（电路与系统专业论文）基于doherty理论的l波段40w功放研究.pdf

摘要 摘要 功率放大器是通讯系统中最重要的模块之一，随着无线通讯技术的发展，对 功率放大器的性能要求也越来越苛刻，在现代无线通讯系统中，由于无线带宽异 常紧张，各种新技术要求在很窄的频段内传送尽量多的数据，这就必须有复杂的 调制方式，而这些方式又往往要求信号有大的动态输入范围，因此对功率放大模 块的线性度有很高的要求，在大多数的现代的调制技术，如w c d m a ，都运用了非恒 包络调制方式，并且峰值和平均值相差较大，为了满足线性度的要求，则往往采 用一定的功率回退的方法来达到线性度的提升，随着功率的回退，放大器效率的 效率如功率附加效率也会大大的降低。同时又因为实际应用中，功率放大器为大 功耗元件，为了延长通讯系统电池供电的时间和提高器件可靠性的目的，对放大 器效率也提出了很高的要求，本文介绍的d o h e r t y 技术可以较好的解决功率放 大器中所遇到的这两个问题。 本文重点为4 0 瓦l 波段d o i - i e r i q c 固态功率放大器的研制，对放大器设计中 所涉及的如匹配技术，d o h e r t y 理论，以及偏置电路的设计等问题都做了详细 的研究讨论，重点是结合射频仿真软件a d s 和飞思卡尔l d m o s 功放管软件包， 将负载牵引法和仿真软件相结合，根据设计要求来灵活的改变匹配状态，最终达 到一个最佳的设计，同时，提出了一种改善d o h j r t y 电路性能的新的方法，解 决了某些功放不适合d o h e r t y 电路中应用的问题，并通过仿真来进行了分析。 最终设计出实物来验证此方法的可行性。 本文主要内容分为6 个章节，第一章为绪论。第二章节介绍功率放大器的分 类以及主要的技术指标。第三章节对d o h e r t y 功放( d p a ) 进行理论的推导和相关 射频电路和理论的介绍。第四章根据理论进行d o i - i e 刚放大器的仿真设计，着 重阐述了负载牵引法在软件仿真中的运用。第五章着重阐述d o h e r t y 放大器设 计中所遇到的部分放大器不能用于d o f i e r t y 电路这一问题并给出一种新颖的解 决方案，并通过仿真对比其改进前后的结果。同时对d o h e r t y 电路的从放大器 偏置偏置电压对放大器线性度、效率、增益的影响进行了分析。并将“包络跟踪” 理论应用于d p a 以提升在大功率输出时d p a 线性度。第六章结论对整篇文章进行 了整体的概括。 中文摘要 关键词：d o h e r t y 线性度负载牵引功率附加效率 a b s t r a c t t h ep o w e ra m p 蛳e m a ) a r et h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tb l o c k si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ew 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 yd e v e l o p m e n tn e e d s t h eb e t t e ra n db e t t e rp e r f o r m a n c e so fp ai nt h ep r e s e n t - d a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，s p e c t r u mi se x p e n s i v e , a n dn e w e rt e c h n o l o g i e sd e m a n dt r a n s m i s s i o no f m a x i m u ma n a o u n to fd a t aw i t hm i n i m u ms p e c t r u mu s a g e t h i sr e q u i r e sc o m p l i c a t e d m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，f o re x a m p l e , w c d m a , i tl e a dt ow i d e ，d y n a m i cs i g n a l st h a t r e q u i r el i n e a rp a a l t h o u g hl i n e a ra m p l i f i c a t i o ni sa c h i e v a b l e e f f i c i e n c ys u c ha sp a ei s a l w a y s s a c r i f i c e d b yt h el i n e a r i t yi m p r o v e m e n t m o s to f t h em o d e mw i r e l