（电磁场与微波技术专业论文）基于ldmos的doherty功率放大器的设计.pdf

摘要 摘要 随着现代无线通信技术的发展，通信产品已经广泛的融入了人们的生活中， 对人们的影响也越来越大。射频功率放大器作为无线通信系统中主要能耗器件之 一，其性能对系统终端的影响越来越受到重视。无线通信系统的标准由传统的 g s m 标准向第三代通信标准w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 转变，以及今 后的第四代通信标准l t e ( l o n gt e r me v a l u a t i o n ) ，信号的调制方式也随之发生改 变，由恒包络调制向包络变换调制方式转变。例如，在w c d m a 中采用的o f d m 包络变换调制方式，其传输功率有着较高的均峰比，来满足最大限度的增加系统 的容量，因此在保证线性度的前提下则需要功率放大器能够在一定的功率回退中 实现。但是传统的功率放大器在功率回退范围内的效率很低，因此，提高基站中 功率放大器在功率回退中的效率变得尤为重要。提高效率的方法有很多，d o h e r t y 功率放大器技术结构简单，性价比高等优势，成为基站功率放大器研究的热点。 本文详细介绍了功率放大器的基本理论知识，重点介绍了d o h e r t y 功率放大 器技术的基本原理和d o h e r t y 功率放大器工作状态分析以及非对称结构和多路结 构d o h e r t y 功率放大器的原理。并且详细介绍了d o h e r t y 功率放大器的设计过程， 分析了补偿线和辅助功率放大器偏置电压对d o h e r t y 功率放大器的性能的影响。 设计利用a d s 仿真软件平台以及f r e e s c a l e 公司的m r f 6 s 2 1 1 4 0 h 的l d m o s 器 件模型设计仿真了w c d m a 频段的d o h e r t y 功率放大器。通过与平衡式a b 类 功率放大器比较，得出d o h e r t y 功放在功率附加效率上的提高。为了弥补传统 d o h e r t y 功率放大器存在的缺陷，设计了采用不等分输入功率结构的非对称 d o h e r t y 功率放大器，使得d o h e r t y 功放的线性度和输出功率得到改善。 关键字：补偿线，d o h e r t y 功放，效率，非对称 基于l d m o s 的d o h c r t y 功率放大器的设计 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e p r o d u c t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nw i d e l ya p p e a r e da n dt h ee f f e c t sa r e g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np e o p l e sl i f e a sa m a i no fe n e r g yc o n s u m p t i o n d e v i c ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo fr fp o w e ra m p l i f i e ri s g e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni m p a c t e do nt h et e r m i n a ls y s t e m t h es t a n d a r do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nc h a n g e df o r mt h et r a d i t i o n a ls t a n d a r do f g s mt o3 gs t a n d a r do fw c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ，a sw e l la st ot h ef u t u r e 4 gs t a n d a r do fl t e ( l o n gt e r me v a l u a t i o n ) t h em o d eo fs i g n a lm o d u l a t i o na l s oh a s b e e nc h a n g e df o r mc o n s t a n t - e n v e l o p e s i g n a l st oe n v e l o p e - v a r y i n gs i g n a l s f o r i n s t a n c e ，t h et r a n s m i tp o w e r so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hu s i n go f d m o nw c d m ac a r