射频功率放大器的设计

1、1理 工 大 学 通 信 工 程 学 院理 工 大 学 通 信 工 程 学 院卫星通信系微波通信教研室2010.09.012一、教学内容及时间安排一、教学内容及时间安排大功率放大器大功率放大器大信号放大器设计大信号放大器设计微波功率的合成与分配技术微波功率的合成与分配技术射频功率放大器的设计射频功率放大器的设计 3其中其中 是接收机的总噪声输出功率是接收机的总噪声输出功率 6 62 2 灵敏度与动态范围灵敏度与动态范围001aePaPNkB TT GkB TFTG0N,min0oPSNRN,min01inaPkB TFTSNR,min01/10lginaPdBmk TFTdBm HzBSNR

2、dBtF0290aTTK其中前两项之和定义为基底噪声基底其中前两项之和定义为基底噪声基底灵敏度为灵敏度为,min174/10lginPdBmdBm HzF dBBSNR dB 416162 2大功率放大器大功率放大器 小信号放大器的设计是基于器件的小信号小信号放大器的设计是基于器件的小信号S S参量进行的，这参量进行的，这些参数通常由器件制造商提供或很容易地用网络分析仪测得。但稍些参数通常由器件制造商提供或很容易地用网络分析仪测得。但稍后将会看到，这些参数本身对大信号放大器的设计是不够的，需要后将会看到，这些参数本身对大信号放大器的设计是不够的，需要加以修正。加以修正。 一般而言，对任何一种放

3、大器的设计都希望达到增益、噪声；一般而言，对任何一种放大器的设计都希望达到增益、噪声；系数、功率及带宽的最佳。因此，第一种设计都是基于设计要求之系数、功率及带宽的最佳。因此，第一种设计都是基于设计要求之上的对等增益曲线、等噪声系数曲线及等功率曲线的综合考虑。但上的对等增益曲线、等噪声系数曲线及等功率曲线的综合考虑。但由于大信号放大器的设计主要关心的是其输出端的资用功率值，故由于大信号放大器的设计主要关心的是其输出端的资用功率值，故一些在小信号放大器设计中需考虑的问题一些在小信号放大器设计中需考虑的问题( (如噪声系数如噪声系数) )在大信号设在大信号设计过程中却变得毫无意义和价值。计过程中却变

4、得毫无意义和价值。5为了便于理解，对每一类放大器的描述再重复一遍。为了便于理解，对每一类放大器的描述再重复一遍。 A A类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管；类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管；在整个信号周期内均导通。在整个信号周期内均导通。 B B类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管仅类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管仅在半个信号周期内导通。在半个信号周期内导通。 ABAB类放大器：工作于这种模式下的放大器对于小信号工作于类放大器：工作于这种模式下的放大器对于小信号工作于A A类，对大信号工作于类，对大信号工作于B B类。类。 C

5、C类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管的类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管的导通时间远小于半个信号周期。导通时间远小于半个信号周期。616164 4 微波功率的合成与分配技术微波功率的合成与分配技术 在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大

6、功率。合成器连接起来以便产生所需的大功率。 16164 41 1 多级中的多级中的N N路路 N N路多级功率合成器路多级功率合成器( (或功分器或功分器) )是一种将是一种将N N路不同放大器的输出路不同放大器的输出功率进行合成功率进行合成( (或分解或分解) )的耦合器。的耦合器。7aT,mininP,minoP微波功率合成分配器拘分类图微波功率合成分配器拘分类图 164 微波功率的合成与分配技术微波功率的合成与分配技术816164 4 微波功率的合成与分配技术微波功率的合成与分配技术 在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，

7、仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大功率。合成器连接起来以便产生所需的大功率。 1641 多级中的多级中的N路路 N N路多级功率合成器路多级功率合成器( (或功分器或功分器) )是一种将是一种将N N路不同放大器的输出路不同放大器的输出功率进行合成功率进行合成( (或分解或分解) )的耦合器。的耦合器。910功率合成技术功率合成技术11C波段微波功率放大器的设计和实

8、现波段微波功率放大器的设计和实现121314线性化功率放大器设计线性化功率放大器设计15功放实物图功放实物图 171816164 4 微波功率的合成与分配技术微波功率的合成与分配技术 在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大功率。合成器连接起来以便产生所需的大功率。 1

