( Andasthecoredeviceof hasbecamethemost transmitter,poweramplifier important forcommunication it’samobile subject systemnowadays(Whetherphonetransmitting TV afewhundred basestation tensof a transmitter milliwatts，a watts， or transmitting in hundredsof the are watts，the power radiating underlyingprmciples amplifierdesign muchthe the ofthewireless same(But，wim development for aremoreandmore the requirementspoweramplifiers tougher,includingefficiency, andbandwidth(Sohowtobuilda and linearity,outputpower hi(ghefficiencyhi曲 becamea itis and to linearityamplifier hotspot(Alsoimportantmeaningful power the ofradio ofradio analyzenonlinearityfrequencypoweramp!ifier(Thenonlinea rity theclassAB willbe frequencypoweramp!ifier,especiallypoweramplifiertheoretically inthis classAB willbe analyzedpaper(Finally,a amplifier deigned，and power verifiedthe theory( Forthe basictheoriesoflinear willbeintroduced， beginning,the poweramplifier the andload,source includingclassification,stability,nonlineardistortion,matchingpull for ofwaveforillandthe terminal traditional theory(Next，theanalysis output impedance will introductionof reducedconduction be the anglepoweramplifierfollowed;also ‘‘knee'’effectsthe transmissioncharacteristicandthediscussionof in amplifier driving will on ofradio for be signalpower given(Basethese,thenonlinearity amplifier classAB will theidealtraditional be frequency poweramplifieranalyzed，including classAB forRFdevicesandeffectsas nonlinearity parasitic poweramplifier,the classAB for basestationwillbe WCDMA that，a amplifier capacitance(After power willbe and tomeet simulated designed(The optimizedusingADS， andtuning amplifier the be andveilticationresultswill specifications(Test given( networks， Keywords:linearpoweramplifier,nonlinearity,classAB， matching harmonic U 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名: 童:l丛茎援 日期: 力f。年g月2严日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学 位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名:‖l彳为(残 导师签名:乡琢夏t乏 签名:纠,f事穆 日期:州。年岁月凹臼 第一章引言 第一章 引言 1(1射频功率放大器概述 在低频范围内为了获得足够大的低频输出功率，需要采用低频功率放大器， 同理，在射频电路中为了获得足够大的射频输出功率，同样需要采用射频功率放 大器 RFPA 。射频功率放大器的实质功能就是用小功率的射频输入信号去控制 射频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为发射机末级需要的大功率射频能 量【11。 