r i e dh i 曲p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i os i g n a l s ，s ot h a ts i g n a l sc a l lb e s t r e n g t ht om a x i m i z es y s t e mc a p a c i t y o w i n gt os u c has y s t e mr e q u i r e m e n t ，i ti s c o m m o nf o rp o w e ra m p l i f i e r so p e r a t i n ga to u t p u tp o w e rb a c k o f ff r o mp e a kp o w e r u n d e r k e e p i n gl i n e a r i t y u n f o r t u n a t e l y ，t h ec o n s e q u e n c eo f t h i sr e q u i r e m e n ti st h a tt h e t r a d i t i o n a lp o w e ra m p l i f i e rw h i c ho p e r a t i n gi nr e g i o n so fb a c k - o f ff r o mp e a kp o w e r h a sl o we f f i c i e n c y s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp o w e ra m p l i f i e ri nb a s es t a t i o nt h a tt o e n h a n c eh i g h e re f f i c i e n c i e sa tb a c k - o f fp o w e ri nt h e s ea p p l i c a t i o n s t h ew a yt o e n h a n c ee f f i c i e n c yi sn o tj u s taf e w o w i n gt os u c ha d v a n t a g ea ss i m p l ys t r u c t u r ea n d l l i g hp e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o ，t h ed o h e r t yp o w e ra m p l i f i e rt e c h n o l o g yb e c o m e s h o t s p o ta tb a s es t a t i o n t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fp o w e ra m p l i f i e ra n d f o c u s e do nt h e b a s i cp r i n c i p l ea n dw o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i so fd o h e r t yp o w e r a m p l i f i e ra sw e l la st h ep r i n c i p l eo fa s y m m e t r i cd o h e r t ya m p l i f i e ra n dns e r i e s d o h e r t ya m p l i f i e r a l s ot h ed e s i g np r o g r e s so fd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ri sd e s c r i b e d a n dt h eo f f s e tl i n e s & t h eb i a sv o l t a g eo fp e a l 【p o w e ra m p l i f i e ri m p a c t e do nt h e p e r f o r m a n c eo fd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ra r ea n a l y z e d t h i sd e s i g nu s e st h er f s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d sa n dc o m b i n e dw i t ht h el d m o s ，m o d e lm r f 6 s 2 11 4 0 h f r o mf r e e s c a l ec o m p a n y ，id e s i g nd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ri nw c d m ab a n d t h e