（通信与信息系统专业论文）宽带高效率包络跟踪功率放大器设计.pdf

摘要 摘要 现代无线通信系统需要支持高信息传输速率，更多地采用非恒包络调制和频 分复用方式，使得如w c d m a 和o f d m 之类的无线发射信号具有高峰值平均功率 比( p a p r ) ，这就要求功率放大器具有宽线性区。传统功率放大器采用功率回退来 避免信号在峰值时越过线性区发生畸变，但这样会使其效率降低。如何在保证信 号线性度的同时提高功率放大器效率成为通信系统发射机的一个首要解决问题。 为了解决这个问题提出了许多方案，其中包络跟踪( e t ) 功率放大器方案备受关 注。该方案的核心思想是根据无线射频发射信号包络信息来调整功率放大器直流 偏置电压，使其随信号包络大小变化，减少了放大器在小包络输入时的功率损耗， 对高p a p r 信号功率放大器效率提升有很大的研究价值。 论文以宽带e t 放大器为研究对象，分析了其中采用的各项关键技术，设计了 一个宽带e t 放大器，目标是提升宽带高p a p r 信号功率放大器的效率。 文章首先给出了模拟控制的e t 放大器基本结构，并以此作为切入点详细分析 了e t 放大器中采用的各项关键技术。 其次，重点分析了宽带e t 放大器中的难点高效率宽带包络放大器。根据 8 0 2 1 1 9 包络信号频谱的特点采用了一种“频带分离”的混合型包络放大器，并阐 明了其工作方式，对其几种工作状态进行了详细分析，通过行为模型仿真优化了 关键电路参数，并选择实际器件进行了仿真验证。仿真结果表明：这种混合型包 络放大器在输入为8 0 2 1 1 9 信号包络时效率能达到6 5 、带宽为2 0 m h z ，同时达 到了高效率和宽带两项指标。 最后，在前面章节基础上设计实现了宽带e t 放大器，对其进行了仿真验证， 并将仿真结果与固定偏置功率放大器进行了对比。仿真结果表明：相对于5 5 v 固 定偏置功率放大器在输出功率2 0 d b m 处1 2 的漏极附加效率，宽带e t 放大器在 此点的总效率能达到2 6 。 以上成果验证了e t 放大器方案的可行性以及提升宽带高p a p r 信号功率放大 器效率的能力，具有重要的理论及工程价值。 关键词：p a p r ，效率，宽带e t ，包络放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a l ：i o nt e c h n o l o g i e s r e q u i r eas y s t e mt h a tc o u l d s u p p o r th i g hi n f o r m a t i o nt r a n s f e rr a t e t e n dt ou s en 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 n a n df r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s ot h ew i r e l e s ss i g n a l s ( f o re x a m p l ew c d m a o f d m lh a v eah i g h e rp a p r b u tt h i sk i n d o fs i g n a lr e q u i r e st h a tt h ep o w e r a m p l i f i e r ( p a lh a v eaw i d e rl i n e a rr e g i o n p o w e rb a c k o f fi s o f t e nu s e di n t r a d i t i o n a lp at oa v o i df r o ms i g n a ld i s t o r t i o nw h e ni t s u r p a s s e st h el i n e a rr e g i o n t h ep r o b l e mi s i tw i l lr e d u c et h ee f j f i c i e n c yo fp a h o wt oi n c r e a s et h ee f n c i e n c y o fp ab e c o m e st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m a1 0 to fm e t h o d sh a v eb e e np u tf o r w a r dt os o l v et h i sp r o b l e m e n v e l o p et r a c k i n g ( e t ) p o w e ra m p l i f i e ri st h em o s tc o n c e mo n e e ta m p l i f i e ri sa d j u s t i n gt h eb i a s v o l t a g eb a s e do nt h ee n v e l o p et r a c k i n gt or e d u c et h ep o w e rl o s so fp aw h e