9、6164 41 1 多级中的多级中的N N路路 N N路多级功率合成器路多级功率合成器( (或功分器或功分器) )是一种将是一种将N N路不同放大器的输出路不同放大器的输出功率进行合成功率进行合成( (或分解或分解) )的耦合器。的耦合器。19所用两只功率所用两只功率BJTBJT放大器的特性参量为放大器的特性参量为 0G /dB1dBG/dB1dBP/dBm放大器AMP18727AMP210922现设工作频率为现设工作频率为1GHz1GHz，输入功率为，输入功率为5.5dBm5.5dBm，每只两路功分合成器，每只两路功分合成器的插入损耗为的插入损耗为0.5dB0.5dB。试确定合适的。试确定合

10、适的BJTBJT放人器，使其用于每一级中放人器，使其用于每一级中可获得可获得29.5dBm29.5dBm的输出功率。的输出功率。解解 从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为20解解 从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为A点：点： 29.50.5327APdBmA点处的两只并行放大器应选用点处的两只并行放大器应选用AMP1。因。因AMP1的的 1dBP=27dBm1dBG=7dB B点 C点： 27720BBPPdBm200.5323.5CPdBmC点处也应选用AMP1。

11、因AMP2的 1dBP=22dBm低于C点处要求的 1dBP=23.5dBm而AMPl线性工作时的增益 0P =10dBD23.5-815.5PdBm21 单从功率要求看，单从功率要求看，AMPl和和AMP2均适用于均适用于0点处，但考虑到输入点处，但考虑到输入功率为功率为5.5dBm，故应选择高增益的，故应选择高增益的AMP2 作为输入端方可作为输入端方可满足要求。满足要求。0P =10dB2216165 5 互调分量产生的信号失真互调分量产生的信号失真 工作于大信号状态下的放大器可能会引起输出信号的失真。工作于大信号状态下的放大器可能会引起输出信号的失真。这一失真主要是由于放大器的工作区域

12、已超出了其线性区，必这一失真主要是由于放大器的工作区域已超出了其线性区，必将导致称之为将导致称之为“混频分量混频分量”的新频率分量出现在输出端。的新频率分量出现在输出端。 定义定义( (互调分量互调分量) ) 当在一个非线性放大器或任意一个非当在一个非线性放大器或任意一个非线网络的输入端加入两个或两个以上不同频率的正弦信号时，线网络的输入端加入两个或两个以上不同频率的正弦信号时，在其输出端所产生的附加频率分量。在其输出端所产生的附加频率分量。功率放大器非线性的影响功率放大器非线性的影响 12cos 2cos 2iV tf tf t放大电路的非线性幅度响应用幂函数逼近表示为放大电路的非线性幅度响

13、应用幂函数逼近表示为 230iiiVtAV tBVtCVt23 1 1、对电源线和地线进行布线，尽量加宽电源、地线宽度，它们、对电源线和地线进行布线，尽量加宽电源、地线宽度，它们功率放大器非线性的影响功率放大器非线性的影响 2012122212cos 2cos 2cos2cos22cos 2cos 2VtAf tAf tBf tBf tBf tf t121212122222ffffffff、 、 、 、1212123322ffffff、 、 可以发现输出电压可以发现输出电压 110IPdBPdBmPdBmdB112213IPfIPffPPPP1122,122,23ffo mdsffffIPo

14、mdsPPDRPPPP242. 3阶截断点阶截断点功率放大器非线性的影响功率放大器非线性的影响 非线性放大器非线性放大器1 dB1 dB压缩点的确定压缩点的确定2211012Pa V122226230301 392 432Pa Va V这两个功率在这两个功率在3 3阶截断点相等。阶截断点相等。若定义在截断点处的输入信号电压为若定义在截断点处的输入信号电压为 2226103019232a Va V1343IPaVa253 3功率放大器的非线性功率放大器的非线性 功率放大器的非线性会使得放大器的输出产生各阶交调积和功率放大器的非线性会使得放大器的输出产生各阶交调积和谐波成分。频带范围内的两个频率稍

15、有不同的基频成分通过非线谐波成分。频带范围内的两个频率稍有不同的基频成分通过非线性放大器后，会产生各阶谐波成分和各阶交调成分。谐波成分离性放大器后，会产生各阶谐波成分和各阶交调成分。谐波成分离应用频带很远，对发射机性能的影响有限，交调成分则靠近应用应用频带很远，对发射机性能的影响有限，交调成分则靠近应用频带，特别是三阶交调积，就位于应用频带范围内，而且它主要频带，特别是三阶交调积，就位于应用频带范围内，而且它主要由三阶非线性引起，能量相对较高，对发射机性能的影响最大。由三阶非线性引起，能量相对较高，对发射机性能的影响最大。 26 功率放大器的非线性效应还会降低信道内的信噪比，这是由功率放大器的