i i 些璺螋一 _ _ - _ - _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ 一一 s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ep r e s e n t e dt o d e m o n s t r a t et h ed o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r a d v a n t a g ei np o w e ra d d e de f f i c i e n c yb yc o m p a r i n gw i t h t h eb a l a n c e dc l a s sa b a m p l i f i e r i no r d e rt or e m e d yt h ed r a w b a c k o ft r a d i t i o n a ld o h e r t ya m p l i f i e r , id e s i g n a s y m m e t r i cd o h e r t ya m p l i f i e rw i t hi n e q u a l i t yi n p u tp o w e r s t r u c t u r ew h i c hm a k i n gt h e l i n e a r i t ya n do u t p u tp o w e ro fd o h e r t ya m p l i f i e ri m p r o v e d k e y w o r d s ：o f f s e tl i n e s ，d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r , e f f i c i e n c y , a s y m m e t r i c i l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功率放大器的概述 随着现代无线通信系统在近年来的飞速发展，无线通信系统的标准由传统的 g s m 标准向第三代通信标准w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 转变，以及今 后的第四代通信标准l t e ( l o n gt e r me v a l u a t i o n ) ，信号的调制方式也随之发生改 变，由恒包络调制向包络变换调制方式转变。无线通信在人们日常生活中已经无 处不在，例如无线局域网、无线接入系统( 蓝牙技术) 、卫星直播电视、手机等 等。可以看出无线通信系统高度集成化、模块化，它是集合接收发射系统、高频 电路、集成电路、无线通信标准等的集合体，其复杂程度可想而知。实现这一目 标主要依靠射频集成电路的发展和高速运算以及具有很高整合度的系统芯片，其 中射频电路的设计已经成为了无线通信系统中的设计关键【l 司。不断发展的通信 系统对射频电路设计有了更高的要求：成本低，体积小，功耗小等关键因素。 功率放大器则是无线通信系统的核心组成部分，决定了通信系统的好坏。例 如在c d m a 中，功率控制同时在基站和移动设备中执行。由于传输损耗和邻近 的信号干扰，处在基站信号覆盖的“死角 的移动用户单元需要更多的功率，而 功率控制则可以缓解这个问题，同样也能使邻近信号的干扰最小化。基站在接收 大量的移动设备的信号时，要最大限度的增加系统的容量，这就使得移动设备能 够在一个可变的范围内改变所传输的功率大小变的尤为重要。由于有这样的系统 需求，功率放大器在移动设备中的输出功率应该在从峰值功率功率回退1 0 4 0 d b 的范围内，但是，满足了这个条件，功率放大器大部分在这个功率范围内的的效 率却比较低。我们知道功率放大器是移动设备电池中的能量的主要消耗者，这就 使得功率放大器在功率回退范围内，获得更高的效率比延长手机电池的寿命变得 更加可行，因此，提高效率对功率放大器发展具有重要的意义。 提高效率的方法有k a l m 包络分离与恢复技术、使用非线性元件的线性放大 器技术、包络跟踪技术、d o h e r t y 技术等。其中d o h e r t y 技术相比前三种技术结 构简单，也不需要带有自适应的偏置电路模块，已经被广泛的应用于多种领域。 基于l d m o s 的d o h d t y 功率放大器的设计 1 2d o h o r t y 功率放大器的发展 在1 9 3 6 年，由贝尔实验室的w h d o h e r t y 提出了d o h e r t y 技术的概念，起 初是在真空管放大器中得到了应用，成为低平均效率的传统振幅调制提高效率的 替代品【4 1 。d o h e r t y 电路在引入射频电路中之后有了很大的发展，人们对它的关 注也越来越高。目前，d o h e r t y 功率放大器在通信基站中得到广泛应用，国内外 各大通信设备制造商为了提高效率都采用d o h e r t y 功率放大器结构，被认为是最 有发展前景的技术。 