nt h e r ei s as m a l le n v e l o p ei n p u t ，i th a sag r e a tr e s e a r c hv a l u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ea n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ew i d e b a n de t a m p l i f i e rs y s t e m ，t oa c h i e v et h eg o a lo fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fh i g hp a p r w i d e b a n ds i g n a lp o w e ra m p l i f i e r f i r s t ，w eg i v et h eb a s i cs t r u c t u r eo fa n a l o g c o n t r o le ta m p l i f i e rs y s t e ma n da n a l y z e t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee ta m p l i f i e rs y s t e m t h e n ，w ef o c u so nt h eh i 曲e m c i e n c yw i d e b a n de n v e l o p ea m p l i f i e rw h i c hi sc r i t i c a l t ot h er e a l i z a t i o no fe ta m p l i f i e r a “s l i p - b a n d ”e n v e l o p ea m p l i f i e ri sd e s i g n e df o r t h e 8 0 2 1 1gs i g n a l w bi l l u s t r a t e di t so p e r a t i o np r i n c i p l e , a n a l y z e di t ss o m ek i n d so f o p e r a t i o ns t a t e ，o p t i m i z e dc i r c u i tp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no f i t sb e h a v i o r m o d e l t h es i m u l a t i o ns h o w st h a ti t se 蕊c i e n c yi s6 5 a n db a n d w i d t hi s2 0 m h zw h e n 8 0 2 1 lgs i g n a le n v e l o p ei n p u t s f i n a l l y , aw i d e b a n de ts y s t e mi sd e s i g n e do nt h eb a s eo ff r o n tc h a p t e r s c o n t r a c t i n g t ot h e12 p a eo ft h ef i x e db i a sp o w e ra m p l i f i e ra tt h e2 0 d b mo u t p u tp o w e r , e t s y s t e mc a l lb ea sh i g ha s2 6 t h er e s u l ts h o w st h a tt h e f o u n d a t i o no fn o n - c o n s t a n t e ts y s t e mg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o ni sf e a s i b l e i tl a y sa s i g n a lp o w e ra m p l i f i e r , w h i c hi s o fg r e a tt h e o r e t i c a l i m p o r t a n c ea n de c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：p a p r ，e f f i c i e n c y , w i d e b a n de t , e n v e l o p ea m p l i f i e r i l 图目录 图目录 射频功率放大器结构简图2 线性功率放大器的简化晶体管负载线2 开关型功率放大器的简化晶体管负载线一2 理想a 类和b 类线性功率放大器效率与输出功率的关系3 w l a n8 0 2 1 l a g 频谱模版4 w l a n8 0 2 1 l g 的c c d f 5 传统e t 放大器结构框图6 放大器动态负载线、偏置点随输入包络动态变化示意图8 现代e t 放大器结构框图9 二极管包络检波器电路图1 1 峰值包络检波输入信号和输出信号波形图1 2 伪复型包络检测器原理电路图1 2 数字包络检波结构框图1 3 离散电压供电原理电路图1 3 带有p w m 的b u c k 型变换器原理电路图1 5 b u c k 型d c d c 变换器基本电路图1 6 变换器工作时各电流电压波形图1 6 电感电流临界状态图1 9 二相变换器原理电路图2 1 三直流供电变换器原理电路图2 1 混合型d c d c 变换器电路结构图。