e s s a p p l i c a t i o n sa r eu s e do fn o n - c o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sw i t hah i g hp e a l 【 t oa v e r a g er a t i o l i n e a r i t yi sac r i t i c a li s s u e ，p o w e r 锄叩船e 硌i m p l e m e n t e di ns u c h a p p l i c a t i o n sa r ef o r c e dt oo p e r a t ea tab a c k e do f fr e g i o nf r o ms a t u r a t i o n t h e r e f o r e , i n o r d e rt oo v e r c o m et h eb a t t e r yl i f e t i m el i m i t a t i o na n dp a sm t b f , ad e s i g no fah i g h e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f i e ri sn e c e s s a r y t h ed o h e r t yt e c h n i q u ec a l lb eg o o df o r r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s a4 0 wlb a n dd o h e r t yp aw i l lb ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h et e c h n i q u e s r e l a t e dt ot h ep ad e s i g ns u c ha sm a t c ht h e o r y ，d o h e r t yt h e o r y ，l o a dp u l lt h e o r ya n dt h e b i a st h e o r yw i l lb ea r g u e da n dr e s e a r c h e d a n dt h ew a yw h i c hu s e st h el o a dp u l lt h e o r y a n dt h ef r e e s c a l e sl d m o sp as o f t w a r ep a c ki nt h ea d sw i l lb es t r e s s e d i nt h i sw a y , t h em a t c hc a nb ec h a n g e db yd i f f e r e n c ed e m a n dt oc o m et oa no p t i m a ld e s i g n a tt h e s a m et i m e u s ean o v e lt h e o r yt os e t t l et h eq u e s t i o ns o m ea m p l i f i e r 啪tb eu s e di nt h e d o h e r t y c i r c u i ta n dt e s tt h i st h e o r yb ya d ss i m u l a t i o n t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri se x o r d i u m i nt h es e c o n d c h a p t e rt h ec l a s s e so fp ao p e r a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sw i l lb ei n t r o d u c e d i nt h e t h i r dc h a p t e rt h ed o h e r t yt h e o r ya n dt h er e l a t e dr ft h e o r yw i l lb ea n m y z e di nd e t a i l i n t h ef o u r t hc h a p t e rt h ed o h e r t yp aw i l lb ed e s i g n e da n ds i m u l a t e do nt h ea d sb e n c h , a n dt h el o a dp u l lt h e o r yw i l lb eu s e di nt h i sc h a p t e r i nt h e 丘f t hc h a p t e rt h ew a yw h i c h c a ns e t t l et h eq u