d o h e r t y 功率放大器在结构上从传统的对称结构发展了非对称结构d o h e r t y 功率放大器、多路d o h e r t y 功率放大器等来达到更好的效率；在线性度方面， d o h e r t y 技术从结合负反馈技术、前馈技术到结合预失真校正技术来提高线性度； 将开关类功率放大器与d o h e r t y 技术结合，提高单管效率的同时，对d o h e r t y 功 率放大器的整体效率有了进一步的提高：随着第三代半导体器件碳化硅( s i c ) 和 氮化镓( g a 以及氮化铝( 圳) 等的应用，凭借着其自身物理特性的优势，得到了 快速发展，成为功率放大器的研究热点，将第三代半导体功率放大器与d o h e r t y 技术结合将有利于效率的进一步的提高。 1 3 本文的主要内容安排 本文的主要工作是设计中心频率在2 1 4 0 m h z 的传统对称d o h e r t y 功率放大 器，并对传统的d o h e r t y 功放存在的缺陷进行改进，设计了不等分输入功率的非 对称d o h e r t y 功率放大器。 全文共五章内容，第一章主要介绍了功率放大器在现代通信系统中的地位和 作用，以及d o h e r t y 功率放大器的过去和发展趋势。第二章主要介绍了功率放大 器的种类包括以导通角分类的基本放大器的和开关类型放大器的基本原理，以及 放大器的指标参数。第三章介绍了提高功率放大器效率的几种技术，重点介绍了 d o h e r t y 技术的基本原理与d o h e r t y 功率放大器的工作状态分析。第四章详细介 绍了d o h e r t y 功率放大器的设计仿真以及补偿线和辅助功放栅极偏压对d o h e r t y 功放的影响，并对传统的d o h e r t y 功放的缺陷进行改进，设计仿真了的非对称 d o h e r t y 功率放大器。第五章总结了全文主要内容以及仿真设计的不足和改进。 2 第二章功率放大器的技术基础 第二章功率放大器的技术基础 设计一个功率放大器，首先要了解功率放大器的基本特性，工作模式等基础 知识。还要掌握功率放大器设计的基本步骤，包括：对选择的晶体管准确的建模， 保证工作状态下的稳定性，设计良好的阻抗匹配电路以及偏置电路等。一个优良 的功率放大器设计，要保证在稳定性满足前提下，实现高的效率以及线性度。这 些内容将在功率放大器具体设计的章节会陆续介绍。本章主要介绍了放大器的几 种基本工作类型，根据偏置条件的不同还对放大器进行了分类，如a 、a b 、b 、 c 类，以及开关型的高功率放大器d 、e 、f 类。还介绍了功率放大器的主要特 性参数如功率增益，效率等等。 2 1 功放的工作状态分类 功率放大器的类型有很多，包括a 类、b ( a b ) 类、c 类、d 类、e 类、f 类、逆f 类、s 类等【5 1 。不同的工作类型有着不同的效率、线性度以及功率输 出大小。他们工作的目的是为了实现放大器线性工作或者恒包络工作。线性功率 放大器包括a 、b ( a b ) 、c 这几类，它们之间的区别在于偏置条件不同，导通 角不同，虽然线性度比较好，但是效率一般较低，如图2 1 所示。开关型的高功 率放大器主要有d 、e 、f 类，这类的功率放大器的核心晶体管受输入电压控制， 类似于开关，当管芯导通时，源极、漏极两端才有电流，当晶体管导通达到饱和 时，其跨导很小，漏源两端的电压也很小，约为零，当开关断开时，漏源两端则 没有电流流通。因此，我们可以得知晶体管的功率消耗非常小，也就达到提高功 率放大器效率的目的1 9 。1 3 1 。下面就分别对这几类放大器的工作原理进行分析。 r , o a ( j u g 囊a a 蚺 图2 1 功率管：e 作导通角与效率之问的关系 3 基于l d m o s 的d o h a t y 功率放大器的设计 2 1 1a 类功率放大器 a 类放大器的结构如图2 2 所示，图中r f c 是理想的r f 射频扼流圈，它的 串联电阻为零并且在工作频率时有无穷大电抗的特征。而c b 则是隔直电容，和 r f c 相反，在工作频率时有电抗趋近于零的特征。该放大器是一个理想的电压 控制电流的有源器件，饱和电阻为零。 图2 - 2 a 类放大器结构图 工作在a 类的放大器，用m o s f e t 管型来说明，晶体管一直工作在放大区， 输入信号全部通过m o s 管被线性放大，而无任何失真，从图2 1 也可以看出， a 类放大器在整个周期内都是导通的，其导通角为3 6 0 。图2 3 显示了a 类放 大器工作信号传输特性曲线。因此处于a 类工作状态下的的放大器是线性放大 器【1 4 】【1 5 1 。 图2 3a 类放火器工作信号传输曲线图 4 第二章功率放大器的技术基础 晶体管输出漏极电流包含一个常数项和一个余弦项，其中是静态偏置 i n = l q + i s i n w t ( 2 - 1 ) 电流。输出电压为v = 一i r s i n w t ，可计算出漏极的输出功率是：最= 1 2 r 2 ，那么 可以得出漏极的效率为 刁2 每= 瓯1 2 r ( 2 2 ) 如果静态偏置电流l 和最大漏极电流相等时，则漏极输出电压最大振幅i r 与偏 置电压相等，那么可以得到最大效率： 刁一= 西i 蒜2 r = 瓦i r = i 1 = 5 。