图1(1为无线通信系统中的发射机原理框图，从框图可知 要向空间辐射电磁 波，就需要将发射机前级电路中的小信号经过混频、滤波和一系列的放大获得足 够的射频功率，这样才能馈送到天线上辐射出去。这就需要利用射频功率放大器 来获得足够大的射频功率，因此，射频功率放大器是各种无线发射机系统中的重 要组成部分。 ,Zy 基 图l-l无线发射机原理框图 众所周知，随着目前日益增长的无线通信业务需求，无线通信频段变得越来 越拥挤，有限的无线频谱资源就显得格外珍贵。因此为了在有限的频谱范围内容 纳更多的通信信道，就需要采用频谱利用率高的发射机，这就要求发射机的线性 度高。由于射频功率放大器是发射机中非线性最强的部分，因此提高功率放大器 的线性度是线性化发射机的关键。 1(2射频功率放大器的研究历史及现状 近年来射频微波功率放大器发展迅速，特别是无线移动通信基站中的宽带线 性功率放大器和手机中的低电压高效率功率放大器的发展更加迅猛。随着军事和 电子科技大学硕士学位论文 无线通信领域的标准和技术的发展，射频微波功率放大器的性能要求日益提高， 使之在更宽频带内，具有更高的效率、输出功率、线性度和可靠性。例如在移动 通信系统中，由于通信容量的不断扩大，需要采用多载波通信，所以要求功率放 大器具有较高的线性度;为了使数据的传输速率更高，单个信号的带宽将增大， 这就要求功放具有宽带特性;为了减少功率管的使用数量和功率放大的级数，降 低成本，这就需要提高功率放大器的增益;为了降低冷却要求，易于热控制，就 需要提高功放的效率;为了增加通信基站的覆盖范围，这就要求提高功放的输出 功率。为了达到上述这些要求，对射频功率放大器的设计将提出 新的要求。 近半个多世纪以来，推动射频功率放大器发展的主要因素有射频功放器件的 快速发展、射频功放技术的迅猛发展及射频电路计算机辅助设计技术的不断发展。 1 射频功放器件的发展: ?? 1947年12月威廉??肖克利 WilliamShockley 、约翰??巴顿 JohnBardeen 等人在 美国贝尔实验室成功的制造出第一个晶体管，晶体管的出现使人们能用一个小 巧的、消耗功率低的电子器件代替体积大、功率消耗大的电子管。 ??在1952年肖克利等人又提出了结型场效应管 JFET 的基本理论，一年后成 功制成了JFET，使晶体管开始应用于商业领域。与双极型晶体管 BJT 相比， 场效应管 FET 具有输入阻抗高，噪声小，功耗小。极限频率高，温度性能 好，制造简单，抗辐照能力强等优点。 ?真正应用于射频微波领域的功率晶体管是在六十年代硅晶体管的基础上发展 美国的C(米德提出了肖特基势垒栅场效应管 MESFET 。 具有高电子迁移率、宽禁带、高电阻率等特点，使得射频微波功率放大器的噪 声、功率和使用频率有很大的提高。 ?70年代末到80年代初，随着分子束外延技术和有机金属化学汽相淀积技术的 进步，可以一次生产出高质量的不同成分和掺杂浓度的多层 外延薄膜，使得各 种异质结器件相继研制成功。异质结双极晶体管 HBT 的出现使射频微波功率 放大器的工作频段更高。 ??到90年代，出现了如高电子迁移管，假同晶高电子迁移管等多种新型固态器 件，同时还出现如InP、CaN、SiC等多种新材料，使得射频器件的工作频段、 噪声、增益等性能得到很大的提高。同时单片射频微波集成 MMIC 器件也在 快速发展，其高增益，小尺寸的特性使得MMIC成为当前发展各种高科技军 2 第一章引言 用和民用产品的重要支柱。 2 射频功放技术的发展: ??功率放大器的非线性是功放设计的难点，但是，随着微处理控制技术和DSP 技术的出现和发展，使得可以采用线性化技术提高射频功率放大器的线性度， 如前馈技术、功率回退技术、反馈技术和预失真技术等。 ??功率合成技术的发展使功放的输出功率可以高达几千瓦，功率合成就是使用两 个以上的晶体管对输入的信号进行放大后，再进行功率相加，得到一个总的输 出功率。 ??宽带技术的发展可以使功放的带宽达几十个GHz以上，拓展 功放带宽首先需 要选择宽频带功放管，其次要采用宽带匹配技术。 ??各种效率增强技术如Dorhcrty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏 置技术的发展为功率放大器效率的提高提供了方便。 3 随着新兴半导体器件的高速发展，出现了多种射频微波电路仿真软件。通过 CAD软件仿真，功放设计者可以在计算机上得到电路的仿真结果，并且能够对电 路的参数和指标进行修改和优化，比较仿真结果可得到一个最佳，从而减少 电路设计和调试时间。随着计算机运算能力和器件模型精度的不断提高，功放设 计者可以在很短的时间内得到与实际非常接近的结果。 射频功放器件和各种技术发展至今，已经开发出多种功放来满足军用和民用 的需求。随着材料、计算机以及功率放大器相关理论的进一步发展，可以设计出 更高性能的射频功率放大器。 1(2论文结构及内容安排 本文共分为六章，主要内容: 第一章是引言，简要地概述了功率放大器在无线通信中的作用，射频功率放 大器的研究历史及现状，以及强调了射频线性功率放大器的重要性。 