第15章RF功率放大器

2019/12/201第十五章RF功率放大器张艺蒙西安电子科技大学微电子学院[e-mail]2019/12/202主要内容•功率放大器性能参数•功率放大器类型•功率放大器调制•RF功率放大器设计2019/12/203功率放大器性能参数•输出功率•效率•功率利用因子•功率增益•线性度2019/12/204输出功率•定义为功率放大器驱动给负载的带内射频信号的总功率，它不包括谐波成分以及杂散成分的功率。在绝大多数通信时段内，功率放大器的输出功率会远小于最大输出功率。为了保证在最坏情况下，通信系统依然有较好的通信质量，功率放大器必须按最大输出功率进行设计和优化。2019/12/205效率•衡量放大器将电源消耗的功耗转化为射频输出功率的能力。•功率增加效率•漏极效率Pout是放大器输出到负载上的射频输出功率，Pin是放大器的驱动信号功率，而Psupply是电源上消耗的功耗。Pdelivered是功率增益级输出到下一级电路的射频信号功率。漏端效率反应了有源器件所消耗的功耗与电源消耗的功耗的比值。漏端效率仅考虑了电源上的直流功耗转化为射频输出功率的能力，而功率增加效率将功率放大器的驱动信号功率也考虑在内，因此功率增加效率能更准确的反应功率放大器的效率性能。2019/12/206功率利用因子•功率利用因子（PowerUtilizationFactor:PUF）是用来衡量功率放大器是否充分发挥了晶体管输出功率潜能的一个性能参数。•定义为功率放大器的实际输出功率与利用同一晶体管构成的理想A类功率放大器输出功率的比值。2019/12/207功率增益•定义为放大器的输出信号功率与驱动信号功率的比值：2019/12/208线性度•1dB压缩点和三阶交调点•相邻信道功率比ACPR（AdjacentChannelPowerRatio）•错误向量幅度（error-vectormagnitude：EVM）：发射机发射信号错误向量的长度引入的信号功率与发射机本身信道内的总信号功率的比值，可以衡量发射机因非线性对相邻信道所产生的干扰。2019/12/209功率放大器类型•传统功率放大器A类、B类、C类、AB类功率放大器•开关模式功率放大器D类、E类、F类功率放大器2019/12/2010通用功率放大器模型负载电阻将DC功率送到晶体管漏极防止负载中有任何DC功耗优点1、晶体管的输出电容被吸收进振荡回路。2、振荡回路提供的滤波功能削减了由非线性引起的频带外发射。2019/12/2011A类功率放大器•立体声设备中的一个标准范例的小信号放大器•设计中的假设是选择偏置的大小使得晶体管工作在线性区。与小信号放大器的区别在功率放大器（PA）的信号电流是偏置电流的很大一部分，可能存在严重的失真。2019/12/2012理想A类放大器漏极电压和电流2019/12/2013A类功率放大器性能•漏极电流•漏极电压•信号功率•DC输入功率•效率（漏极效率）•功率因子2019/12/2014B类功率放大器•偏置设成使输出器件在每个周期的一半时间内关断。2019/12/2015B类功率放大器性能•漏极电流•漏极电压•输出功率•DC功率•效率•功率因子2019/12/2016C类功率放大器•栅偏压设成使得晶体管在小于一半时间内导通2019/12/2017C类功率放大器性能•漏极电流•漏极电压•效率当导通角减小至零时，效率接近100%。输出功率趋近于零。2019/12/2018AB类功率放大器•A类放大器在100%的时间内导通•B类放大器在50%时间内导通•C类放大器在0~50%之间的某段时间内导通•AB类放大器在50%~100%时间内导通，效率与线性度在A类和B类之间19传统功率放大器性能比较输出电流类型导通角AABBC0~πππ~2π2π2019/12/2020D类功率放大器•输出端采用RLC串联网络•输入端保证了在一定时间内只有一个晶体管被驱动（一个晶体管工作在正半周，另外一个工作在负半周）输出变压器T2得每个初级终端被交替地驱动至地，在初级绕组两端产生一个方波电压当一个漏极电压为零伏时，变压器的作用使得另外一个晶体管的漏极电压为2VDD。输出滤波器则允许这一方波的基波分量流入到负载2019/12/2021D类功率放大器性能•晶体管如同开关，D类放大器的理论效率为100%•放大器归一化传递能力2019/12/2022VT1VT2T1LCRLECCC4D类和E类功率放大器简介1.D类功率放大器的原理分析D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路uiub1ub2ic1ic2uLuAub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=UCES2≈0uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高2019/12/2023E类功率放大器•采用高阶电抗网络提供足够的自由度来改变电压的波形，使得在开关导通时的值和斜率均为零，从而降低开关损耗。