e s t i o ns o m ea m p l i f i e rc a l l tb eu s e di nt h ed o h e r t yc i r c u i tw i l lb e i n t r o d u c e da n dt e s t e d , a n di n f e c t i o no fa u x i l i a r yp a sb i a s 鲥dv o l t a g et ol i n e a r i t y , p a e m a n dg a i nw i l lb ea n a l y z e d a tt h es a m ct i m e e n v e l o p et r a c kt h e o r yw i l lb eu s e dt o i m p r o v et h el i n e a r i t yo fd p a s i x t hc h a p t e ri sc o n c l u s i o n k e y w o r d s ：d o h e r t y , l i n e a r i t y , l o a dp u l l ，p a e - - 图目录 图目录 图2 - 1 功放工作状态转移曲线 4 图2 - 2 a 类放大器转移特性曲线5 图2 - 3b 类放大器转移特性曲线 图2 - 4a b 类放大器转移特性曲线 图2 - 5 功放效率分析波形图 图2 - 6 最大效率和相对功率输出能力相对于占空比的变化曲线 图2 7 增益平坦度示意图 图2 - 8a m a ma m p m 失真。 图2 - 9 理想的放大器a m a m 和a m p m 曲线 7 1 0 1 2 图2 1 0 双音互调失真谱 图2 1 1 截断点1 1 3 ，l d b 压缩点示意图 图3 - 1 传统k a h n 模拟包络分离和恢复方案 图3 - 2 采用d s p 技术的直接变换方案。 1 3 1 4 图3 3 模拟控制功放包络跟踪方框图2 0 图3 _ 4l i n c 功率放大系统2 0 图3 - 5l i n c 相位合成 图3 - 6d o h e r t y 原理框图 图3 - 7 有源负载牵引原理。 图3 8 高频段有源负载牵引原理 图3 - 9d o h e r t y 功放工作原理图 图3 1 0d o h c r t y 功率合成示意图。2 5 图3 - 1 1 三种工作状态分析 图3 1 2 理想d o h e r t y 放大器和b 类放大器效率对比 图3 1 3 多级d o h e r t y 功率放大器结构框图2 8 图3 1 4 不同d o h e r t y 功放结构的效率 图4 1 直流偏置扫描 图4 _ 2 ，o 书稳定性判断 图4 - 3m r f s s l 9 1 0 0 h 参考源阻抗和负载阻抗 图目录 图4 - 4 a d s 负载牵引仿真实例 图4 5 改进的负载牵引流程图 图4 6 采用迭代的方式获得的h 姬和最大功率输出3 7 图4 7 采用a d s 原有模板获得的p a e 和最大功率输出3 8 图4 - 8m r f 5 s 1 9 1 0 0 h 输入输出级的匹配 图4 - 9 采用s m i t h - c h a r t 对输入进行匹配 图4 - 1 0 a d s 优化后的偏置网络和源阻抗匹配电路 3 9 3 9 图4 - 1 1a d s 优化后的偏置网络和负载阻抗匹配电路，如 图4 - 1 2 偏置网络的设置 图4 - 1 3 完整的放大器设计4 l 图4 - 1 4 增益和p a e 随输出输入信号变化示意图 图4 - 1 5 增益随频带变化 图4 - 1 6d o h e r t y 并联匹配图 4 2 图4 - 1 7 延迟线设置示意图 图4 - 1 8 完整的d o h e r t y 仿真电路 图4 - 1 9d o h e r t y 电路和平衡放大器p a e 的对比 4 3 图5 1 不同输入阻抗加延迟线的效果4 6 图5 2d o h e r t y 电路框图 图5 - 3d o h e r t y 并联匹配图 图5 4 优化后的d o h e r t y 设计。 图5 5 优化前后p a e 和从功放泄漏功率对比 图5 - 6 评估板功放效率图 。4 8 4 8 图5 - 7d p a 增益仿真5 1 图5 - 8d p a 非线性仿真5 2 图5 - 9d p a 和平衡式p a 三阶交调对比 图5 1 0 栅极电压变化对g v t 3 的影响 图5 1 l 栅极偏压对i m 3 的影响 5 2 图5 1 2 从放大器栅极偏压对增益和p a e 的影响5 5 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书而使用过的材料。