第二章首先介绍了线性功率放大器的基本理论，对功率放大器进行了分类， 讨论了放大器的稳定性问题，接着着重分析了放大器的非线性，包括放大器的强 非线性效应和弱非线性效应。然后介绍了功率放大器在不同的输出匹配方式下具 有不同的功率传输特性，最后简要的介绍了负载,源牵引理论。 第三章详细分析了射频AB类功率放大器的非线性，首先分析了传统的降低导 通角工作模式的功率放大器，包括了对传输特性曲线的膝区效应和线性区的弱非 3 电子科技大学硕士学位论文 线性的分析，接着讲述了利用整形的驱动信号来提高多级功放系统的性能。最后 对工作在射频频率的AB类功率放大器的非线性做了更加细节的 分析，如功放器件 的非线性传输特性和非线性电容效应。 第四章详细介绍了一种射频AB类功率放大器的仿真设计过程，对增益、输出 功率、线性度、效率等进行了综合考虑。 第五章叙述了功放的调试过程，并给出了测试结果和分析。 第六章对本文进行了总结。 4 第二章线性功率放大器的基本理论 第二章线性功率放大器的基本理论 线性功率放大器在现代无线通信系统中的重要性越来越大，特别是在CDMA 体制移动通信系统中，线性功率放大器已经是必不可少的重要部 件。功率放大器 的整体电路可以用图2(1表示，对该网络的分析可以得到很多 功放的基本理论。 F Zo FIN oUT Zo (―4 A ― 一 7 L l al b2 ’I 上 山 幸 于 9。 孕2 彳 图2(1放大器的s参数网络 2(1功率放大器的分类 功率放大器种类的划分有多种方式，根据功放管电流导通角的不同可以将功 图2-2所示。 漏极电流 图2-2功率放火器:f:作状态的分类 除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外，还有使电子器件工作于开 5 电子科技大学硕士学位论文 关状态的丁 D 类放大器和戊 E 类放大器。各类放大器具体区别看表2一l。当 功率放大器工作在AB类、B类、C类等降低导通角类型下，输出的电流波形会失 真，需要采用调谐回路作为负载网络。由于调谐回路是选频网络，具有滤波能力， 能够使负载谐振功率通过，抑制由放大器非线性特性产生的非线性成分，从而得 到接近于正弦波的回路电压和电流波形，使失真减小【11。 表2(1不同丁作状态下放大器的特点 工作状态 半导通角色 理想效率 A类 皖 180。 rl 50, AB类 50, n 78(5, 90。 oo 180。 B类 Oo--90。 n 78(5, C类 oo 90。 rl 78(5, D类 开关状态 90, rl 100, E类 开关状态 90, rl 100, 2(2放大器的稳定性分析 随着频率的增加，器件的寄生效应越来越重要，使得射频放大器的增益会下 降，并且寄生效应会产生寄生振荡使放大器不稳定。射频放大器的寄生振荡主要 原因之一是有源器件的内在电容与有源器件共地的电感产生的振荡，通过外部电 路元件将产生的振荡由输出端IF反馈到输入端。因此放大器电路首先必须满足的 条件是在其工作频率范围内稳定【2】。 由于放大器的S参数对于固定频率是固定值，所以放大器电路的稳定性是由rs 和FL决定，如果Ir。I l、IrLI l，则反射电压的幅度变大，即电路是正反馈，导 致电路产生不稳定现象;相反，若lr。l l、lI’LI 1，反射电压的幅度变小 负反馈 。 因此当放大器的输入、输出反射系数的模都小于l，不管源阻抗和负载阻抗如何， 网络都是稳定的，称为绝对稳定，放大器绝对稳定的充分必要条件是: IFsl l，lrLI l 2一1 弘2， h|-l篙l“lro小l湍lq 式中A SI。最:-SI:逆(。当上面式子取相反符号时，放大器存在不稳定和潜在不稳定 的情况。 6 第二章线性功率放人器的基本理论 绝对稳定是指放大器在其工作频率下，整个Smith圆图内放大器始终都处于 稳定状态。绝对稳定常用的判定方法有两参数判断准测: K―A 参数判定法， 其中稳定因子K Roller因子 的数学表达式为: K:!二划:二幽:型: f2(3、 一 ”吖 2酬阮l 当同时满足K l和lAl l时，放大电路处于绝对稳定状态。在上述条件下，无论 使用什么样的无源匹配网络，放大器的输入输出反射系数的模值 都不可能大于1， 因此使用 K―A 参数判定法是一种很好的方法。但是在射频功率放大器设计中， 功率增益是一个需要重点关注的指标，如果末级功率放大器的功率增益下降到 10dB以下，则射频驱动功率就必须增大，这样就会影响总效率，因此驱动级放大 器的设计也是至关重要的。可以找到一个最佳状态，使得满足K l和I?f l，但 是K值不是远远大于l而是略大于1，原因是随着K值的增加，放大器的增益会 下降，因此可以利用放大器的正反馈使增益回升，但是此时K值必须保持大于1【3】。 上述的 K―A 参数判定法只能给出绝对稳定的判定准则，无法确定器件的 稳定程度，可以使用单参数 “参数 判定法。单参数判定准则: 1 2??4 ‖ 尚 ??蜘 燕 当It l时，放大器工作在绝对稳定状态;当It 1时，放大器处于不稳定状态或 潜在不稳定状态。对于处于不稳定或潜在不稳定状态下的电路，可以在不稳定的 端口增加一个并联或串联电阻来改善电路的稳定性。