2019/12/2024E类功率放大器性能•输出功率•功率利用因子2019/12/2025F类功率放大器•利用电抗终端阻抗的特性改变开关电压和电流的波形来提高效率传输线的长度精确的选择等于载波波长¼，输入阻抗正比于终端阻抗的倒数2oinLZZZ2019/12/2026F类功率放大器•漏极在载波的所有偶次谐波处看到的是短路•漏极在载波的所有奇次谐波处看到的是开路•假设晶体管的工作像一个开关，那么电抗性的终端阻抗保证了漏极电压的所有奇次谐波都看不到任何负载，则在漏极会理想地产生一个方波电压。2019/12/2027F类功率放大器性能•输出功率•功率利用因子2019/12/2028PA的分类2019/12/2029PA的分类2019/12/2030PA的分类2019/12/2031各类放大器性能比较2019/12/2032功率放大器调制•调制方式•线性化技术2019/12/2033调制方式•恒包络调制方式信息仅调制载波的相位，而不改变载波的幅度，调制后信号波形的包络是一个常数。包括模拟频率和相位调制、数字相位和频率调制（PSK、FSK、GMSK〕等。•非恒包络调制方式信息仅调制载波的幅度（如模拟幅度调制和ASK调制〕信息同时调制载波的幅度和相位（线性调制方式〕，如QAM调制等。这两类调制方式都会改变载波的幅度，调制后信号波形的包络会随着时间而变化。2019/12/2034线性化技术•功率回退•漏极调制•包络反馈•前馈技术•预失真技术包络恢复与消除技术LINC技术极坐标反馈技术笛卡尔反馈技术偏置子适应技术Doherty技术2019/12/2035功率回退•功率放大器的输出功率通常被限制于1dB压缩点以下的能量范围内。•基本原理是：当输入功率减小时，各阶交调积成分和谐波成分都会以指数率减小，而输出功率仅线性减小，因此可以提高线性度。2019/12/2036漏极调制•利用功率放大器的电源端作为一个输入端，通过改变电源电压来改变功率放大器的输出功率，得到比直接在功率放大器输入端引入幅度调制信号更高的线性度。线性调制放大器M2非线性主放大器M1节点Vx的电压是电源电压Vdc和调制放大器的输出电压之和，它与输入信号幅度成线性关系。恒包络相位调制信号Vrf幅度调制信号Vmod2019/12/2037包络反馈•反馈信号是调制信号的包络。•基本原理：功率放大器的输出经解调器解调后，恢复出调制信号，反馈到系统的输入，与原始调制信号进行比较，比较后的误差量经放大和上变频后，送入功率放大器进行放大。这是一个负反馈系统，当环路传输增益大于1时，只要反馈回路是线性的，系统的线性度就可以得到改善。2019/12/2038前馈技术优点：a.可以大大改善功放的线性；b.它不损失器件的增益和增益带宽；c.第二个辅助放大器仅处理误差信号，噪声低、功率低，系统总的噪声性能没有因为多了一个功放而恶化；d.它是无条件稳定的电路，带宽较宽。2019/12/2039预失真技术•通过一个预失真模块给功率放大器的输入引入一定的失真。•预失真模块的幅度和相位随输入功率的变化曲线与功率放大器完全相反，级联后就可以得到一个与输入信号功率无关的常数增益和恒定相移。常用于数字基带和中频信号处理中，既可以工作于窄带，也可以工作于宽带。其中最常见的两种类型是：（1）映射预失真；（2）恒定增益预失真。常用的办法是建立一个数字查找表，它存储了不同输入功率下通过测量功率放大器的传输函数得到的增益和相位校准值，以输入信号功率作为索引，查找相对应的增益和相位校准量，控制预失真模块来补偿功率放大器的失真。2019/12/2040RF功率放大器设计•设计目标•A类放大器设计•E类放大器设计2019/12/2041设计目标•通信频率：1GHz•负载阻抗：50欧姆•功率：1W•输入电压：3.3V2019/12/2042设计举例•设计指标：用于1GHz的通信系统中的线性放大器，要求为50Ω提供1W的功率，电源电压为3.3V.•要求说明重要的器件参数，计算所有元件的值并估计漏极效率WRVPDD1.0502)3.3(222maxA类放大器的设计：（1）必须阻抗变换（2）（3）取负载为4Ω，则峰值RF电流将不超过Vdd/R=825mA=ID(4）漏极最大电流约为1.65A,晶体管的导通电阻为200mΩ以下。（对一个0.5umCMOS工艺，器件宽度为几个毫米。4.512)3.3(22max2maxPVRDD2019/12/2043设计举例%373.3825.010VAPPDCpFGHzCXnHGHzLXCL8.311251580.01255A类放大器的设计：（5）漏极效率：（6）根据滤波器的要求，Q=10带宽100MHzpFQRCnHQRLnHBFLXsoLBFL7.11113.24.3102504.641090132pFVoutRL=506.4nH3.3V0.8nH11.7pFVdrive2019/12/2044设计举例A类放大器的设计：带有偏置的完整的电路2019/12/2045设计举例AB类、B类和C类放大器的设计：2019/12/2046设计举例E类放大器的设计：10.4nH10.6pFC41n6nH3.3V5.8pFRL=50Vdrive)08.242.11)(447.5()447.5(1)2)(14(151221QQCCRRCQRLRLBFLC1C21nR3.3VVdrive2019/12/2047设计举例E类放大器的设计：选择Q＝10可得到10.4nH10.6pFC41n6nH3.3V5.8pFRL=50Vdrive阻抗变换：低通L匹配2019/12/2048设计实例2019/12/2049设计实例2019/12/2050作业•P.426第一题