功率放大器综述

1、功率放大器 (Power Amplifier)综述报告人：时间：目录 PA发展历程及研究意义 PA分类及其特性 PA主要指标 参考文献一、功率放大器 (PA) 的发展历程及研究意义1. 功率放大器的概述 2. 功率放大器发展历程： 射频器件发展 射频技术发展 电路设计发展3. 功率放大器的研究意义功率放大器概述 射频功率放大器 (RF PA) 作为各种无线发射机的重要模块，在现代 通信系统中的主要作用是在工作频段高效率地放大射频小信号，并将大功率射频信号传输到发射天线中。 射频功率放大器的工作过程，实际上是将电源直流功率在输入调制信号的控制下转换成具有相同频率、相同相位的大功率信号。 提高射频

2、功率放大器的输出功率、工作效率以及线性度和稳定性等性能指标对于整个通信系统具有重要的意义。1948年双极晶体管(BJT)1952年提出结型场效应管(JFET) 硅双极晶体管开始应用于射频微波领域，可以对从几百兆赫(UHF)到Ka波段的信号进行放大70年代以后GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管(GaAs MESFET) 使射频微波功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点80年代ALGaAs/GaAs或InP/InGaAs组成的异质结双极晶体管(HBT) 射频固态功率放大器的工作频率到毫米波频段90年代多种新型固态器件 高电子迁移管(HEMT)、假同晶高电子 迁 移 管(PHEMT)、异质结

3、场效应管(HFET)、异质结双极管(HBT) 多种新材料如InP,SiC及CaN 这些器件能够对100GHz乃至更高频率的信号进行放大，而且在多数情况下可以运用MMIC技术射频技术发展DSP技术和微处理控制技术 广泛地应用各种功率放大器线性化技术 复杂的反馈技术和预失真技术来提高放大器的效率及线性度功率合成技术 采用多个放大管输出高达几千瓦的功率宽带技术 对带宽达几十个GHz以上的信号进行放大各种效率增强技术射频功率放大器的应用 射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种工业装备中。 在军用与铁路通信中，功率放大器通常被

4、用于无线通信系统发射机、军用雷达的核心器件。 在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s，单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。 为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就要求提高PA的效率。 为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益。A类功率放大器的导通角=360，高线性度，最高效率也只有50%，常用于小信号放大。B类放大器由于采用零偏置，导通角=180，理想状态下的效率最高可达到78.5%，常用于中低频大功率放大电路。AB类功率放大器的导通角180360，效率和线性度折中的电路类

5、型，最大效率在50%与78.5%之间，动态范围有限，一般从一15dB到30dB。C类功率放大器又被称为谐振功率放大器，其导通角180，动态范围非常窄，只能在0dB到6dB范围内变化，效率取决于导通角大小，不能用于调幅信号的放大。二、功率放大器的分类二、功率放大器的分类 开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到功耗为零

6、，理想的效率能达到100%。1958年，D类PA具有体积小、功率高等特点2001年，逆D类(Current Mode Class D,CMCD)1975年，E类PA是一种强开关型、高效率的PA2005年，逆E类PA从一定程度上降低了PA电路受功率器件寄生效应的影响1958年，F类PA是一种由谐波控制的高效率PA2000年，逆F类PA提高F类PA的效率，降低直流功率2006年，J类PA是一种利用调整二次谐波、控制电压与电流而获得良好宽带特性的PA2010年，Continuous F类PA，实现宽带特性下功率器件的输出具有恒定功率、高效率特性;2012年，Continuous E类PA的设计方法，

7、使宽带Continuous E类PA的进一步实现有了可能，但目前仍处于理论研究中二、功率放大器的分类 三、射频功率放大器的主要指标射频放大器的系统框图三、射频功率放大器的主要指标 工作频带:指放大器满足或者超过设计参数要求的工作频率范围。输出功率:功率放大器的输出功率可以采用饱和输出功率(Psat)或1dB压缩点输出功率(P1dB)来表征增益及增益平坦度:增益是指放大器输出端口的功率与输入端口功率的比值。功率附加效率PAE：全面反映放大器输出功率与外加功率的关系输入输出电压驻波比:表示放大器的输入输出端口与负载的匹配度参考文献 1 王志华，吴恩德，“CMOS射频集成电路的现状与进展”，电子学报