但是增加电阻的方法实现放 大器的稳定可能会使电路的其他特性受到影响，例如，阻抗匹配状态可能破坏， 传输的功率可能损失;晶体管的噪声系数一般也会恶化;增加的电阻而且会产生 附加的热噪声【41。 2(3功率放大器的非线性分析 功率放大器总是工作在大信号状态下，非线性失真非常严重，功率放大器的 非线性失真会产生大量的新频率分量，二次、三次谐波分量，二阶、三阶互调分 量等，如果这些新的频率分量落在通带内，会直接干扰发射信号，如果落在通带 外将会对其他频道的信号造成干扰。因此分析功率放大器的非线性失真是非常重 要的。 对于理想的放大器来说，尽管输出信号与输入信号在幅度上不同，在时间上 7 电子科技大学硕士学位论文 可能有延迟，但是输出信号波形与输入信号波形是相同的。然而，在实际的放大 器中，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象称为失真。放大器 产生非线性失真的原因是由于放大器件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使 输入信号和输出信号不再保持线性关系。由于放大器件的传输特性曲线是非线性 曲线，因此当放大器的静态偏置点选择不当或输入的驱动信号过大时，会使放大 器产生非线性失真。 2(3(1 功率放大器的非线性指标 功率放大器的线性度要求就是要使输出射频信号中的谐波分量尽可能地小， 以避免干扰其他频道。表征功率放大器线性度的指标有很多，主要表征指标有输 出ldB压缩点、三阶互调失真IMD3、三阶截断点IP3。 ??输出功率ldB压缩点 PldB :线性增益比非线性增益高ldB时所对应的输出 功率，用PldB表示 见图2(3 。PIdB与输入信号的大小无关，只与晶体管 的本身特性相关，所以PldB是晶体管的自身属性，可以用PldB来描述晶体 管的非线性特性【5】。 dBm 图2―3PldB点和三阶截断点示意图 ??三阶互调失真IMD3:两个功率相同频率相近的单一频率信号Z和石 五 彳 ， 都加到同一个非线性放大器时，由于器件的非线性作用使两个信号相互调制。 互相调制产生的新频率的输出功率就是互调分量，二阶互调分量有(疋4-f频 率，三阶互调分量有2f?五、2五?石频率。如果放大器的非线性可以用一个 幂级数展开式近似表示，那么输入信号每增加ldB，二阶互调分量会增加2dB， 三阶互调分量会增加3dB，如图2(3所利61。其中三阶互调分量P 2f一(厶 容 易落在通带内难于滤除，故可用输出基波功率与三阶互调分量之比值来衡量放 8 第二章线性功率放火器的基本理论 大器非线性失真的程度，即三阶互调失真IMD3 见图2-4 的计算: 蝴 dBc 器 2-5 Potrr dBm Hz 图2(4双晋互调失真谱 ?三阶截断点IP3 Third―order InterceptPoint 为输出基波功率, 石 或, 石 与 三阶互调分量Po 2f一正 外退的交点，即放大器输出功率与输入功率的关系曲 线中基频曲线与三阶互调分量曲线线性延长线的交点，交点的输入功率就是输 入三阶截断点IIP3、输出功率就是输出三阶截断点OIP3，如图2(3所示【5】。输 到，计算公式为: OIP3:Pollt+―IM―D3，IIP3:Pin+―IM―D3 2(6 2 2 其中，Pout是输出基波功率, 彳 或乞 正 ，Pin是最 Z 或圪 五 。 2(3(2放大器的弱非线性效应 放大器的非线性包括弱非线性效应和强非线性效应，利用 Volterra级数可以分 析弱非线性效应，而强非线性效应需利用谐波平衡法分析。图2(5所画的放大器包 含了晶体管和输入、输出匹配网络，当晶体管的RF驱动信号v f 非常小时，放大 器表现出弱非线性，放大器的输出信号Vo t 可以表示为: v0 t ， +吻哼 f +呜谆 ， +„ 2-7 如果输入信号是单一频率，即vat 形coso ，t，则 cOS2 Vo t aIKcosaIt+a2巧2qf+口3形5COS’qf+„ a2Kz a3Vi，cos3哆f+„‘2-8’ 三口:巧2+ 口l巧+三口，巧， coso，t+j1cos2co， t+i1 9 电子科技大学硕士学位论文 ? 丁 Vo t 图2―5弱非线性效应 由上式可知，尽管图2-5中放大器电路的输入、输出匹配网络是由无源器件组 成，但是输出信号除了输入信号频率外，还出现了直流分量和高次谐波分量【31。利 用上述公式来分析放大器的弱非线性效应非常有用，因为在互调失真低于(30dBc 时，器件的非线性特性是很难用I(V特性曲线模型来分析的。 2(3(3放大器的强非线性效应 放大器的强非线性效应是指放大器件传输特性曲线的非线性，图2-6中实线是 理想的FET管的转移特性曲线，虽然曲线是理想化的，但是对分析功率放大器的 功率和效率是非常有用的。图2-6中虚线是弱非线性模型曲线，特指放大管的三阶 效应特性曲线，可用等式 L go+蜀K+,圪2+,名3 2-9 描述，假设截止点和饱和点之间的栅极电压归一化范围为 0，1 ，则上式化简为 L +3名2―2名3 2-lo 上式所画的曲线就是图2(6中截止点与饱和点之间的虚线，考 虑到更高阶效应，可 以画出正常FET模型的传输特性曲线图2(7【31。 