( 2 - 3 一)刁一2 西蒜2 瓦2 i 硝蝴 事实上，对于工作在大信号的a 类放大器，由于晶体管在趋于饱和与截止时 将显示出非线性，要想在一定的偏置下获得最大的信号输出，又要保持线性度， 就比较困难了，那么就需要减少输出信号的功率，来获得线性度了。 2 1 2b 类与a b 类功率放大器 b 类功率放大器只有一半的周期信号工作在放大区，导通角为1 8 0 。，为a 类放大器的一半，即晶体管一半处于导通，输出半个正弦波信号，另一半处于截 止状态。在静态时，b 类功率放大器没有功耗，因此b 类放大器的效率比a 类 放大器的效率高，如果设定负载是最佳值，理论上最大效率可达到7 8 5 。图2 _ 4 显示了b 类放大器的特性曲线，虽然效率上b 类放大器有所提高，但是线性度 比a 类要差些。 从图中我们可以知道b 类放大器的静态直流偏置点在截止点上，那么漏极电 流直流分量就为零，交流分量也就构成了漏极信号的电流。因此我们可以得到晶 体管的漏极输出的功率大小是： 兄= 7 1f 毫也西= 扣也( 2 - - 4 ) 其中是晶体管漏极电流的振幅，r 工是漏极输出端负载电阻。同样可以得到直 流在电路中消耗的功率为： 5 基于l d m o s 的d o h e r t y 功率放大器的设计 昂= t 1f 油= f ( 厶洲) 出= 。 ( 2 - 5 ) 由功率r 和昂就可算出b 类放大器的效率是： ，7 ：鱼：m d r l 。p d4 ( 2 - 6 ) 图2 - 4b 类放大器工作信号传输曲线图 当上式中漏极电流的幅值和输出电阻乘积等于偏压d 时，b 类放大器t 1 达 到最大值n 4 ，即7 8 5 。当b 类功率放大器工作在大信号情况或者趋于截止状 态下，电路的非线性变得异常明显，也就是说b 类放大器的效率越高，线性度 就变很差。相比与a 类放大器而言，b 类放大器电路的复杂度要高，效率要好， 线性度却低。 a b 类功率放大器的导通角正好位于a 类和b 类功率放大器之间，即在1 8 0 。和 3 6 0 。之间，也就是说a b 类放大器有超过一半的正弦周期信号通过晶体管是被 放大的。如图2 。5 所示为a b 类放大器工作信号传输曲线。 从图中我们可以看出a b 类功率放大器的直流偏置点选择是比较灵活的，在 a 类放大器和b 类放大器直流偏置点之间任意一点，那么同样可以知道a b 类放 大器的效率和线性度也是在a 类放大器和b 类放大器之间的。由于选择性比较 大，所以a b 类放大器的应用就比较广。 6 第二章功率放大器的技术基础 图2 - 5a b 类放大器工作信号传输曲线图 当放大器的电流的幅值在整个信号周期内有一部分位于零以下的时候，产生 的信号就是脉冲信号了，这时放大器在放大区和截止区轮流工作，如图2 - 6 所示。 在这种工作状态下的电流可以表示成： z 譬一- o 9 0 。时，那么- 1 0 ， o ，对应的工作模式为c 类。 基于l d m o s 的d o h e r t y 功率放火器的设计 坛船 o口万 2万tat 图2 - 6 器件工作在有源区和夹断区的电压和电流波形图 2 1 3c 类类功率放大器 从上面分析可以知道c 类功率放大器的导通角要小于1 8 0 。，也即整个自然 周期信号里只有不到5 0 0 5 的时间内在晶体管内是导通的。它是前面介绍的几种功 率放大器中效率最高的一个，但是线性度也是最差的。c 类功率放大器的电路原 理图如2 - 7 所示。 c 类功率放大器集电极电流是典型的脉冲电流信号，在导通角趋近于零的时 候，c 类放大器的效率也趋近于1 0 0 ，直流分量也变小了，同时基波分量也在变 小，因此，导致整个晶体管的输出能力降低了。图2 - 8 是c 类放大器的信号转移 特性曲线。c 类功率放大器的导通角有多方面因素决定的，比如功率管的自身特 性，偏置电压大小以及输入信号的振幅等。 厶 图2 7c 类放大器电路原理图 8 h f f l 、 细! tj ：一 ：i | k 耳；诬 _ - 、 码伪 图2 - 8c 类放大器工作信号传输曲线图 2 1 4 开关类功率放大器 有前面的内容介绍，我们知道功率放大器总是处在导通和截止这两种持续交 替的状态，在一个自然信号周期内，总有一部分信号达到最大电压，一部分达到 摄大电流，折中状态是不连续的。我们把在这个工作模式下的放大器设想为开关， 让电压和电流的最大值轮流的出现，因此称为开关类的功率放大器。在功率管导 通时即是所谓的“开 状态，功率管等效于短路，此时电流变为高电流，电压趋 近于零；功率管在截止时即是所谓的“关 状态，功率管等效为一个开路的开关， 此时的电压变为了高电压，而电流却为零。在开与关转换时，在理想情况下总是 认为在瞬间完成，然而在实际的情况中，不管开关是断开还是闭合都是需要一定 的时间的。 d 类、e 类、f 类功率放大器统称为开关类功率放大器。开关模式下的功 率管不管是断开或者闭合都只有高电压或者高电流，那么从功率的角度看，电流 和电压之积在任意一个时刻下都会变的很小，接近于零，因此，功率管的在理想 状况下不会消耗任何功率，其效率也可以达到1 0 0 。可实际上并非理想状态那 样，在开关过程中，虽然电压趋近于零，但是微小的饱和电压也会产生静态功率 消耗，并且在开和关的动作过程中，电流和电压的乘积也不在为零。