16、非线性效应还会降低信道内的信噪比，这是由于位于信道频带范围内的各阶交调积对有用信号来说都相当于噪声，于位于信道频带范围内的各阶交调积对有用信号来说都相当于噪声，噪声能量增加，使得信道内的信噪比下降，会恶化接收机的解调性噪声能量增加，使得信道内的信噪比下降，会恶化接收机的解调性能能( (增加误码率增加误码率) )。 功率放大器的非线性除了产生各阶交调积和谐波成分外，还功率放大器的非线性除了产生各阶交调积和谐波成分外，还会引起会引起AM-AMAM-AM效应和效应和AMPMAMPM效应。当输入功率增加到一定程度时，效应。当输入功率增加到一定程度时，放大器的增益发生压缩，引起放大器的增益发生压缩，引起

17、AM-AMAM-AM效应，而且，放大器的相移也效应，而且，放大器的相移也不再是一个常数，它随着输入功率的变化而变化，引起不再是一个常数，它随着输入功率的变化而变化，引起AM-PMAM-PM转换转换效应。效应。 27功率放大器的非线性引起星图变形功率放大器的非线性引起星图变形2816166 6 多级大信号放大器的设计多级大信号放大器的设计 大多数实用的晶体管放大器通常是由多级放大器级联而成以构大多数实用的晶体管放大器通常是由多级放大器级联而成以构成多级放大器。在大功率放大器中，每一级放大器都应工作于最大成多级放大器。在大功率放大器中，每一级放大器都应工作于最大功率状态以满足最大功率传输条件。在以

18、下几节中我们将对多级大功率状态以满足最大功率传输条件。在以下几节中我们将对多级大功率放大器做详细讨论。功率放大器做详细讨论。 N N级放大器欲使其稳定工作，必须确保各单级放大器及级联后的级放大器欲使其稳定工作，必须确保各单级放大器及级联后的总放大总放大 29 大功率放大器的宗旨是产生尽可能高的输出功率。组成这种多大功率放大器的宗旨是产生尽可能高的输出功率。组成这种多级放大器中的每一级放大器都应工作在或接近于大信号状态下的级放大器中的每一级放大器都应工作在或接近于大信号状态下的1dB1dB增益压缩点处。这意味着在用等功率曲线进行设计时，应选择增益压缩点处。这意味着在用等功率曲线进行设计时，应选择

19、 处处 处的处的( (每级晶体管的输出端每级晶体管的输出端) )，再由共轭匹配条件，再由共轭匹配条件确定输入端的参量以获得最小的确定输入端的参量以获得最小的VSWRVSWR，满足最大功率传输条件，即，满足最大功率传输条件，即 maxOUTPP3016166 62 2 三阶截止点总功率三阶截止点总功率 大功率放大器的设计不仅要获得大功率输出，同时也要具有高大功率放大器的设计不仅要获得大功率输出，同时也要具有高三阶截止点三阶截止点(T01)(T01)。若各级放大器在。若各级放大器在TOITOI处的功率己知，则在假设处的功率己知，则在假设各级各级 ，同相叠加的前提下其多级功率放大器的总，同相叠加的前

20、提下其多级功率放大器的总 可由下式可由下式得到：得到：PG为功率增益为功率增益 , ,若各级放大器特性若各级放大器特性致，即致，即 1,2, 1,2,PkPTOIkGGknPPkn21111111nTOIPPPPPGGGTOIP31实际中，实际中，n n可能会比较大但不可能为无穷大，因此式给出了多级放可能会比较大但不可能为无穷大，因此式给出了多级放大器在三阶截断点处总功率的最佳值，此值是衡量功率放大器的大器在三阶截断点处总功率的最佳值，此值是衡量功率放大器的特征指标，类似于前面介绍的低噪声放大器的特征指标特征指标，类似于前面介绍的低噪声放大器的特征指标噪声因噪声因子子M M1 1/111 1/

21、nPTOIPGPPGn 1 1/TOIPPPG3216166 63 3 动态范围动态范围 如前所述，放大器动态范围的下限由噪声因素确定如前所述，放大器动态范围的下限由噪声因素确定( )( )，上限由上限由1dB1dB增益压缩点确定增益压缩点确定 因此，对于因此，对于n n级放大器便有：级放大器便有：1.1.动态范围的下限动态范围的下限,modsP1dBP,m,10lg10lgodscasA totPKT dBmBFGdBX dBmA12totnGGGG，1231121111sacFFFFGGG33特殊情况：特性一致的放大器。对于级数特殊情况：特性一致的放大器。对于级数n n很大且特性一致的多很