漏极f扛流 0 0(5 l 图2-6 FET的强弱1F线性特性曲线 10 第二章线性功率放大器的基本理论 漏极电流 厂 , 一 图2―7FET的强弱非线性综合特性曲线 由图2(7可知，在线性区FET管的输出与输入信号近似成线性关系，随着栅 极电压的增加漏极电流上升的速度变慢，此时器件处于强非线性区，栅极电压继 续增加漏级电流基本保持不变，器件进入饱和区。因此，当放大器工作在截止区、 强非线性区、饱和区时，输出电压被限幅，会出现频谱再生问题。 2(3(4 A类放大器与线性放大器 从射频功率放大器角度看，人们普遍认为“A类’’与“线性’’是相同的意思， 但事实上，A类放大器通常并不是线性的，并且高度线性放大器并不一定是A类 放大器。 回到图2(6中的理想强非线性传输特性曲线。假设放大器在截止点和饱和点之 间的区域是完全线性的，当放大器的静态工作点选择在上述线性区域的中点，并 且放大器的射频驱动信号幅度没有超过边界值，此时放大器完全工作在线性状态 下，如果射频驱动信号为正弦信号，则输出信号也是正弦信号，不会有新的谐波 成分，这种放大器就是传统的A类放大器。但是事实上，上述所说的线性区域具 有弱非线性效应，随着驱动信号的增加，此区域的弱非线性效应变得越来越不明 显。但是设计的A类功率放大器，驱动信号会增大到非线性不断增强的区域甚至 逼近突然截止点，在这种情况下，输出端的电流波形将具有大量的谐波成分。在 实际中，输出电流将流经输出匹配网络，而这个网络通常是低通的，从而高阶谐 波分量被衰减，正因为如此使得A类放大器具有输出频谱比较“干净”的假象， 但是驱动信号为非恒包络或者调制信号时，将会出现很多互调分量，但是总的来 说，A类放大器还是比AB类放大器要“干净”些。 电子科技大学硕士学位论文 2(4增益匹配和功率匹配 增益是功率放大器的重要参数，放大器的增益有多种定义，各种增益的定义 和之间的区别如下: ??转换功率增益Gr Transducer powergain ，定量的描述了插入在信号源与负 载之间的放大器增益，它的大小与输入和输出端的匹配程度有关。 ( 负载吸收的功率 只 嶙2胥甄丽丽2芎 2-11 1-IrL12 l蚶 1(1r。12 l 1一??S。f。 1一??是:rL 42最。I’Lrs|‘ ??资用功率增益GA Availablepowergain ，是放大器输出端共轭匹配 r0UT r: 时，放大器产生的功率增益，也就是输出端共轭匹配情况下的 转换功率增益。资用功率增益只与晶体管S参数及信号源阻抗有关。 放大器的资用功率 一 ，!I 吒2坼br'otrr。百前丽鬲藤 1一lrouTl‘ 11一??SlrsI‘ ??实际功率增益GP Powergain或Operatingpowergain ，是放大器输入端共 轭匹配 F州 E 时，放大器产生的功率增益，也就是输入端共轭匹配情况 下的转换功率增益。功率增益与晶体管S参数及负载反射系数有关。即令 己 只，可得到 G::璺黧塑擎曼:墨:曼×旦:G互 ’ 放大器输入的功率 最 只圪 1。最 1-IrL12 I蚶 2_13 1-F烈12 11-s22FLl2 ??单向化功率增益Gru Unilateralpowergain ，单向化功率增益是忽略了晶体 管自身反馈效应的影响 墨: 0 时的转换功率增益，其中q和G是放大器 输入、输出匹配网络的增益分量，G0是晶体管的插入增益。当放大器的输入、 输出端口都是共轭匹配 F州 F:，ro? ‘ 时，则有最大的单向化功率增 益,一【4】o 12 第二章线性功率放大器的基本理论 ,吼卸 黼恻2×器 2-14 as×Go×q 其中PL:负载吸收的功率，就是负载所获得的功率; 如:放大器输入功率，就是实际送入晶体管的功率最 只一e，当放大器输 入阻抗与信号源的内阻共轭匹配 F聃 F; 时，反射功率为0，此时信 号源到放大器之间有最大功率传输; n:信号源的资用功率等于放大器的输入功率己加上放大器的反射功率e; L ,‘ ?，?，’ , : ???，一 , : : 一(一 ,’ A‘ ((???, ;一 B’ ,一 ―― ,，二 ―_，一 A (谚，r B 共靳 :匹配 (‖一， ， ’ , ， ,‘(， 功率匹配 , , PMdBm ’ldB,格 图2(8不同输出匹配下的功率转移特性曲线 增益匹配就是要获得最大的功率传输增益，即对放大器负载阻抗与信号源阻 抗进行双共轭匹配的设计。功率匹配是要获得最大的功率输出(指源阻抗为共轭匹 配、负载阻抗为最大功率匹配时的匹配，图2-8画出了两种不同 输出匹配条件下的 A类功率放大器的功率传输特性曲线，实线是在较低驱动信号时的功率传输特性 曲线，并且此时放大器的输出匹配是共轭匹配，其中A、B点指的是最大线性功率 点和PldB点，图中的虚线是放大器输出匹配为功率匹配时的功率转移特性曲线。 由图2(8可知，功率匹配时的最大线性功率点和PldB点比共轭匹配时大大概 2dB，实际中利用各种技术可以使上述的差距在0(5至3或4dB之间变化，即功率 匹配的改进是在一个相当恒定的增益压缩范围内的。 13 电子科技大学硕士学位论文 2(5负载,源牵引理论 功率放大器设计的主要目的就是要得到最大的输出功率，所以输入、输出匹 配网络的设计很重要，其中输入匹配网络的目的是使放大器得到足够高的增益， 输出匹配网络的目的是要使输出达到所要求的输出功率。