2 2 迟滞比较器原理图2 2 迟滞比较器传输特性2 3 时间对齐原理框图2 4 o f d m 包络信号频谱图2 6 o f d m 包络信号能量累积分布图2 6 电压控制电流并联包络放大器电路原理图2 7 包络放大器设计电路实现图2 7 迟滞电流反馈控制数学模型图2 9 包络放大器电路行为模型图2 9 包络放大器线性工作状态直流输入：输出电压波形示意图3 1 包络放大器线性工作状态直流输入：电感电流波形示意图3 1 包络放大器线性工作状态直流输入仿真：电感电流波形图3 2 包络放大器线性工作状态直流输入仿真：误差电流波形图3 2 v 0 乞o 4 5石刁撂母0之o 4巧石0名母加m彤舶彤乞o 4 5 石7 0 9 9 加 m m m懈拢鸠m撕撕”猢抛“排硝地粥撕”粥” 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图斟雕雕 图目录 一一 图3 1 1包络放大器线性工作状态直流输入仿真：负载电流波形图3 3 图3 1 2包络放大器线性工作状态直流输入仿真：电压波形图3 3 图3 1 3包络放大器线性工作状态直流输入仿真：误差电压波形图3 3 图3 1 4包络放大器线性工作状态直流输入仿真：电感电流频谱图3 4 图3 1 5包络放大器线性工作状态直流输入仿真：误差电流频谱图3 4 图3 1 6包络放大器线性工作状态直流输入仿真：负载电流频谱图3 4 图3 1 7线性工作状态直流输入仿真开关频率与理论结果比较图3 5 图3 1 8包络放大器线性工作状态交流输入仿真：电感电流波形图3 6 图3 1 9包络放大器线性工作状态交流输入仿真：误差电流波形图3 6 图3 2 0包络放大器线性工作状态交流输入仿真：负载电流波形图3 6 图3 2 1包络放大器线性工作状态交流输入仿真：电压波形图3 7 图3 2 2包络放大器线性工作状态交流输入仿真：误差电压波形图3 7 图3 2 3包络放大器线性工作状态交流输入仿真：电感电流频谱图3 7 图3 2 4包络放大器线性工作状态交流输入仿真：误差电流频谱图3 8 图3 2 5包络放大器线性工作状态交流输入仿真：负载电流频谱图3 8 图3 2 6线性工作状态交流输入仿真开关频率与理论结果比较图3 8 图3 。2 7包络放大器非线性工作状态仿真：电感电流波形图4 0 图3 2 8包络放大器非线性工作状态仿真：误差电流波形图4 0 图3 2 9 包络放大器非线性工作状态仿真：负载电流波形图4 0 图3 3 0包络放大器非线性工作状态仿真：电压波形图4 1 图3 31包络放大器非线性工作状态仿真：误差电压波形图4 1 图3 3 2包络放大器非线性工作状态仿真：电感电流频谱图4 i 图3 3 3包络放大器非线性工作状态仿真：误差电流频谱图4 2 图3 3 4包络放大器非线性工作状态仿真：负载电流频谱图4 2 图3 3 5过渡区电路行为仿真图4 3 图3 3 6过渡区电流交流分量和e v m 仿真图“4 4 图3 3 7迟滞电压值对e v m 影响仿真结果图4 5 图3 3 8迟滞电压值对平均开关频率影响仿真结果图4 6 图3 3 9电感值对平均开关频率影响仿真结果图4 6 图3 4 0电感值对电流平均摆率影响仿真结果图4 7 图3 4 1电感值对效率影响仿真结果图4 7 图3 4 2混合型包络放大器线性部分电路结构图4 9 图3 4 3混合型包络放大器开关部分电路实现5 0 图3 4 4实际器件包络放大器小信号仿真：电感电流波形图5 1 图3 4 5实际器件包络放大器小信号仿真：误差电流波形图5 2 图3 4 6实际器件包络放大器小信号仿真：负载电流波形图5 2 图3 - 4 7实际器件包络放大器小信号仿真：电压波形图5 2 图3 4 8实际器件包络放大器小信号仿真：误差电压波形图5 3 v i 图目录 图3 4 9 图3 5 0 图3 5 1 图3 5 2 图3 5 3 图3 5 4 图3 5 5 图3 5 6 图3 5 7 图3 5 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 实际器件包络放大器大信号仿真：电感电流波形图5 3 实际器件包络放大器大信号仿真t 误差电流波形图5 3 实际器件包络放大器大信号仿真：负载电流波形图5 4 实际器件包络放大器大信号仿真：电压波形图5 4 实际器件包络放大器大信号仿真：误差电压波形图5 4 实际器件包络放大器8 0 2 1 1 9 信号仿真：电感电流波形图5 5 实际器件包络放大器8 0 2 1 1 9 信号仿真：误差电流波形图5 5 实际器件包络放大器8 0 2 1 l g 信号仿真：负载电流波形图5 5 实际器件包络放大器8 0 2 1 l g 信号仿真：电压波形图5 6 实际器件包络放大器8 0 2 1 1 9 