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： 日期：z 彩7 年尹月f f 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： 导师签名：兰董兰至兰 e l 期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 随着现代无线通讯技术的发展，射频功率放大器作为发射机中最重要的部分 之一也得到了越来越广泛的重视和研究，在现代无线通讯的发展中，由于无线带 宽有限，而导致带宽异常紧张，各种新的调制技术，如w c d m a , q a m ，o f d m 等 都采用了复杂的调制方式来减少带宽的占用，在这些技术的应用中，恒包络调制 方式被摈弃，射频信号的峰值和平均值相差较大，功率放大器有着很大的输出动 态范围，这对放大器的线性度提出了很高的要求，而线性度的提升往往以功率回 退的形式来得以实现，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低。即便现今 的预失真和前馈等线性化技术得到了长足的发展，一定程度的减少了放大器功率 回退的幅度，但考虑到可靠性等因素，功率放大器必须降额使用，也会导致功率 放大器效率的降低，而效率对于功率放大器而言是一个及其重要的指标，功率放 大器作为无线通讯系统中最大的耗能元件，效率的高低直接关系着功率放大器和 整个系统的稳定性，为了延长通讯系统电池供电的时间，对功率放大器的效率也 提出了很高的要求。更高的功放效率不仅能够节省电费，还可以节省电源等配套 设施的投资，而且可以使生产工艺的简化，降低了整机散热的要求，增加了设备 的稳定性，使网络性能更好。 d o h e r t y 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升的 问题，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，d o h e r t y 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而 获得高效率。d o h e r t y 放大器包括两个部分：一个载波放大器c ( c a n i e 0 ，一个峰 值放大器p ( p e a k ) 。它们的合成输入输出特性的线性区比单个放大器的线性区有较 大地扩展，从而在保证信号落在线性区的前提下获得了较高的效率。d o h e r t y 技术 需要与其他线性化技术如d p d ( 数字预失真) 技术配合使用，当与d p d 技术配合 使用时效率可达2 7 以上。根据华为采用此项技术研究设计的新一代基站功放， 除了功放效率得到很大提高外，还具有体积小、可靠性高和成本低的优势，具体 见表1 。在耗电方面，一个3x1 配置的基站采用传统技术的典型功耗为15 0 0 w ， 而采用新一代技术的功耗为7 6 0w 。对于一个50 0 0 个基站的w c d m a 网络，按 一年时间计算，采用新一代基站比传统基站节省电费如下： 节省的电费= 功耗差值基站数目电费单价全年的小时数= ( t5 0 0 7 6 0 ) 5 0 0 0 x 0 7 l - 1 电子科技大学硕士学位论文 0 斟3 6 5 = 2 26 8 84 0 0 元 表1 1 新一代基站功放和传统功放的技术比较 技术类技术成技术难功放效是否获生产难体积可靠性 成本 型熟度度 窒 得商用度 基于前成熟 中低于是难大低高 馈技术 1 0 的功放 基于步入成 难 高，典是易小高 低 d p d 技熟型值 术的功1 9 放 基于试验阶难高，典 否 易 小高低 d p d 加段型值 d o h e r t y 2 7 技术的 功放 本课题是实现一个4 0 瓦l 波段d o h e r t y 固态功率放大器研制，其主要指 标为： 1 平均输出功率4 0 w ，峰值功率1 0 0 w ； 2 工作频率1 8 4 5 m ，带宽柏m ； 3 在4 0 w 输出功率下，p a e 大于3 0 ； 4 带内平坦度小于i d b ； 5 增益大于1 2 d b 。 本课题的难点为： 1 d o h e r t y 射频放大器公开实际电路参考资料很少，各公司如p o w e rw a v e ，华 为，b t i , 虽有基于d o h e r t y 的产品，但详细资料都未公开； 2 对效率的要求很苛刻； 3 采用的l d m o s 管在普通的d o h e r t y 电路中使用效果不佳。 本设计中，主要完成的工作是： 1 整体方案的论证和规划； 2 采用a d s 对方案进行仿真设计； 3 具体规划和设计模块电路，完成各p c b 模块的设计，主要包括前级驱动模块和 主功放模块； 4 投版完成实物设计。 2 第一章绪论 本论文的主要创新点为： 。 1 完成了实物的大功率d o h e r t y 功率放大器设计； 2 提出了一种新的方法，解决了部分功率放大器在d o h e r t y 电路中使用不佳的问 题； 3 采用a d s 仿真工具，结合f i e e s c a l e 的功放软件包，将负载牵引法和仿真软件 相结合，根据设计要求来灵活的改变匹配状态，最终达到一个最佳的设计； 4 讨论了l d m o s 管栅极偏置在d o h e r t y 电路中应用中对效率和线性度的影响。