由上面图2(8可知输出功 率与输出匹配具有一定的关系，负载,源牵引技术就是利用这种关系来设计射频功 率放大器。负载,源牵引法的原理就是功率放大器在大信号电平激励下，通过在大 范围内连续扫描器件的负载或源阻抗 或者反射系数 ，利用谐波平衡法逐点分析， 在Smith阻抗圆图上画出一组等输出功率线、等效率线，等增益 线，或者等3阶交调 线等。根据设计目标找出最大值或最小值的交点，这个交点就是设计目标的最佳 阻抗点。 下图2(9就是负载牵引测试的基本原理图，简单的来说，就是在放大管的输出 端接上一个阻抗调谐器，并将调谐器的输出端接上频谱分析仪或者功率计等仪器， 接着调整阻抗调谐器，直到放大器的输出功率达到最大为止。 !吟 _7 ?猁詈 以 图2-9负载牵引测试台的基本原理图 2(6本章小结 本章介绍了射频线性功率放大器的基本理论，首先对功率放大器进行了分类， 然后简单的分析了放大器的稳定性，指出放大器稳定性判定的方法有K一?参数判 定法和“参数判定法。接着对功率放大器的非线性做了详细的分析，包括了功率 放大器的非线性指标的定义，放大器的强弱非线性效应的分析，以及对A类功率 放大器和线性功率放大器作了对比。文章的最后介绍了功率放大器在不同输出匹 配下的功率传输特性，得出了设计功率放大器的常用方法，即利用负载,源牵引法， 文章对负载,源牵引理论的基本原理和负载牵引测试的方法做 了简单的介绍。 14 第三章射频AB类功率放人器的非线性分析 第三章射频AB类功率放大器的非线性分析 3(1传统高效率功率放大器的分析 传统高效率功率放大器的工作模式为降低导通角的AB类，B类，C类等放大 器，追溯到最早的真空管时代，设计高效率的功率放大器最古老的方法是在较低 的静态工作电流下，增大激励电压的幅度使放大器导通。事实上提高放大器的效 率仅仅降低导通角是不够的，还需要满足的条件是:第一，激励电压的幅度要远 大于A类放大器的激励电压幅度;第二，功率放大器的射频输出信号的谐波分量 具有合适的终端负载阻抗。在一般的教材上都假设功放射频输出信号的谐波分量 对应的阻抗为零，即假设为谐波短路，这种假设使得功率放大器的分析变得简单 了，特别是在真空管时代使功率放大器的设计变得更加容易，但是这种假设使得 当今的晶体管匹配电路的拓扑结构变得比较混乱。 3(1(1 降低导通角放大器的波形分析 降低导通角的基本过程如图3(1，放大器的静态工作点选择在A类放大器静态 工作点与截止点之间，如果激励电压的幅度足够大，激励电压的负周期将超出放 大器的截止点。为了使输出电流达到理想的饱和电流L。，激励电压K必须大于A 类放大器的激励电压，在数量上激励电压K满足: 屹 1一圪 3-1 其中圪是归一化的静态工作点电压，归一化标准是截止点电压K 0，饱和点的电 压形 1。由上式可知，降低静态工作点 导通角 可以通过增加激励电压使放大 器导通而达到饱和电流k。 由于输出电流的波形是削底的余弦波，即尖顶的余弦脉冲，因此一周期内的 电流平均分量减小了。输出电流波形可以表示为 w，隹乏二2吴:?,曼 c3国 其中厶 k一‘，cos见 一 ，因此重新整理得: 15 电子科技大学硕士学位论文 3_3 屯 秒 ―O―-!c墼_osO。 ‘ cos口一cos包 珞 圪 , L幻„么 所 一 ,,,,, 将上述电流可分解为傅里叶级数 屯 秒 厶+LIcosa+i,2cos2e+id3cos30+„+‘cosnO+„ 3―1 由傅里叶级数系数的求法可得直流分量如为: 厶 三三,‘tp，d19l 三?丘‘n“酱d口。3(5， ，一r (sinO。一眈cosOc ‘, ‘――――――――――― ――――――一 兀 卜cos晓 基波分量历，为:驴三,御 cosod0 妻,k酱训dp 、 ‖ 3-6 ，晓一sin包cos包 刮一’‘F面矿 n阶分量如为: L 妻,‘ 秒 cos柏d秒 三丘k酱cos，枷目 :，捌呈笙塑堡二!竺丝!遗刊 ‘3。’ ‘一兀 刀 以2-1 1-cos0 其中n 2、3、4„，因此输出的脉冲电流不仅包含了基波分量，还出现了直流分量 和高次谐波分量。图3-2画出了电流直流分量、基波分量以及n 6各高次谐波分量 与导通角的关系曲线图。图中导通角从A类下降到B类时，直流分量随导通角的 16 第三章射频AB类功率放大器的非线性分析 下降单调下降，但是基波分量是基本不变。特别是将A类、B类放大器的半导通 角晓代入式 3(5 和 3(6 ，可得 厶 A类 k,2，厶l A类 k,2 3-8 屯 B类 k,历L。 B类 k,2 3-9 因此，仅仅从电流波形角度看，可知直流供电电压随着导通角的降低以,ff,2的斜 率下降，因此效率将从A类放大器的50,增加到B类的78(5,，但是上述只是在 理想的状态下可以达到，实际中还需要先考虑输出终端负载和电压波形。 I? l O 2x 石0导通角 A―――??f4B―――?-口―――?-C 图3-2电流波形的各分量与导通角的关系 由图3(2可知，B类放大器的奇次谐波分量是通过零点的，但是对于AB类放 大器，三次谐波分量是不容忽视的。一般来说，对于幅度低于O(1的谐波成分是造 成放大器弱非线性的重要来源，对放大器的整体非线性特性具有重要的作用【31。 