信号仿真：误差电压波形图，5 6 g a a sm e s f e t2 4 g h z 射频功率放大器匹配结构图5 9 m g f 0 9 0 4 ap a e 随输入功率变化图6 0 m g f 0 9 0 4 a 输出功率随输入功率变化图6 0 m g f 0 9 0 4 a 增益随输入功率变化图6 0 w b e t 中包络放大器输入输出以及开关信号电压波形图6 1 w b e t 射频输入和射频输出信号包络波形图6 2 w b e t 中射频功率管p a e 随时间变化图6 2 固定偏置时射频功率管p a e 随时间变化图6 3 v i l 表目录 表目录 表1 1w l a n8 0 2 1 1g 传输参数表4 表l 一2w l a n8 0 2 1 la ge v m 需求表一5 表3 1 混合型包络放大器功率损耗和效率仿真实例5 0 表3 28 0 2 1 1g 信号下混合型包络放大器性能列表。5 6 表3 。3已有包络放大器与本章包络放大器比较列表5 7 表4 1w b e t 中包络放大器性能参数列表6 l 表4 2w b e t 放大器与固定偏置放大器比较6 2 v i i i 缩略词表 英文缩写 a d c a d s a e t a m a m p s c c d f c c m c d m c m o s d a c d p d d s p e e r e t e v m f m g m s k g s m l i n c l p f o f d m p a p a e p a p r p d a 缩略词表 英文全称 a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m a v e r a g ee n v e l o p e t r a c k i n g a m p l i t u d em o d u l a t i o n a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b - u t i o nf u n c t i o n c u r r e n tc o n t i n u o u sm o d e c u r r e n td i s c r e t em o d e c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i - c o n d u c t o r d i g i t a l t oa n a l o gc o n v e r t e r d i 西t a lp r e d i s t o r t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n e n v e l o p et r a c k i n g e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n g a u s s i a n f i l t e r e dm i n i m u ms h i f tk - e y i n g g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a r c o n t r o l l o wp a s sf i l t e r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o w e ra m p l i f i e r p o w e r - a d de m c i e n c y p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t i x 中文释义 模数转换器 高级设计系统 平均包络跟踪 幅度调制 高级移动电话系统 互补累计分布函数 电流连续状态 电流离散状态 互补金属氧化物半导体 数模转换器 数字预失真 数字信号处理 包络消除与恢复 包络跟踪 误差矢量幅度 频率调制 高斯滤波最小相移键控 全球移动通信系统 非线性控制的线性放大器 低通滤波器 正交频分复用 功率放大器 漏极附加效率 峰值平均功率比 个人数码助理 缩略词表 p f m p w m r w d m s b d s e t w b e t w c d m a w l a n p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n r e c t a n g u l a rw a v ed d t am o d u l a t i o n s c h o t t k yb a r t i e rd i o d e s t e pe n v e l o p e t r a c k i n g w i d eb a n d w i d t he n v e l o p et r a c k i n g w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s w i e r l e s sl o c a la e r an e t w o r k s x 脉频调制 脉宽调制 方波德尔塔调制 肖特基势垒二极管 步进包络跟踪 宽带包络跟踪 