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章功率放大器原理指标简介 2 1功放工作状态分类 功率放大器根据工作状态可分为a 类，a b 类，b 类，c 类，d 类，e 类功放 【1 】，在功率放大器的运用中，工作状态的确定和放大器的非线性和效率有着密切的 关系，在本文d o h c r t y 功率放大器的设计中主要涉及到a 类，a b 类，b 类和c 类 功放，如图2 1 所示，下文就对这四种状态结合l d m o s 管给出一个简单介绍。 2 1 1a 类功率放大器 图2 - 1 功放工作状态转移曲线 在a 类工作状态下，l d m o s 管总是工作在放大区，在此中情况下，功率管 的输入信号一周内都是导通的( 放大区) ，或即导通角为3 6 0 度。如图2 - 2 所示， 直流偏置点一般设置在截至点和饱和点中点附近，a 类放大器和其他类型的放大 器相比能够提供最佳的线性度，但缺点是效率较低。 4 第二章功率放大器原理指标简介 图2 - 2a 类放大器转移特性曲线 2 1 2 b 类功率放大器 l d 丑响琳 i ) 2 图2 - 3b 类放大器转移特性曲线 5 电子科技大学硕士学位论文 在b 类工作状态下，功放只有半周期工作在放大区( 导通) ，另外半周期截至， 即导通角为1 8 0 度，b 类功放在静态时电源不消耗功率，因此效率较a 类放大器 大大提高，理论上可达到7 8 5 。在b 类工作状态下，直流偏置点设置在截至点 上，如图2 3 所示，这样会和a 类放大器相比必然导致线性度的降低。 2 1 3a b 类功率放大器 b 类功放的效率虽然高于a 类功放，但非线性失真却比a 类功放大，尤其是 输入信号较小时，b 类功放的非线性失真严重，这是因为导通电压所致的交越失真， 为了解决这一问题，可将功放管设置一定的放大偏置，使功放管工作时导通时间 在半个周期以上( 导通角大于1 8 0 度) ，如图2 3 所示，此类功放称之为a b 类功 放，a b 类功放失真小于b 类功放，效率小于b 类功放。 图2 - 4a b 类放大器转移特性曲线 2 1 4c 类功率放大器 功率放大器的导通时间小于半周期的功放管称为c 类功放，在此中放大器中， 导通角小于1 8 0 度，虽然c 类放大器在四类放大器中非线性失真是最严重的，但 是其效率最高，在射频电路中结合选频电路也得到了广泛的应用。 6 第二章功率放大器原理指标简介 2 2 功率放大器效率计算 v 瑚( 0 ) v 邻( 0 ) v d q i o q i q l 嚣a z 兀 、矗。 i。f二一；。二_一一一一一一 我们考虑一般情况， 极电流波形占空比( 目为： k 。三x 1 0 0 托 图2 - 5 功放效率分析波形图 电压电流波形如图2 5 所示，导通角为2 x ，同时定义漏 ( 2 1 ) 如果实际的漏极偏置电流为i o ，所以如图2 - 5 b 所示，放大器漏极的工作电流i d ( 0 ) 可以表示为： b ( o ) = i o + l 嘴s i n ( o ) ( 2 - 2 ) 当o = p 2 + x 时，i d ( o ) = o ，得到偏置电流i o 的表达式为： i o - - - m - 姆s ( x ) ( o s x s ) ( 2 - 3 ) 同理从图2 - 5 可以得到栅极的偏置电压v o o 和x 的关系： 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 - 4 ) 下面我们将讨论功率和效率的问题，由f o u r i e r 分析可以得到输出电流的基频分 量的幅值i o 可以表示为： 每删帅。净一酬s 缸c 咖 。， - i 。( x + c o s ( x ) s i n ( x ) ) + 2 i 。s i n ( x ) 】 将( 2 - 3 ) 带入( 2 - 5 ) 化简可以得到： i 。- 等【2 x s i n ( 2 x ) 】( 2 - 6 ) 又由于： v 0 = i o p - l ( 2 7 ) 和a 类功率放大器一样，脉冲电流功率放大器的输出电压幅值v 0 最大值为v i ) o ， 而此电压最大值由最优负载电阻风来实现，也即： r 一半- 等 ( 2 8 ) 所以对于任意的导通角或者占空比而言，负载端最大输出功率口o u l ，。姆妙的一 般表达式为： p 忡) 。丢一。v k d o 。i 饥m 4r l 【2 x s i n ( 2 x ) - 羔案堕【2 x s 域2 x ) 】 ( 2 - 9 ) 直流功耗为i d ( 0 ) 的直流分量和v o o 的乘积： p 脚，“- 。渺。鲁n 舢吉v 参i , z i o + 1 w 血c 帅 。圳， t 孚【i o x + i 。螂) 】 将( 2 - 3 ) 带入( 2 1 0 ) 可以得到。 ) 一半【s i n ( x ) - x c o s ( x ) ( 2 - 1 1 ) 所以a 类、a b 类、b 类、c 类功率放大器的最大效率可以表示为导通角的函数： 一8 第二章功率放大器原理指标简介 k ，- 害- 画2 x i - s i 磊n ( 2 x 丽) ( o - x = 而 ( 2 - 1 2 ) 在功率放大器设计中，另外一个很重要的指标就是相对功率输出能力 ( n o r m a l i z e do u t p u tp o w e rc a p a b i l i t y ) ，用p n o p c 表示。它定义为放大器最大输出 功率口一和放大器最大瞬态工作电流( 和电压( v 的乘积的比值。首先 我们考虑特殊情况，也即a 类工作方式，a 类功率放大器的相对功率输出能力 p n o p c , a 为： - 瓦p u - 弧) 等 1 - 一 8 ( 2 - 1 3 ) 兵中： i d 脚- 1 + i 一- 2 i - - 二v d 两埘_ v + v o - 2 v ( 2 一1 4 ) 下面考虑一般情况，也即b 类和c 类功率放大器相对功率输出能力p n o 峨鳓 的一般公式从图2 - 5 中可以看出，对于其他类型的功率放大器，v 璐恒为连续的正 弦波，所以v d s 舯；的值仍可以由o 决定。而i d 则不同，i d 在一个周期内不是连续 的正弦波，根据2 - 1 4 ) 可以得到： 硫a 酬= 蚺k = - k c o s ( x ) + k = k 矩【t - c o s ( x ) 】 ( 2 1 5 ) 因此可以得到任意导通角情况下表征功率放大器相对功率输出能力的一般表达式 h 嘲- c 【鲫) 为： 汩，。i p i o m , m x x ( p = ) 。揣( o - x - 玎) ( 2 - 1 6 ) 利用数学工具m a t h c m a t i c an - f 以画m “经典”功率放大器的最大效率( t 1 。删) 和相对功率输出能力唧) 相对于占空比( p 的变化曲线，如图2 - 6 所示。 9 - 电子科技大学硕士学位论文 都 唧主 0 0 6 暮 碍 0 0 3 霹 靛 o 雩 围2 - , 6 最大效率和相对功率输出能力褶对于占空比的变化益线 上文所推导的公式都基于理想情况下的晶体管，在实际情况中，由于晶体管 的非理想特性，上述一般公式都需要得到修正才能应用。在此我们仅仅推导出考 虑晶体管阀值电压。的情况下电路参数和指标的一般表达式。众所周知，当不 考虑v k 。的影响的时候，漏极电压变化的峰峰值在0 到。止蛔。之间，此时输出 波形将不会发生失真。而如果考虑v 妇。存在，在最保守的情况下漏极电压的蜂蜂 值只能在。到v b 。k d 之间变化，一旦晶体管工作在可变电阻区的时候，输出 波形将出现严重失真。在实际情况中，电源电压v 1 ) o 、6 , v d s 以及输出电压v 0 都将 受到一和v 岫山d o 。的影响，如下式所示： v o , 叫删一岷删刚一v k m i “, o 了, m m - - 一v i m m ( 2 1 7 ) v d o o 。) - 眠删嗍+ 一k 譬鳖 r - 警 将( 2 1 7 ) 代入公式( 2 9 ) n - j 以得到考虑阀值电压 如衄“p ) 为： 删，删一三i 嚣言- 二竺竺：鼍瞰一咖c z x ， 。坠塑掣【2 x s i n ( 2 。) 】 缸 ” ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) v l 。情况下最大输出功率 ( 2 - 2 0 ) 同理将( 2 1 8 ) 代入公式( 2 - 1 1 ) 可以得到考虑阀值电压v l 。情况下直流功耗p d o 值。，p r 砷 为： 一1 0 一 第二章功率放大器原理指标简介 删一鼍等f s j ( x ) _ x c o s ( x ) 】坐型【一x 螂) j ( 2 - 2 1 ) 所以得到考虑阀值电压v - 。情况下最大效率t h n 喊酬为： t m s l m 1 m * ) 。v t m t w i m m - v 秽i m 。一 ( 0 帕( 2 啦) f 监畦纽= 鳖1 塾= 墅坠! 、 、v jj i+ k 4 s i n x x c o s ( x ) 1 同理可以得到考虑阀值电压。情况下表征功率放大器相对功率输出能力的一般 表达式h 啦唧哟为： p n i 【p 畔) 一o 一吾塑一) p n o 伽， (ox而(2-23) 。n 一马2 x - s m ( 2 x ) 、 、v ii i 78 越1 - c o s ( x ) 】 所以，对于功率放大器而言，要实现高增益，则需要功率管有很大的、，b 。岫。 要实现高效率则要减小v h 。 本章我们给出了功率放大器的分类，讨论了“经典”的各类功率放大器的基 本原理和电流电压波形，推导给出了“经典”功率放大器的元件参数表达式，最 后分析了效率、电压电流峰值大小、相对输出功率能力等指标参数。 通过以上分析可以看出，“经典”的电流源等效的功率放大器在晶体管导通时 有很大损耗，所以影响了效率的提高。