3(1(2功率放大器的输出终端阻抗分析 由于晶体管的电流包括许多谐波分量，特别是二次谐波分量，因此分析和画 出在特定负载条件下的电压波形是一个重要问题。由于上节的分析是假设在所有 谐波阻抗都是短路的情况下，这样使问题变得简单，的确这是定义传统高效率功 率放大器的重要条件【7】。但是对于现代的固态电路而言，这种假设就有点太理想化 了，大多数书做这样的假设理由有三个: ?谐波短路，同时使基波分量负载阻抗为最佳值这种优化方法，在性能上与其它 多种非谐波短路的优化方法相近。 ?谐波短路在电子管功率放大器设计中相当容易实现，即使是kw级功率放大器， 17 电子科技大学硕士学位论文 一个简单的并联谐振电路就可以实现谐波短路。 ??降低射频输出信号使其为正弦波的分析没有意义。 , 汀 ?? 五 ,吖0编 zr-0 蕊，骗(。 ?„A„么一 ,,,, 一 场 Im“ 如 0 圪 O , 图3-3传统降低导通角模式的放大器 因此，我们将使用传统的简单化设计来分析传统工作类型 的功率放大器，图 3(3电路图是做进一步的分析，降低导通角的放大器的输出电 流将流进基波并联谐 振电路和概念性的谐波短路回路。由于所有的谐波是短路，负载上没有谐波电压 成分，所以输出电压是一个正弦波，这个正弦波的幅度由负载阻抗决定。当选择 合适的负载阻抗时，输出的射频基波功率暑和直流供电功率匕为 定义效率: 18 第三章射频AB类功率放大器的1 线性分析 r, 子 3-11 ‘dc 功率附加效率: 其中,为射频输出电压的正弦波幅度，最为射频驱动功率。当射频功率增益小于 10dB时，对末级功放来说，在输出同样功率下射频驱动功率就需要增大，这样功 率附加效率就会减小。换句话说，功放设计者通常会选择增大增益的方法，如进 行窄带设计，利用正反馈技术，更好的封装技术等更加热门的技术来增大增益【81。 功 +5dB 一5dB 2x 万0 4―斗爿口―斗占―斗C 导通角 图3_4功率和效率与导通角的关系 因此将式子 3(5 代入效率的定义式 3(11 ，可以画出输出功率和效率与导 通角的曲线图34，图是假设在谐波短路和基波阻抗为最佳值时的关系图。假设在 理想条件下，即谐波终端完全短路，最大输出线性电流为k，最大输出电压为2吃 见图3(3 ，射频输出电压的正弦波幅度为吃 ，不存在膝区效应，在这些条件下， 最佳负载阻抗为: 矿 , "，dc 3??13 』dl 其中L。为傅里叶基波电流，由之前分析可知，当驱动电压幅度增加到获得相同的 射频峰值电流L。时，A类放大器的L。与B类放大器的L，相同。通常B类放大器 的负载阻抗值等于负载线的特性阻抗值，但是理论上，对于AB类放大器来说，负 载阻抗值应该稍微的减小，对于工作在A类、B类中点时的AB类功放大约减小 10,，以至于此时的基波幅度对比于A类放大器的基波幅度有小量的增加。在实 19 电子科技大学硕+学位论文 际使用中，考虑到放大器的弱非线性效应和膝区效应，AB类放大器的基波幅度比 A类放大器的基波幅度会优化至少10,，因此AB类功率放大器在理论上的变化 往往被忽略。 从图3_4可以得到更多关于AB类功率放大器的理论: ??工作在A类与B类之间的射频输出功率中的基波功率基本上是不变的，稍微 大于A类放大器零点几dB。 ??B类放大器与A类放大器输送同样的功率，但是B类直流供电功率比A类放 大器的直流供电功率降低石,2倍，因此B类功放的理想效率为7r,4。 ??C类放大器的效率有明显增加，但是RF输出功率大大减小了。 3(1(3放大器I(V特性曲线中的“膝区"效应 在BJT管和FET管的实际I(V特性曲线中，存在一个弯曲的区域，我们把这 个区域称为膝区。对于晶体管放大器而言，膝区电压是直流供电电压的大部分， 并且在利用便捷式供电系统的功放设计中，膝区电压效应起着重要的作用。 O 相对于Vds而言 。当圪是归一化到直流供电电压,时，输出电流可以改写为: 帆斗e- 挚] 仔? 其中,为漏极输出电压，同样是归一化到直流供电电压,的。因此当y凼 圪时， 第三章射频AB类功率放人器的非线性分析 此时在膝区电压处的漏极电流是饱和电流的63, 兰坠生?;三二:63,o当圪是1 K?』一 归一化到直流供电电压,时，圪 0(1是许多实际中的取值。例如供电电压为5V 因此放大器的输出电流是输入、输出电压的函数，并且输出电压的预测是一 个递归问题，但是这个问题可以通过规定输出电压的范围来克服，因此电流可以 通过跨导与漏极电压的乘积来计算，如式子 3(14 。 例如对于B类放大器:虼 0，屹 l，圪 O(1，? l，其中 输出电压也是 归一化到直流供电电压吃的，可以得到输出电流和输出电压波形图3(6。对比于没 有膝区效应时的理想波形图3-7，考虑膝区效应的放大器的射频输出功率和功率利 用率下降了，为了减弱这种下降，首先应该减小输出电压的幅度，使电流不可能 为3(8。此时的射频输出功率比理想条件下的输出功率下降在ldB以内，并且效率 与? 1 图3-6 中效率保持不变。实验证明，找到最佳输出电压?值时，射 频输出功率只比理想状态时下降了ldB，效率比理想状态下下降少于10,。 