22、大且特性一致的多级放大器，可简化为级放大器，可简化为, 1,2, 1,2,AkAknA totAGGknFFknGG1111 1/sacAFFMG ,m10lg10lg 1odsAPKT dBmBMnGdBX dBm34对于级数很大的多级放大器第一级放大器的对于级数很大的多级放大器第一级放大器的 为为,m1odsP,m110lg10lgodsAPKT dBmBFGdBX dBm,m,m,1,110lg1odsodso ncaso nAPdBmPdBmPMPnGdBF,m,m1odsodscasPP可得出一个重要结论：多级放大器的总输出最小可检测信号可得出一个重要结论：多级放大器的总输出最小可检

23、测信号 决定于第一级放大器的最小可检测信号因此，决定于第一级放大器的最小可检测信号因此， 设法使第设法使第一级工作于输出噪声最小状态是至关重要的。一级工作于输出噪声最小状态是至关重要的。 ,m1odsP,modscasP352 2动态范围的上限动态范围的上限在动态范围上限处，即在动态范围上限处，即1dB1dB增益压缩点处的多级总输出功率增益压缩点处的多级总输出功率 可按类似于式的形式写出可按类似于式的形式写出1,1,1,112 1,11111dB casdB nPndB nPnPnPdBPPG PG GG P1,1 1,2, 1,2,PkPdB kdBGGknGGkn211,111111111

24、11 1/nPndB casdBPppdBPGPPGGGPG若各级放大器的特性一致，即若各级放大器的特性一致，即1,dB casP36对于无限级相同的级联放大器，可写为对于无限级相同的级联放大器，可写为1,11 1/dB casdBPPPG1,1,dB casdB nPP多级放大器在多级放大器在1dB1dB增益压缩点处的输出功率小于或等于末级放大器增益压缩点处的输出功率小于或等于末级放大器在该点处的输出功率。在该点处的输出功率。结论结论 设法使多级功率放大器的末级工作于最大输出功率状态是设法使多级功率放大器的末级工作于最大输出功率状态是至关重要的。至关重要的。3716166 64 4 宽动态范

25、围多级放大器的设计宽动态范围多级放大器的设计对于对于n n级放大器，其实际动态范围级放大器，其实际动态范围(dynamicrange(dynamicrange，DR)DR)为为1,mdB casodscasDRPPdB 对于宽动态范围多级放大器的设计，主要应考虑以下几点：对于宽动态范围多级放大器的设计，主要应考虑以下几点： (1)(1)由式得结论：多级系统的第一级决定着系统输出功率的下限由式得结论：多级系统的第一级决定着系统输出功率的下限。理想情况下可取。理想情况下可取,m,m1odsodscasPP(2)(2)可得结论：多级系统的末级决定着系统输出功率的上限。可得结论：多级系统的末级决定着系

26、统输出功率的上限。理想情况下可取理想情况下可取1,1,dB casdB nPP对多级放大器所能期望的最大动态范围或最佳动态范围估计值对多级放大器所能期望的最大动态范围或最佳动态范围估计值maxDR为max1,m1dB nodsDRPPdB38而对于而对于N N级相同的放大器，则有级相同的放大器，则有max,1/o ndBPDRDRPPG ,modscasP,modscasP 级数级数N N或各单级增益或各单级增益GAGA的增加将导致系统的总增益和的增加将导致系统的总增益和 的增加又将导致系统有效动态范围的减小。因此，多级放大器在总的增加又将导致系统有效动态范围的减小。因此，多级放大器在总增益和

27、动态范围之间有个折中处理。增益和动态范围之间有个折中处理。 例例1 1设计一个如图所示的设计一个如图所示的10W(40dBm)10W(40dBm)功率放大器，其工作频率为功率放大器，其工作频率为1GHz1GHz，输入信号为，输入信号为1mW(0dBm)1mW(0dBm)。设计中可选用的放大器参数如下表。设计中可选用的放大器参数如下表所示：所示：39(1)(1)欲在一个线性区域内获得欲在一个线性区域内获得10W10W的输出功率，问该如何对所给的放大器的输出功率，问该如何对所给的放大器A A、B B、C C进行排序以构成三级级联放大器。进行排序以构成三级级联放大器。(2)(2)按问题按问题1 1中