a 类功率放大器的虽然有很好的线性度， 然而效率却是最低，因为晶体管一直工作在导通状态，所以管耗最大。为了降低 晶体管功耗，从而引入了减小导通角的方法，使得功率管漏极的工作电流为脉冲 方式，保证晶体管导通的时候，晶体管在信号一周内消耗的功率很小，效率得到 提高。 2 3功率放大器的主要技术指标 2 3 1 工作频率范围 工作作频率范围指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器的实际工作 频率可能会大于定义的工作频率范围。 2 3 2 功率增益( g ) - 1 1 电子科技大学硕士学位论文 在输入输出端口良好匹配的情况下，输出功率与输入功率的比值即为功率增 益。单位常用db 。功率增益的定义为： 功率增益= 盏含鲁i 纂( d b ) 2 3 3 效率 射频功放中的效率体现了功放把直流电源提供的能量转化为射频能量的能 力，通常有三种定义效率的方式，漏极效率，功率附加效率，综合效率伪； 漏极效率是射频输出功率和直流功率的比值： ”- 芒 功率附加效率p a e ( p o w e r a n d d e de f f i e n c y ) 定义为； f a e 。生= & p d c 综合效率定义为： - 击 2 3 4 增益平坦度( g ) g t 群 主 g 吨：乏= x ：z - f 丘 蠡 图2 - 7 增益平坦度示意图 它定义为放大信号输出幅度随频率的变化量。它用工作频率范围内最大输出 幅度与最小幅度( 用d b 单位) 差值表示。该差值即是用d b 表示的放大器输出幅 度随频率变化的峰峰值。例如，要求带内波动小于等于0 3 d b 时，可表示为a g o 3 d b 。应指出，该指标不计入幅度随温度的变化量。当放大器件确定后，放大 1 2 第二章功率放大器原理指标简介 器幅频特性主要决定因素是输入、输出、级问匹配特性。 定义为： g - t 垒笋( d b ) 其中g 。和g 曲为功放在工作频率范围内的最大增益和最小增益如图2 - 7 所示 2 3 5a m a ma m p m 失真嘲 聃啦- i _ ，t r _ d 珂m o m m i e s i 揶p 哪唧 图2 - 8a m a m m 怖i 失真 一个功放的线性特征可以用a m a m 和a m i m 曲线来表示输入的r f 信号 可以表示为： x ( t ) = r i ( i ) c o s 【0 t + e 删 相应的输出表示为： y ( t ) = g r i ( o 】c o s 州+ 0 嗣忡【r i ( 明 其中g 和l i ，表示a m a m 和a m p m 曲线，如图2 - 8 所示，而理想的线性功放的曲 线如图2 - 9 所示 h 弘m o f “h 血b 删知嘞舢胛md 酗妇血价蝌知啦晚r 霾三巨垂 u “ u 捕衄 i n i 霍t , r o l l q p , 乙l ： ； ： ，i i ： t l i - i ，。，- - 。 ： “埘 埔- k 蝴辨v 。口 图2 - 9 理想的放大器a m a m 和a m p m 曲线 1 3 - v l_sie1ll_j，j_自 ， t f 4 4 )ltojjl童五 ， 讳 犯 ；篁h善鼍童i目日b喾 电子科技大学硕士学位论文 2 3 6 互调失真，截断点i p 3 互调失真是在工作频带二个或以上单音信号通过功放后，因放大器非线性在 其输出端产生谐波及组合频率产物，用它衡量放大器线性。通常用二个单音在额 定输出电平测量。双音互调失真谱如图2 8 所示，通常二阶和三阶产物是主要成分 且距工作频带最近。仅为了衡量通带内放大器线性且带宽小于一个倍频程时，经 常将三阶互调和互调失真等同，并只测三阶互调。当测一个系统的互调衰减时应 根据所规定的测量频率范围对所有的互调产物测量。三阶互调失真的一种有用的 度量是“截断点( i p 3 ) ，其定义为频率( 2 w 1 - w 2 ) 或( 2 w 2 - w 1 ) 的输出功率p ( 2 w i w 2 ) 或p ( 2 w 2 w 1 ) 于频率w 1 的线性输出功率e o ( w 1 ) 外退的交点，如图2 - 1 0 所示 当一个系统的非线性可以用幂级数展开时，截断点是估计三阶交调失真的一种很 方便的方法，i p 3 与输入功率无关，完全是系统的非线性造成的，因此是系统非线 性的度量。在这种情况下： i p 3 = p 1 a e + 1 0 6 3 ( d b m ) 该式很有用，因为在产品手艇上p 1 血是给出来得，用它即可估计i p 3 的值。 双音信号 分f i 2 3 7l d b 压缩点 2 f l - f 2f if 22 f 2 - f 12 f l 射f l2 f 2 图2 - 1 0 双音互调失真谱 当输入功率较低时，输出功率和输入功率成比例关系。然而，当输入功率超 过一定的量值之后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。