宽带码分多址接入 无线局域网 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：至二日期：2 0 1 口年，月i1 日 论文使用授权 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 日期：z ol 口年f 月fz 日 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 高效率射频功率放大器对手机、掌上电脑( p e r s o n a ld i 西t a la s s i s t a n t ，p d a ) 、膝 上型电脑等使用电池的无线通信系统来说非常关键，因为它可以降低功耗、提升 电池寿命【】【2 1 。理论证明，d 类、e 类、f 类等工作在开关状态的功率放大器效率 最高【3 】f 4 1 ，但是这种高效率非线性功率放大器只能放大如g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e ) 和a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 之类的恒包络调制信号。 为了线性放大非恒包络调制信号，一般采用功率回退使a 类或者a b 类功率 放大器的输出失真减小到被允许范围。但是对于高峰值平均功率b l ( p e a kt o a v e r a g e p o w e rr a t i o ，p a p r ) 信号，功率回退严重降低了功率放大器效率。即，在功率放大 器设计中不可避免地存在线性度与效率之间的折中。 这个问题已经被深入研究了多年，并且有很多技术涌现，如：包络分离和恢 复技术( e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n ，e e r ) 【5 】【6 1 、预失真技术【3 】【4 】、反馈技术 【3 】【4 】、前馈技术【4 1 、多合体技术3 1 、包络跟踪技术( e n v e l o p et r a c k i n g ，e t ) t h l3 1 、非 线性控制的线性放大技术( 1 i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o n t r o l ，l i n c ) 1 4 】、动态 偏置技术【1 5 j l l 6 j 。 论文主要研究应用于宽带( 如无线局域网系统) 的e t 放大器。从工程实现的角 度研究了其中采用的关键技术，包括包络检波技术、电压控制技术( 包络放大) 、延 迟调节技术等。设计了一个适用于高p a p r 信号的混合型包络放大器，并在高级 设计系统( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ，a d s ) 中完成了宽带e t 放大器仿真。 1 1 1 功率放大器线性度与效率的关系 在最近几年里，功率放大器线性度与效率之间的折中问题已经在很多书籍和 文献中被提出并研究【1 1 f 1 6 1 。传统的功率放大器在高线性度和高效率两个指标之间 只能达到一个，几乎不可能同时达到。图1 - 1 为一个带负载的射频功率放大器简单 结构图。射频晶体管的输入阻抗和输出阻抗通过输入和输出匹配网络分别与源阻 电子科技大学硕士学位论文 抗和负载阻抗相匹配。射频晶体管可以看作一个线性跨导体或开关。 源电阻 源电压 i d s i m a x i d c 图1 1射频功率放大器结构简图 v g s v d s a tv d cv d s m a xv d s 图1 2线性功率放大器的简化晶体管负载线 图1 - 3开关型功率放大器的简化晶体管负载线 图1 2 和图l 一3 分别为工作于线性状态和开关状态的功率放大器电流与电压之 间的关系图。当功率放大器工作在开关状态，不是“关”( i d s = o ，v d s = m a x ) 就是“开 2 第一章绪论 ( i d s - - m a x ，v d s = 0 ) 。理想状态时，无论是“开 还是“关 晶体管都不会有功率消 耗，理论上功率放大器的效率可以达到1 0 0 。但正是因为晶体管只工作在“开” 或者“关”的状态，其输出幅度是固定的。如果输入信号是非恒包络调制信号， 则输出信号将会出现削波和失真。所以开关式功率放大器只能放大如f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 和g m s k ( g a u s s i a n f i l t e r e dm i n i m u ms h i f tk e y i n g ) 之类的 恒包络信号1 】【2 】。 当工作在线性模式时功率放大器等效于一个线性跨导体。输入电压信号通过 射频晶体管的调制效应线性地转化为输出电流信号。对线性功率放大器来说，效 率正比于输出功率，即： o c 厂( 乞) ( 1 - 1 ) 如图1 4 所示，a 类功率放大器的效率正比于输出功率，而b 类功率放大器 的效率正比于输出功率的均方根【1 】 2 】。线性功率放大器在输出功率最大时达到峰值 效率。为了防止信号被削波，功率放大器的平均输出功率应该小于最大输出功率。 