8、，2001. 2 Timothy C. Kuo and Bruce B. Lusignan, “A 1.5W Class-F RF Power Amplifier in 0.2m CMOS Technology”, in IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2001. 3 Alireza Shirvani, David K. Su and Bruce A. Wooley, “A CMOS RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Con

9、trol”, in IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2001. 4 Mona M. Hella and Mohammed Ismail, “A Digitally Controlled CMOS RF Power Amplifier”, in IEEE Midwest Symposium on Circuits & Systems, 2001. 5 Y. Kim, C. Park, H. Kim and S. Hong, “CMOS RF power amplifier with reconfigurable tr

10、ansformer”, in ELECTRONICS LETTERS, March 2006. 参考文献 6 Patrick Reynaert and Michiel Steyaert, “A Fully Integrated CMOS RF Power Amplifier with Parallel Power Combining and Power Control”, in IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, 2005. 7 N. Srirattana, P. Sen, H.-M. Park, C.-H. Lee, P. E. Allen

11、, and J. Laskar, “Linear RF CMOS Power Amplifier with Improved Efficiency and Linearity in Wide Power Levels”, in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2005. 8 戚威，“射频功率放大器的研究与设计”，硕士学位论文，2009. 9 Hongtak Lee, Changkun Park, and Songcheol Hong, “A Quasi-Four-Pair Class-E CMOS RF Power Amp

12、lifier With an Integrated Passive Device Transformer”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2009. 参考文献 10 Fada Yu, Enling Li, Ying Xue, Xue Wang and Yongxia Yuan, “Design of 2.1GHz RF CMOS Power Amplifier for 3G”, in International Conference on Networks Security, Wireless Comm

13、unications and Trusted Computing, 2009. 11 Brecht Franois and Patrick Reynaert, “A Fully Integrated Watt-Level Linear 900-MHz CMOS RF Power Amplifier for LTE-Applications”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, June 2012. 12 Shiang-Yu Tsai, Chun-Yu Lin, Li-Wei Chu and Ming-Dou Ker, “

14、Design of ESD Protection for RF CMOS Power Amplifier with Inductor in Matching Network”, in IEEE Asia Pacific Conference on Circuits & Systems, 2012. 13 Seunghoon Kang, Bonhoon Koo, and Songcheol Hong, “A Dual-Mode RF CMOS Power Amplifier with Nonlinear Capacitance Compensation”, in Asia-Pacific

15、 Microwave Conference, 2013. 14 Sunghwan Park, Jung-Lin Woo, Unha Kim and Youngwoo Kwon, “Broadband CMOS Stacked RF Power Amplifier Using Reconfigurable Interstage Network for Wideband Envelope Tracking”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2015. 参考文献 14 Sunghwan Park, Jung-L

16、in Woo, Unha Kim and Youngwoo Kwon, “Broadband CMOS Stacked RF Power Amplifier Using Reconfigurable Interstage Network for Wideband Envelope Tracking”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2015. 15 Nathalie Deltimple, Marcos L. Carneiro, Eric Kerherv, Paulo H. P. Carvalho, Did

17、ier Belot, “Integrated Doherty RF CMOS Power Amplifier design for Average Efficiency Enhancement”, in IEEE International Wireless Symposium, 2015. 16 Earl McCune, “A Technical Foundation for RF CMOS Power Amplifiers, Part 2: Power amplifier architectures”, IEEE SOLID-STATE CIRCUITS MAGAZINE, Fall 2015. 参考文献 17 Muhammad Abdullah Khan, Ahmed Farouk Aref, Muh-Dey Wei and Renato Negra, “Highly linear and reliable low band class-O RF power amplifier in 130 nm CMOS tech