射频功率放大器简介完整PPT课件

射频功率放大器简介 QupeiMay 2016 什么是功率放大器 简单说 功率放大器作用就是把弱信号放大利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流 起到电流电压放大的作用 射频功率放大器的应用领域比较广泛 比如在雷达 通信 导航 卫星地面站 电子对抗设备中都需要它 无线通信收发机结构 主要性能指标 1 工作频率范围 F 指放大器满足各级指标的工作频率范围 放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围 2 功率增益 G 指放大器输出功率和输入功率的比值 单位常用 dB 3 增益平坦度 G 指在一定温度下 在整个工作频率范围内 放大器增益变化的范围 增益平坦度由下式表示 G Gmax Gmin 2dB G 增益平坦度Gmax 增益 频率扫频曲线的幅度最大值Gmin 增益 频率扫频曲线的幅度最小值 4 噪声系数 NF 噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值 单位常用 dB 噪声系数由下式表示 NF 10lg 输入端信噪比 输出端信噪比 在放大器的噪声系数比较低 例如NF 1 的情况下 通常放大器的噪声系数用噪声温度 T 来表示 噪声系数与噪声温度的关系为 T NF 1 T0或NF T T0 1T0 绝对温度 290K 主要性能指标 5 功率效率和功率附加效率功率放大器的功率效率是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比 直流输入功率 射频输出功率 显然 这种定义并没有考虑晶体管的放大能力 即具有相同功率效率的两个晶体管的功率增益可以差别很大 通常 在设计功率放大器时 希望用功率增益高的功率晶体管 为此 又给出另一种定义 add 射频输出功率 射频输入功率 直流输入功率 add称为功率放大器的功率附加效率 它既反映了直流功率转换成射频功率的能力 又反映了放大射频功率的能力 很明显 用功率附加效率 add衡量功率放大器的功率效率是比较合理的 主要性能指标 6 饱和输出功率和1dB压缩点随着输入功率的继续增大 放大器进入非线性区 其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加 也就是说 其输出功率低于小信号增益所预计的值 通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点 用P1dB放大器参数表示 典型情况下 当功率超过P1dB时 增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率 其值比P1dB大3 4dB 主要性能指标 7 三阶交调截点 IP3 当频率为f1和f2的这两个信号加到一个放大器时 该放大器的输出不仅包含了这两个信号 而且也包含了频率为mf1 nf2的互调分量 IM 这里称m n为互调分量的阶数 在中等饱和电平时 通常起支配作用的是最接近基频的三阶分量 因为三阶项直到畸变十分严重的点都起着支配作用 所以常用三阶截点 IP3 来表征互调畸变 三阶截点是描述放大器线性程度的一个重要指标 主要性能指标 三阶截点功率的典型值比P1dB高10 12dB IP3可以通过测量IM3得到 计算公式为 IP3 PSCL IM3 2 PSCL 单载波功率 如三阶互调点已知 则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计 基波与三阶互调抑制比 2 IP3 PIN G 三阶互调杂散电平 3 PIN G 2IP3在选择射频器件时 三阶交调指标的绝对值越大越好 其值越大 说明交调产物相对主信号来说越小 对系统的干扰影响越小 主要性能指标 主要性能指标 8 输入 输出驻波比 VSWR 微波放大器通常设计或用于50 阻抗的微波系统中 输入 输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗 50 的匹配程度 用下式表示 VSWR 1 1 其中 Z Z0 Z Z0 VSWR 输入输出电压驻波比 反射系数Z 放大器输入或输出端的实际阻抗Z0 需要的系统阻抗驻波比的产生 是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收 辐射 产生反射波 迭加而形成的 VSWR越大 反射越大 匹配越差 主要性能指标 9 预失真预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真 预失真线性化技术 它的优点在于不存在稳定性问题 有更宽的信号频带 能够处理含多载波的信号 预失真技术成本较低 由几个仔细选取的元件封装成单一模块 连在信号源与功放之间 就构成预失真线性功放 手持移动台中的功放已采用了预失真技术 它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB 但却是很关键的几dB 预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型 