当 放大器的增益偏离常数或比其小信号增益低l d b 时，此点就被成为i d b 压缩点并 被用来衡量放大器的功率容量，i d b 压缩点的相应增益记为g l d b ，且又 g l d b = g 0 - 1 d b ，其中g o 是放大器的小信号增益。如果将l d b 压缩点的输出功率 用p o u t ，l d b 用d b m 表示，则它相应的输入功率p i n ，i d b 的关系为： p 呲1 曲( d b m ) = g l ( d b ) + p i n , l , m ( d b m ) = g o ( d b ) - i d b + p i n 1 d b ( d b m ) 1 4 第二章功率放大器原理指标简介 如图2 - 1 1 所示 鼋 v 茁 舞 * 帮 2 3 8 动态范围 图2 - 1 1 截断点i p 3 ，l d b 压缩点示意图 动态范围有多种定义，经典定义有二种，线性动态范围定义和无杂散动态范 围。 线性动态范围定义为放大器输入口最小可检_ 涣0 信号与放大器满足线性要求时 最大输入电平之间的差值。 无杂散动态范围定义为当放大器最小可检测输出电平与放大器输入等双音时 在输出口产生的互调相等时，放大器输入口最小可检测信号与放大器等双音输入 电平差值。 上定义在放大器不常用，功放关心的是最大线性功率输出。 2 3 9 噪声系数 噪声系数定义输入信噪比与输出信噪比的比值： n f - - ( s - i = n i ) ( s 加u n f d b = 1 0 1 0 9 ( n f ) 在一个射频通信系统中，总的噪声系数可以表示为： 哪等+ 嚣+ 隶南 f n 第n 级的噪声系数，g n 为第n 级的增益，从该方程可以看出，作为无线通信 1 5 电子科技大学硕士学位论文 系统中最后一级的功放，其噪声对整个系统的噪声影响是很小的，因此，噪声系 数在功率放大器中一般较少考虑。 2 4l d m o s 功率放大器 本设计采用的l d m o s 为射频功率l d m o s 功率放大器以其高增益，极好的线 性度以及较低的生产成本被广泛应用于无线通信系统。与射频功率双极晶体管相 比较，特别是在射频应用方面，它他有着独特的优势： 卓越的效率，可降低功率消耗与冷却成本 卓越的线性度，可将信号预校正需求降到最低 优化超低热阻抗，可缩减放大器尺寸与冷却需求并改善可靠度 高功率密度，使用较少的晶体管封装 超低感抗、回授电容与串流闸阻抗，目前可让l d m o s 晶体管在双载子器件 上提供7 b b 的增益改善 直接源极接地，提升功率增益并免除b e o 或a i n 隔离物质的需求 在g i - i z 频率下拥有高功率增益，带来更少设计步骤、更简易更具成本效益的 设计( 采用低成本、低功率驱动晶体管) 一1 6 - 第三章d o h e r t y 功放原理 3 1 前言 第三章d o h e r t y 功放原理 现代远程通信中，功率放大器非常重要的工作是实现高效率的工作。众所周 知，当功放工作在压缩点附近时，其效率达到最高，这一原理被应用与g s m 中， 因其采用的是g m s k 调制技术，而g m s k 调制采用的是恒包络调制，这就确保了 功放工作在饱和点附近时不会因调制方式引起失真。另一方面，为了在有限的带 宽中传输更多的数据，越来越多的其他调制方式涌现出来，如b p s k ，q p s k q a m ， 调制，这些技术都是非恒包络调制。功放工作在压缩点附近会导致信号频谱再生 急剧增加，这就对功率放大器的线性度产生了很高的要求，功放必须工作在线性 区中，因此功率圆退就成为一个增加线性度的常用手段。但随着功率回退，功率 放大器的效率会随之减退。因此，在保证功率放大器达到设计需求所需的线性度 的要求下提升其效率就成为了功放研究的一个重要方向。 功率放大器提升效率的技术主要有，k a h n 包络分离和恢复技术，包络跟踪技 术，l i n c 技术，d o h e r t y 技术，d o h e r t y 技术同其他几种技术相比，有着实现方式 较为简单，成本相对低廉，对系统的线性度的影响相对其他几种方式较小，因此 在现代无线通信技术中得到了广泛的运用。 3 1 1k a b n 包络分离和恢复技术 k a h n 包络分离和恢复技术首先由k a h n 在1 9 5 0 年研发出来用于改善短波广播 发射机的效率1 4 1 ，与线性功率放大器不一样，k a h ne e r 发射机具有输出功率电平 回退的整个动态范围内的高效率，平均效率要高3 5 倍m ，传统的模拟包络分离 和恢复方案中，需要专门的器件来分离振幅( 包络) 和r f 相位调制信号，一种类 型的功率放大器负责包络信号放大，而另一类功率放大器则馈入常数包络r f 信 号，如图3 - 1 所示，常包络r f 信号能使用b 类、e 类、或f 类等工作模式由非线 性功率放大器进行高效率放大。功率放大器最后一级的振幅调制恢复相位调制载 波信号的包络，产生输入信号幅度的复制。为了减小相位和振幅的“对不准”，延 迟线是必要的。加入输出包络反馈电路可减小互调失真用。无线