2 电压 电流 O 图3-6饱和输出电压时的输出电流和电压波形图 2 电压 电流 O 图3(7无膝区效应时的输出电流和电压波形 21 电子科技火学硕士学位论文 图3(8输出电压降低10,时的输出电流和电压波形图 3(1(4功率放大器的驱动信号分析 前面讲的都是传统的降低导通角放大器，已经知道传统的降低导通角放大器 具有一个明显的缺点:在使用相同放大器件时，其射频驱动信号要比线性A类放 大器的驱动电压高，例如B类放大器的射频驱动信号要求高出A类放大器大概 6dB，特别是在射频微波频率时，由于器件增益的下降，这个问题将变得更加严重。 最需要注意的是在整个射频驱动信号周期内，BJT管的输入阻抗会发生快速变 化，因此实际中对B类放大器的射频驱动信号需要增加的量不会简单的预测到。 然而FET管是一种更加线性的放大器，利用正弦驱动信号的FET管可以利用其开 关特性进行波形整形。由于整个射频驱动周期，FET管的栅极阻抗保持不变，这 不同于由耗散电容引起的寄生效应，因此B类功放的驱动要比A类功放的驱动信 号大大概6dB是不可避免的，并且在应用中这是FET管和BJT管的一大缺点。 两级效率 功放增益 20dB 0dB 图3-9效率与功率增益的关系 第三章射频AB类功率放大器的非线性分析 效率与功率增益的关系是非常重要的，图3-9画出了放大器的效率与功率增益 的关系图，由于增益会随着频率的上升而下降，特别是在微波频段，增益会下降 到10dB以下，因此在射频微波功率放大器的设计中，效率和增益必须权衡考虑。 当功率放大器为多级系统时，进入末级功放的驱动信号有可能不是正弦信号， 事实上，为了减轻AB类和B类放大器的驱动信号要求，驱动信号有可能是已经 整形过的信号，特别是含有二次谐波分量的信号。图3(10画出了一个接近最佳的 情况，如果能够整形出B类放大器所需要的驱动信号波形，那么B类放大器的高 驱动要求缺点就不存在，这样使得B类放大器的所有传统优点就能够获得。 矿沁‖飞。, ? O 图3(10利用整形驱动信号的B类功放输出波形 事实上，图3(10中已整形过的驱动信号的基波分量幅度与A类放大器的正弦 驱动信号幅度是相同的，因此利用整形过的驱动信号的功率放大器的基波功率增 益与A类放大器的功率增益是相同的，但是此时的效率是B类放大器的效率。并 且在这种情况下还有很多的优势，例如功放管通常是工作在线性区以外，驱动信 号电压的巨大变化使得信号的负周期被截断，因此传统正弦驱动信号电压的负周 期的巨大变化已经不需要了，这就意味着现在的功放管要比传统的高驱动功放管 工作在更高的直流供电电压下。 电子科技大学硕士学位论文 图3(1l多级系统的电路图 L ( 驱动级输入电压―? 、,八么 VV― L ]n厂 驱动级输出电流 ,, ,,一 y叭吓 驱动级输出电压―? 图3(12功放驱动级的电压和电流波形 驱动信号的整形技术需要产生大量的二次谐波分量，可以通过驱动放大器的 非线性特性产生，或者将末级功放输出的部分二次谐波分量反馈到输入端，甚至 可以利用功放管输入节的I-v特性的非线性做有益的波形整形。特别需要注意的 是:如果二次谐波分量的相位不恰当反而会使效率降低。利用级问匹配网络的频 率响应可以得到需要的谐波组合，图3(1l就是利用级间匹配网络实现的，此时驱 动级放大器是工作在反相B类状态下的放大器，偏置在接近饱和区的区域内，并 且输出电流为零的区域小于半个周期 见图3(12 ，如果驱动级的输出负载看成是 一个宽带电阻，那么此时的末级功放的输出波形将是理想形状，但是实际中功放 管的输入端不可能是宽带阻抗。 因此，在多级系统中，调谐偏置网络和极I'日J匹配网络使得系统设计更加复杂， 表面上看是通过调谐输出匹配网络柬权衡功率、线性和效率之间的关系，其实本 24 第三章射频AB类功率放大器的非线性分析 质上，将功率放大器的二次谐波分量的相位调制到合适值，可以降低驱动信号要 求来实现更高效率的功率放大器，并且在实际应用中这是一个重要因素【91。 3(2射频AB类功率放大器的分析 上面所描述的传统功率放大器的设计理论都是基于许多理想化的假设条件， 都是在有源和无源器件模式下使用。虽然这些理想化假设已经明确定义，但是令 人奇妙的是在许多功率放大器实际设计和生产中，仍然是基于传统的结论，而不 会去考虑由于工作在射频频率下所带来的有害影响，例如电容的寄生效应，特别 是在射频功放管的输入端的电容效应和功放管I(V特性曲线中的膝区效应会使传 统的结论发生巨大的变化。 器件I(v特性的非线性，特别是在开启区域的非线性，不仅仅对射频器件有影 响，而且这些效应与频率有关。我们将考虑非线性传输特性效应，特别强调这些 效应对传统线性结论的影响。功放设计者需要找到一种特殊的AB类功率放大器， 即存在一个最佳点，使最佳点在有限功率驱动下，能使频谱失真产物下降为零。 这种结果的原因是传统的AB类功率放大器的电流波形截断时的非线性会偶然抵 消，以及器件传输特性固有的非线性也会偶然的抵消。 射频功放管的输入阻抗的非线性效应，特别是场效应管中的可变电容Cgs效 应常常会被人忽视，这些效应对功率放大器的设计具有重要影响，特别是在多级 系统中，在考虑驱动级和功放级间的级间匹配时，这些影响更为重要。 3(2(1理想的传统AB类功率放大器的分析 定义图3(13画的电路图是一