通常d 类 功率放大器都是由两个功率管组成的。这两个功率管是轮流开与关，效率也因此 有所提高，但是功率管在开关转换的瞬间，会出现两个功率管同时被导通或者同 9 基于l d m o s 的d o h e r t y 功率放大器的设计 时被截止的状况，这就会由于二次击穿使功率管损坏，因此工作在d 类模式下 的功率放大器的发展在一定程度上受到制约【1 6 1 。 与d 类功率放大器不同，e 类和f 类工作模式下的功率放大器只需要一个功 率管即可，也就没有这方面的制约，同样使得e 类和f 类功率放大器的功率和 效率都有显著的提高。下面将分别来介绍这三种开关模式下的放大器。 ( 1 ) d 类功率放大器 d 类放大器首次提出于1 9 5 8 年，经过长期发展，已经得到了很大的进步。 在传统d 类放大器中，放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热 器，且降低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的a b 类放大器相比，它们 本身也存在固有的成本、性能和e m i 方面的问题，解决这些问题也就成为d 类 放大器的发展新趋势。 d 类功率放大器主要有以下三种拓扑结构：互补电压型d 类功率放大器 ( c o m p l e m e n t a r yv o l t a g e s w i t c h i n gc l a s sd ) 、变压器耦合电压型d 类功率放大器 ( t r a n s f o r m e r - e o u p l e dv o l t a g e s w i t c h i n gc l a s sd ) 、变压器耦合电流型d 类功率放 大器( t 舢f 0 珊e 砌u p l e dc u r r e n t - s w i t c h i n gc l a s sd ) t 1 7 1 。其原理是一样的。下面 简单介绍互补电压型d 类功率放大器的工作原理。 互补电压型d 类功率放大器电路如下图所示，其中的两个功率管为互补的， 一个n 沟道和一个p 沟道的f e t ，他们都分别处于开关模式状态下工作。 由于功率管在整个信号周期内是交替开关的，我们可以先假设在信号的前半 个周期内的开关的初始状态分别是上面的功率管也即s 1 是断开状态，下面的功 率管也即s 2 是闭合状态。因此可以分别得到两个功率管的初始电压值为 ：( d = 0 ，。( d = ，即是电源提供的电压。同样的道理，当信号进入后 半个周期内时，s 1 处于闭合状态而s 2 处于断开状态，此时：( d = ，而 ，( d = 0 。因此我们可以知道在整个信号周期内的两个功率管的电压值一直等 于电源电压为： 1 ( 目) + 2 ( 口) = ( 2 1 1 ) 1 0 第二章功率放大器的技术基础 图2 - 9 互补电压型d 类功率放大器 其中两个功率管的电压可以分别写成如下形式： 嘣回= 0 鬟三 ( 2 - 1 2 ) f00 0 石 仰2 万秒 2 万( 2 - 1 3 ) 从图中可以看出输出网络中有串联l c 电路的谐振网络，在l c 谐振单元的 q 值达到一定大值时，输出端的电流变成了连续的电流信号，i o ( o ) = i o s i n ( o ) ， 根据上面两个电压表达式，我们可以得到电流信号分解成如下的电流函数： 味印= 一芝刚，篓五 ) = f o o 跏万0 秒0 2 t r 万 由上面的电流电压方程我们可以得出互补电压型d 类功率放大器的信号图 如下。从图中可以看出无论是n 沟道还是p 沟道的功率管，在任意时刻其电流 和电压的乘积一直为零，因此功率管本身不产生功率消耗，直流源产生的直流功 率也讲全部转移到负载阻抗上，变成交流功率。 d 类放大器输出m o s f e t 可能是完全闭合或者完全断开的。其效果在于减 小功率管本身的功耗，并增加放大器的效率。但是，开关时间和非交换时间中总 基于l d m o s 的d o h c r t y 功率放大器的设计 会有损失( 开关损耗和传导损失) ，导致d 类放大器的效率不在是1 0 0 。 ( 毋 ( 0 9 珞 一珞 ：( 毋 t 0 2 徊) 珞仰 一屹 万 2 石 口 图2 1 0 互补电压型d 类功率放大器电压电流波形图 出现开关时间中的损耗是由于功率管的上升时间和下降时间大于零。出现这 种情况有一下两个原因：第一，输出晶体管不能瞬时交换，从漏极到源极的通道 要求一段特定的形成时间。第二，晶体管栅源电容和寄生电阻的痕迹形成r c 时 间常量，也增加了上升和下降时间。在非开关时间中的功耗是由于每个功率管 的r d s ( o f 0 和晶体管中的电流导致的。 ( 2 ) e 类功率放大器 e 类功率放大器克服了d 类放大器的限制，采用高阶电抗网络作为输出端回 路来改变开关电压波形的变化，使得开关在切换的瞬间功率管两端的电压为零， 从而使开关本身的功率损耗降低。e 类功率放大器具有以下拓扑结构：具有并联 电容的e 类，具有并联电感的e 类，具有串联电容的e 类以及具有串联电感的e 类【1 8 1 【1 9 】这四种结构。 