所以功率放大器的平均效率会远小于峰值效率，特别是对w l a n8 0 2 1 1 9 这样的 高p a p r 信号来说尤其如此。 。 ： l3 卷放女器魏蛊 小瑚。 。 。 ，。 a 类放大器效率 ? 夕 0 o 1o 20 30 40 50 60 70 80 9 1 归一化输出功率 图1 _ 4理想a 类和b 类线性功率放大器效率与输出功率的关系 1 1 2 、。a n8 0 2 1 l g 信号 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 已经广泛应用于日常无线通 3 加 如 加 如 加 加 霎一褥辏 电子科技大学硕士学位论文 信中，比如蓝牙和w i f l 等。w l a n8 0 2 1 l g 是一个宽带m e e 标准，为了达到标 准频谱模版和误差矢量幅度( e r r o r v e c t o r m a g m r u d e , e v m ) 的要求，w l a n8 0 2 1 l g 的发射信号需要高线性度。图1 5 为w l a n8 0 2 1 l g 信号的频谱模版需求，它与射 频电路有关的关键参数如表1 - 1 所示f 钟”，表1 - 2 为e v m 需求 丁”。 同时，按照正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , o f d m ) 的需要，信号的p a p r 可能高至1 0 d b 。圈i 6 为互补积累分布函数( c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，c c d f ) 的仿真结果。 由于以上原因，w l a n8 0 2l l g 功率放大器需要工作在远离峰值输出功率的 “功率回退”区域，从而导致平均效率降低”9 1 1 2 0 。 已 趟 蜘 氆 碍 雷 期率( m 坳 囤l w l a n8 0 21 1 吨频谱模版 表1 - 1 w l a n8 0 2 1 l g 传输参数表 频带 2 耳- 2 4 8 3 5 0 h z 载波数5 2 ( 4 8 数据，4 导引1 信道带宽 1 62 5 h 数据率 缸朝m b 载波类型0 f d m 调制方式 ”镰溢产“ 最大瞬时输出功率i w e v m56 _ 2 0 d b c 1 1 m h z 频谱模版要求 - 2 8 c m c 2 0 m i 2 - 4 0 d b e 3 0 m i - b 第一章绪论 函 口 u u 表1 2w l a n8 0 2 1l a ge v m 需求表 数据率( m b i t s ) 相对星座误差( d b ) 65 9 8 1 2 1 0 1 8 1 3 2 4 1 6 3 61 9 4 8 - 2 2 5 42 5 i舞炼1譬。譬“ iiniii !n ； x l 、 、 l 一l l ；百 ：l l lia ll；l|l ； | ! ：鞋三 i!ilf f l 一1 j ；l i 1 2e t 技术研究现状 信号范围( d b ) 图1 - 6w l a n8 0 2 1l g 的c c d f e t 技术利用了功率供给控制方案。具体来说，利用了一个输出电压跟随输入 信号包络变化的功率供给调制电路。图1 7 为模拟控制的e t 放大器( 传统e t 放大 器，如不特指，文中出现的“e t 放大器 均指传统e t 放大器) 的基本结构框图， 其中包括：包络检测模块( 包络检波器) ，电压控制模块( 包络放大器) ，延时调节控 制和线性射频功率放大器( p o w e r a m p l i f i e r , p a ) 。 5 电子科技大学硕士学位论文 射 图1 7 传统e t 放大器结构框图 出 1 2 1e t 放大器工作方式 e t 放大器具体工作方式是：射频信号输入后分为两路，耦合一部份功率到包 络检测模块，通过检测到的包络幅度来为电压控制模块提供参考信息，而电压控 制模块则根据设定好的规则来调整输出电压，作为线性射频功率放大器供电电压； 下面一路的延迟控制是必需的，用以补偿由包络检测和放大途径引起的直流供电 和射频输入信号之间的时间“对不准”。 从工作方式可以看到，e t 放大器基本思想就是根据输入射频信号包络幅度大 小来决定放大器供电电压：当小包络时采用低电压供电，电压随着包络幅度增大 作适当调节，从而使放大器在不同功率输入时能够工作与该对应供电电压的饱和 区域，减少功率损耗，达到高效率。 下面用两个方式来阐明e t 放大器这种工作方式提高效率的原因。 功率放大器效率采用的是输出功率厶与直流供电功率兄的比值，即漏极效率 ( 集电极效率) 【2 2 】： p 刁= i a o u t ( 1 2 ) 吃 在固定供电电压的情况下，直流功率为固定供电电压与直流电流乞的乘 积，即： 匕= 屯 ( 1 - 3 ) 这就意味着无论放大器输入是多少，供电端电压都要保持。实际上在输入信 号较小时，较低电压供应就能够使放大器达到饱和。e t 放大器就是在小功率输入 时采用低电压供电。这时放大器直流输入功率为： 6 第一章绪论 = 【- ( 。，) 丘( 只) d e w ( 1 4 ) 其中，吆是变化的供电电压，也是输入到放大器的电流，它们都是输出功率的 函数，随着输出功率只。