RF预失真一般采用模拟电路来实现 具有电路结构简单 成本低 易于高频 宽带应用等优点 缺点是频谱再生分量改善较少 高阶频谱分量抵消较困难 匹配设计 成功地设计微波功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络 在任何一个微波功率放大器设计中 错误的阻抗匹配将使电路不稳定 同时会使电路效率降低和非线性失真加大 在设计功率放大器匹配电路时 匹配电路应同时满足匹配 谐波衰减 带宽 小驻波 线性及实际尺寸等多项要求 当有源器件一旦确定后 可以被选用的匹配电路是相当多的 企图把可能采用的匹配电路列成完整的设计表格几乎是不现实的 输出匹配电路主要应具备损耗低 谐波抑制度高 改善驻波比 提高输出功率及改善非线性等功能 谐波抑制 功率放大器的非线性特性使输出不仅包含基波信号 同时还存在各项谐波 谐波幅度大小与基波信号大小呈一定的比例关系 在大功率放大器中 由于基波功率比较大 因此谐波功率也比较大 特别是2次谐波和3次谐波 它们对系统的影响是不可忽略的 为了减小谐波功率输出 通常输出匹配电路采用低通结构或带通结构 改善驻波比 功率放大器匹配电路设计不完善会使功率放大器输出驻波比较大 因此会加大带内增益起伏 产生寄生信号 严重时会产生自激振荡和烧毁功率管 因此 在设计输出匹配电路时必须使驻波比较小输出匹配电路设计 匹配设计 低损耗 在大功率放大器中 由于输出功率较大 输出电路有一点损耗就会有较大功率损失 并且 在输出电路板上转成热耗 从而使电路的可靠性变差 例如 连续波输出功率为200W 输出匹配电路损耗为1dB 则耗散在输出匹配电路上的功率高达40W以上 输出功率越大 输出匹配电路上所耗散的功率越大 因此 在设计大功率放大器时 应该尽可能减小输出匹配电路的损耗 线性 由非线性分析知道 功率放大器的三阶交调系数是与负载有关的 因此在设计输出匹配电路时 必须考虑线性指标的要求 效率 功率放大器的效率除了取决于晶体管的工作状态 电路结构 负载等因素外 还与输出匹配电路密切相关 要求输出匹配电路保证基波功率增益最大 谐波功率增益最小 损耗尽可能小和良好的散热装置 匹配设计 手机射频模块功率放大器 功率放大器 PA 用于将收发器输出的射频信号放大 功率放大器领域是一个有门槛的独立的领域 也是手机里无法集成化的元件 同时这也是手机中最重要的元件 手机性能 占位面积 通话质量 手机强度 电池续航能力都由功率放大器决定 手机射频模块功率放大器 功率放大器领域主要厂家是RFMD Skyworks TriQuint Renesas NXP Avago ANADIGICS 原本是PA企业合作伙伴的高通 也直接加入到PA市场中 目前随着通信模式和频段的丰富 需要支持LTE FDD LTE TDD WCDMA EV DO CDMA1x TD SCDMA与GSM EDGE七种模式 频谱将涵盖全球使用中的逾40个频段 手机射频模块功率放大器 在手机射频前端应用上 有源PA的频段比较多 每一频段都要若干个放大器支持 所以有很多频段的时候需要放很多PA 如何集成这些不同频段和制式的功率放大器 目前有两种方案 一种是融合架构 将不同频率的射频功率放大器PA集成 另一种架构则是沿信号链路的集成 即将PA与双工器集成 两种方案各有优缺点 适用于不同的手机 融合架构 PA的集成度高 对于3个以上频带巨有明显的尺寸优势 5 7个频带时还具有明显的成本优势 缺点是虽然PA集成了 但是双工器仍是相当复杂 并且PA集成时有开关损耗 性能会受影响 而对于后一种架构 性能更好 功放与双功器集成可以提升电流特性 大约可以节省几十毫安电流 相当于延长15 的通话时间 所以 业内人士的建议是 大于6个频段时 不算2G 指3G和4G 采用融合架构 而小于四个频段时采用PA与双工器集成的方案PAD 手机射频模块功率放大器 多频多模放大器 MMPA 目前智能手机面临15种制式 12 13个频段共存的局面 能否把PA做成宽频 把这些频段都覆盖了 原则上1G附近 即800M 850M 900M附近 甚至700M 可以共用一条链路 2G附近 1 8G 1 9G 2 1G 2 4G 2 6G 可以做1个或者2个PA 把这些频段都覆盖了 MMPA使用大量频带和模式来确保漫游期间的语音和数据服务可用性 高度集成的模块提供了一个超小的外形尺寸 缩小产品的整体面积同时减少外部元件数量 减少组装成本 加快产品上市时间 对于成本问题 可通过以下三方面来解决 一是将芯片做小 不过PA是大功率器件 做小后散热很难 而采用砷化稼工艺的能量密度比LDMOS工艺的高 更有优势 二是制程突破 应用于手机的PA一般采用6英寸晶圆 其他领域是4英寸 如果手机用PA全部采用6英寸晶圆 成本将会进一步下降 三是用户量 如果需求量大的话 则测试封装成本都会随之下降 手机射频模块功率放大器 ATP和ET ATP autopowertrackingET envelopetrackingATP与ET是根据信号调整供电 降低功耗 射频功放的效率是和功放供电电压成反比的 供电电压越高效率越低 同时 为了满足输出功率 功放需要最低的供电电压要求 所以为了提高功放的效率 需要动态控制功放的供