并联电容型的e 类功率放大器，其结构简单而且效率很高，已经被广泛的利 用，从不同的频率范围到不同的功率范围都有有效的应用。其基本电路原理图如 下所示。其中具有并联电容的e 类功率放大器输出网络有串联l c 调谐电路连接 负载r 上，以及与功率管串联的电感l 和并联的旁路电容c 组成。这个并联的 1 2 第二章功率放大器的技术基础 旁路电容c 是由功率管内部的寄生电容和输出网路中的另一个电容一起组成， 它的作用就是保证功率管漏极有电压时，电流无法从功率管内部通过。假设功率 管为理想器件，功率管漏极的电压由处于通断的开关状态下的输出网络的瞬态响 应决定的。 图2 - 1l 具有并联电容的e 类功率放大器基本电路原理图 为了简化对并联电容的e 类功率放大器的分析，引入了下列必要的假设： l ：开关动作是瞬间的而且没有功率消耗，在功率管饱和状态下电压为零， 饱和电阻也为零，开阻抗为无穷大。 2 ：并联旁路电容c 要求为线性的器件。 3 ：r f c 中只有直流电流才能流过，直流阻抗等于零。 4 ：串联的l c 调谐电路调频为基频，其有载品质因数要非常大，输出端的电 流信号为正弦信号。 5 ：在负载网络中，除了负载r 是功耗器件，无其他功耗器件。 6 ：工作在占空比为1 ：2 的最佳模式下。 在这种假设前提下，e 类功率放大器工作在无耗模式下，经过分析，我们最 终得到漏极的电压和电流方程，假设在前半个周期信号内开关是处于闭合状态， 若开关处于断开状态，分析雷同。那么在万w t 2 x 时间内漏极的归一化电压 方程和在0 w t 石的时间内漏极的归一化电流方程分别如下所示： 警- 石( w t 一等一考痂们 22 。、 1 3 基于l d m o s 的d o h e r t y 功率放火器的设计 掣：w 卜一3 7 f 一兰c o s w t - - s i n w f ( 2 - 1 7 ) id q22 h i d o 图2 1 2 理想的并联电容型e 类功率放大器的归一化特性曲线 上图给出具有并联电容的理想e 类功率放大器的归一化特性曲线，我们可以 看出，在开关闭合的状态下，开关两端的电压为零，输出电流由电源直流电流部 分和输出网络的交流电流部分构成，在开关断开的状态下，开关两端的电压不在 为零，电流从并联的旁路电容经过。由此，我们可知功率管本身无功率消耗，则 理想的效率为1 0 0 ，事实上，由于谐波抑制需要足够大的品质因数，从而是限 制了效率的提高。 ( 3 ) f 类功率放大器 从前小节我们知道，e 类功率放大器采用高阶电抗网络作为输出端回路来改 1 4 第二章功率放大器的技术基础 变开关电压波形的变化，但是在实现过程中发现并不是很好，因此，提出利用一 个谐波振荡网络来实现开关电压和电流的变化，就形成了f 类功率放大器。f 类功率放大器可以使用旯4 无功率消耗的传输线和高q 值的谐波振荡网络的并 联来实现，其基本电路如下图所示。 在谐波振荡网路的基频情况下，漏极输出的是纯阻抗特性，通过a 4 的传输 线传递给负载z o ，那么输出的电阻值r l 可以根据负载阻抗值来决定【2 0 】。传输线 阻抗为z o 时，漏极输出电阻吃= z 。，而l c 谐波振荡网络相当于开路状态。 理想的f 类功率放大器的效率为1 0 0 ，其阻抗条件除了基波下的纯阻抗特 性外，在偶次谐波下阻抗特性应该为零，在奇次谐波下的阻抗特性相当于开路， 为无限大。对于这样的阻抗条件下，可以得到理想状态下的电压与电流的波形， 如图2 1 4 所示。漏极的电压波形由奇次谐波的总和构成等效为方波，漏极电流 波形由基波和偶次谐波的总和构成等效为半个正弦电流波形。电流和电压不会同 时出现，才能实现1 0 0 的高效率。当前f 类功率放大器成为研究的热点之一。 v l m 图2 1 3 理想f 类功率放大器电路图 r i 号历 t 图2 1 4 理想f 类功率放大器电压和电流波形 1 5 基于l d m o s 的d o h e r t y 功率放大器的设计 2 2 功放的性能指标 评价一个功率放大器的好坏的标准，则是通过测试其指标能否达到要求。在 设计的过程的就应该考虑到这些指标，下面就来简单介绍下各种性能指标。 2 2 1 效率 效率是衡量功率放大器的一个重要指标，它是功率放大器将电源的直流功率 转化为输出交流功率的的指标。在实际的功率放大器中，由于存在功率管本身以 及功耗器件的功率消耗，从能量守恒的角度讲，能转移到负载上的交流功率被消 减。为了量化这种转化的比例，提出了效率的定义。效率的定义有漏极效率t 1 ， 功率附加效率p a e ( p o w e r - a d d e de f f i c i e n c y ) 和综合效率1 2 1 - - 种。 漏极效率t 1 的定义为输出的交流功率与消耗的直流功率之比。 r - 篓慧x l o 蝴 ( 2 - 1 8 ) 丽 o 【2 1 劲 功率附加效率p a e 的定义为输出交流功率去掉输入交流功率后与消耗的直 流功率之比。 p a e - 型警蠡学枷。 且况功率 综合效率的定义是输出交流功率与直流和输入功率之比。 7 7 = 赢裂枷。 ，j = 一x _ u 7 n - 一z - ，删直流功率+ 输入射频功率一 r 7 2 2 2 功率增益与平坦度 功率放大器的功率增益分类多，如转换功率增益g r ，工作功率增益g p ，资用 功率增益吼以及最大资用功率增益m a g 圆圆幽等。在实际使用中，使用最多 的是工作功率增益来计算输入转移到负载上的功率。 1 6 第二章功率放人器的技术基础 转换功率增益的定义是消耗在有源负载上的功率与电源的资用功率之比： g r = ( 2 - 2 1 ) 工作功率增益的定义是消耗在有源负载的功率和输入功率之比： g e = ( 2 勃) 资用功率增益的定义是器件输出功率和电源资用功率之比： g = ( 2 2 3 ) 最大资用功率增益m a g 的定义是器件反向转移导纳为零时的理论上的功率 增益，这是有源器件能达到的理想最大增益值口4 1 。 增益平坦度a g 是描述增益在工作频率范围内波动的反映。用在工作频率范 围内最大增益值和最小增益值的差值的半来表示，单位d b 。 2 2 3 稳定性 稳定性对功率放大器的设计非常重要，设计功率放大器的目的在于对一定的 输出功率下获得最大功率增益和效率，而稳定性是实现这一目的的前提条件。如 果功率放大器设计不稳定，则就会产生振荡，导致输出信号失真。放大器不稳定 的原因有有源器件自身的寄生电容，和通过有源器件共地的电感，也可以通过外 部器件有输出正反馈到输入产生阱l 。所以，对于任何功率放大器，稳定性实现 是其能够正常工作的必要条件。 将功率放大器等效为一个有源双口网络，那么放大器无条件稳定的条件是输 入输出的反射系数绝对值要小于1 ，即： l = s l 。+ i r o w l 书+ 0 ) ( 2 - 2 4 ) o )( 2 2 5 ) 其中源与负载的反射系数i r s l 1 ，忆i - ， ，1 i 、7 其中a = s ，- s , ：鼢，i a l l ，那么放大器也可以处于绝对稳定状态。 当功率管在工作频率范围内存在不稳定现象，则需要采用一定的稳定电路来 调节，一般情况下，可以通过在输入端或者输出端添加并联或者串联电阻来加以 调节，使得电路稳定性得以改善。在电路中串联电阻是较常用的方法，简单有效， 但是会消耗功率，降低了功率增益。 2 2 4 交调失真 放大器在双音输入的情况f ，输入两个不同频率的等幅电压信号，频率分别 为z ，厶，假设该输入信号为： 圪= a ( c o s w l t + c o s w 2 f ) ( 2 2 7 ) 那么可以得到输出信号为： = ( k o - i - k 2 a 2 ) + ( 墨“三k 3 ) ( c o s w l h c o s w 2 t ) 1 + 丢k 2 4 2 ( c o s 2 w l f + c o s 2 w 2 d + 妫么3 ( c o s 3 w , f + c o s 3 w 2 t ) ( 2 - 2 8 ) + k 2 a 2 c o s ( w 2 + 嵋) ，+ c o s ( w 2 一嵋) ，】 + i k 3 a 3 c o s ( 2 w 2 一m ) ，+ c o s ( 2 w 1 一心) 以 + 输出信号是由于放大器的非线性引起的，产生的第一项是直流分量，第二项 是基波信号，这个才是放大器真正要放大的信号，第三和第四项分别是2 倍频和 3 倍频，第五和第六项分别是二阶交调和三阶交调( i m 3 ) 分量，后面还有五阶 交调( i m 5 ) 分量等等，这些频率可以表示为嘲，畈，在所有的这些频率信号中 工作在放大器频率范围内除了三阶交调( i m 3 ) 分量以外还有五阶等更高奇次阶 数的交调分量，由于三阶交调( m 3 ) 分量的功率比五阶交调( n v l 5 ) 分量的功 1 8 第二章功率放人器的技术摹础 率要大的多，而且三阶交调( i m 3 ) 分量离基波频率信号离得很近，滤波器有很 难将其滤除，所以在表示非线性失真时，一般只考虑三阶交调( 蹦3 ) 分量功率 的大小，后面的奇阶交调分量就不用考虑了。其频谱如下图所示，因此由交调分 量产生的非线性失真称为交调失真i m d ( i n t e r m e d i a t i o nd i s t o r t i o n ) 。其中最重要 的是三阶交调失真i m d 3 ，它可由基波功率和三阶交调( 蚴) 分量功率的差值 来表示，单位d b c 。 3 ff j1j2 j l 2 z 一厶2 a 一石 、 i m d 3 r jlj 五- ；2 a 3 a g - 2 f , l i l 图2 - 1 5 信号输出的频谱分析 知道了交调分量，就可以确定功率放大器的交调截断点( i n t e r c e p tp o i n t ) 2 6 1 了，交调分量和交调截断点是一一对应的。交调截断点的定义是功率放大器输出 的基波信号的电平与交调分量的电平相同的点，但是事实上这两个信号的电平不 会相交，而是把交调分量的功率曲线和基波功率曲线的线性部分的延长线的交点 称为交调截断点，如图2 1 6 所示。其中交调截断点中最重要的是三阶交截点 ( 疋3 ) ，和三阶交调成对应的关系。在输入功率下定义为i i p 3 ，在输出功率下定 义为o i p 3 。 从图中我们可以分析出o i p 3 = + i m d 3 2 ，其中为放大器基波信号的 功率大小。因