28、的电路结构试确定该放大系统在室温中的电路结构试确定该放大系统在室温(T(T290K)290K)下、工作频率为下、工作频率为1GHz1GHz、带宽为、带宽为100MHz100MHz时的最佳动态范围估计值。设时的最佳动态范围估计值。设X=3dBX=3dB。0/GdB1/dBGdB1/dBGdB/F dB放大器AMP-A1640153AMP-B1638152AMP-C203219240 解解 (1)(1)级联放大器的合理安排序考虑如下：级联放大器的合理安排序考虑如下：a a因要求输出功率为因要求输出功率为40dBm40dBm，所以应选放大器，所以应选放大器A A为输出级，因其可为输出级，因其可提供所

29、期望的功率值提供所期望的功率值 40dBm)40dBm)。但由于放大器。但由于放大器A A在在1dB1dB增益增益抑制点处工作，故其线性增益会降低抑制点处工作，故其线性增益会降低1dB1dB。 因此，计算时应用因此，计算时应用 b b因放大器因放大器C C具有具有,A,A最低最低d d的的B1dBB1dB增益抑制点功率和最高增益，故增益抑制点功率和最高增益，故应置于第一级，因级联系统输入级的高增益可降低第二级噪声的应置于第一级，因级联系统输入级的高增益可降低第二级噪声的影响。影响。 c c因放大器因放大器B B具有较高的具有较高的 和较低的噪声系数，故置于中间级。和较低的噪声系数，故置于中间级

30、。最终结构如图所示，各级的功率值及增益值已示于图中。最终结构如图所示，各级的功率值及增益值已示于图中。1,=15dB dB AP1,dB AP1dBP41 (2)最佳动态范围估计值计算如下：最佳动态范围估计值计算如下：max1,m1dB nodsDRPPdB8,m174 10lg10322069odscPdBm max4069109DRdB 42印制板上阻抗不连续的典型要素印制板上阻抗不连续的典型要素5.4、高速信号完整性设计、高速信号完整性设计43Ansoft HFSS电磁兼容软件介绍电磁兼容软件介绍5.4、高速信号完整性设计、高速信号完整性设计44 PA PA设计的一般步骤设计的一般步骤

31、为了完成功放特性仿真，为了完成功放特性仿真，PAPA设计通常需要以下步骤。设计通常需要以下步骤。 (1)(1)将厂家提供的晶体管模型库导入到将厂家提供的晶体管模型库导入到ADSADS模型库中。模型库中。 (2)(2)根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。 (3)(3)进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路和直流扼流等。和直流扼流等。 (4)(4)确定仿真类型确定仿真类型(S(S参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等交流仿真等) )、仿真参、仿真参4

32、56 61 13 3 负载牵引设计方法负载牵引设计方法 通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主，因此将使得功率放大器通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主，因此将使得功率放大器的功放管工作在趋近饱和区，的功放管工作在趋近饱和区，S S参数会随着输入信号的改变而改变，尤其参数会随着输入信号的改变而改变，尤其S21S21参数参数会因输入信号的增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而会因输入信号的增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而变小，不同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态。换言之，原本功率变小，不同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态

33、。换言之，原本功率元件在小信号工作状态下，输出输入端都是设计在共轭匹配的最佳情况下，随元件在小信号工作状态下，输出输入端都是设计在共轭匹配的最佳情况下，随着功率元件进入非线性区，输入输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时，功着功率元件进入非线性区，输入输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时，功率元件就无法得到最大的输出功率。所以，设计功率级放大器的关键就在于匹配率元件就无法得到最大的输出功率。所以，设计功率级放大器的关键就在于匹配网络，这可以利用负载牵引网络，这可以利用负载牵引(Load-Pull)(Load-Pull)原理找出功率放大器最大输出功率时的原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部负

34、载阻抗最佳外部负载阻抗ZLZL。 功率放大器在大信号工作时，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的功率放大器在大信号工作时，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而改变。因此，必须在史密斯图增加而改变。因此，必须在史密斯图(Smith chart)(Smith chart)上，针对给定一个输入功率上，针对给定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线(Power contours)(Power contours)，帮助找出最，帮助找出最大输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法称为大输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法称为Load-PullLoad-Pull。Load-PullLoad-Pull是决定最佳是决定最佳负载阻抗值最精准的方法，用来模拟及量测功率管在大信号时的特性，如输出功负载阻抗值最精准的方法，用来模拟及量测