变化而变化。 由此可见，由于小功率输入时e t 放大器供电电压吃也小，此时直流功率输 入就小。推广到整个输入功率范围作功率的概率统计平均，e t 放大器的圪比一般 功率放大器小，而输出功率基本不变，从而漏极效率( 集电极效率) r 能够得到提高。 也可以通过另外一种方式来说明e t 放大器工作方式提高效率的原因 2 3 】。将公 式( 1 2 ) 写为： r ：量：三量旦 ( 1 5 ) 昂2 厶吃 、。 其中，彳= 0 5 矿是基频输出功率，e o = 1 0 v 。是直流功率，是基波电流振幅，厶 是直流电流，y 是集电极基波电压振幅，圪是供电电压。对具有相同导通角工作 条件而言( 例如b 类工作导通角等于1 9 0 。) ，不管功率放大器集电极电流振幅大小如 何，基波电流和直流分量之比厶是一个常数。一般而言，这个比是依赖于导通 角的，它的变化范围以a 类为l 到理想极限状态c 类为2 。对于b 类工作，电流 比z , z o = 1 5 7 。 结果，若功率放大器工作在b 类附近，当导通角偏离1 8 0 。不太多的情况下， 电流比i , z o 在1 0 2 0 的小范围内变化。正如公式( 1 5 ) 中所见，在输出功率回退 的情况下，集电极效率改善与电压比吖圪有关，为了保持高效率这个比值在不同 的输出功率电平下应该保持为常数。比如基波电压振幅小的时候，直流电压也应 该相对减小。 因为漏极效率( 集电极效率) 正比于基波电压振幅与直流供电电压之比，假设负 载和直流供电电压保持为常数，输出功率比峰值功率低1 0 d b 时，这个比值会变得 非常小。但是一般情况下对w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 发 射机而言，输出功率变化的动态范围大约为8 0 d b ，需传递信号基波的最大统计平 均发射功率也比峰值输出功率低1 5 2 5 d b 。因此，e t 技术对输出功率宽动态范围 工作，功率放大的效率提升是非常有用的。 图1 8 为e t 放大器提高平均效率的原理图：e t 放大器通过动态地偏置射频 晶体管使其在更广的输出功率变化范围内都工作在高效率区域。 7 电子科技大学硕士学位论文 蟾 哲 丑 簿 巧圪 输出电压 图1 8 放大器动态负载线、偏置点随输入包络动态变化示意图 1 2 2e t 放大器分类 e t 放大器根据电压控制方式的不同分为以下三种： ( 1 ) 当供给电压值跟随输入信号包络的瞬时值变化时，称之为宽带包络跟踪功 率放大器( w i d eb a n d w i d t he t , w b e t ) 7 】【8 】【9 】【13 1 。也就是论文将要采用的e t 类型。w b e t 的带宽比后面所介绍的两种e t 都要高，但是由于包络变化 快，所以对电压控制模块要求高。 ( 2 ) 当供给电压值跟随输入信号包络功率的时间均值变化时，称之为平均包络 跟踪功率放大器( a v e r a g ee t , a e t ) t l o 】【l l 】。它的峰值效率高，但仅适用于窄 带。 ( 3 ) 当供给电压值随着输入包络大小在两个或多个值之间跳转切换时，称之为 步进制包络跟踪功率放大器( s t e pe t , s e t ) f 1 2 】【1 9 】。其优点是降低了对输入 包络信号精度的要求，在不同供电电压的导通包络允许存在一定的容差， 在低复杂度电路的情况下降低了电压控制模块对电路器件的高要求，但是 不如w b e t 和a e t 对效率的提升效果明显。 随着数字技术的发展e t 放大器也有了新模式，这就是数字控制的e t 放大器 即现代e t 放大器【2 l 】。其结构框图如图1 - 9 所示，其中a d c ( a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ) 为模数转换器，d a c ( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ) 为数模转换器，l p f ( l o wp a s sf i l t e r ) 为低通滤波器。 e t 放大器的线性度一般比固定偏置功率放大器差，这是因为功率增益随供电 第一章绪论 电压的变化而变化。在这种情况下，可使用固定的预失真器来减小由此增加的非 线性。但是使用数字控制的e t 放大器效果更好。与传统e t 放大器相比，现代e t 放大器除了根据信号包络对电压控制模块提供合适的控制电压之外，在数字信号 处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 系统中也可以进行数字预失真( d i g i t a l p r e - d i s t o r t i o n ，d p d ) 处理，还可以在基带部分降低信号p a p r ，甚至可以实现精确 的“时间对齐 算法。 d s p 基带处理 信号产生 数字预失真 时间对齐 降低p a p r 1 3 内容及结构安排 队c i ，茵嚣塑坠卜兰缈出h 习叫黟j 塑剁姥淄 l p f 忑瓶 下变频 射频功率放大器 图1 - 9 现代e t 放大器结构框图 论文主要研究宽带e t 放大器设计，分为e t 放大器关键技术，