【E类功率放大器设计6300字（论文）】

E类功率放大器设计摘要功率放大器是无线通信系统中的关键电路，对无线通信系统的数据传输、范围的覆盖、频谱的利用效率等指标都有非常重要的影响。高效率功率放大器可以提高设备的电源使用效率，降低建设投资。对于移动设备来说，可以延长电池的使用寿命，延长终端在更高的通信传输速率和系统容量下的通信时间。因此，高效率放大器一直占据着重要地位。而E类功率放大器是一种新型高效率功率放大器，它和传统的模拟功率放大器不同，E类放大器采用了开关放大的模式，通过降低晶体管在工作过程中的消耗，使得效率有着显著的提升。理论上效率可以达到100%。同时，E类放大器结构也比较简单、元器件也比较少。所以，E类放大器受到了很多的关注，在很多领域都有着它的身影。本文先是介绍了目前几种主要的功率放大器，通过对它们的比较，从而引出E类功率放大器。随后分析了E类功率放大器的工作原理，设计出了一款工作在1.2GHz环境下的E类功率放大器，其实际效率能达到90%，电路结构也比较简单。之后介绍了一些E类功率放大器的优缺点以及未来功率放大器的发展趋势。关键词：E类高效率功率放大器开关放大目录1.绪论 11.1研究E类功率放大器的目的和意义 12功率放大器 22.1功率放大器的发展 22.1.1功率放大器的器件组成和工作原理 22.1.2功率放大器的分类 32.1.3功率放大器的主要参数 42.2E类功率放大器的工作原理 43E类功率放大器的设计 63.1E类功率放大器分析 63.2E类功率放大器的设计与仿真 84E类功率放大器的发展趋势 11结语 12参考文献 131.绪论随着现代科技的进一步发展，无论是企业还是个人对于电子设备的要求也逐渐升高，老旧的电子设备和元器件渐渐无法满足企业或者个人日常生活的需要，慢慢退出了历史舞台，新一代的电子设备在各个领域的科学家手中逐渐问世，其中，功率放大器不管是在军用领域还是民用领域中都占据着重要的地位，作为很多系统中的尖端器件，一直和人们的生活息息相关。除此之外，随着科技的进步，人们对功率放大器的低耗能、高效率、体积小等要求也渐渐增加。在无线通信传输系统中,发射机不可或缺的核心部件之一就是功率放大器，一半以上的功率损耗是由它占据的，因此，功率放大器的设计性能直接决定了发射机的输出性能。因此怎样提高功率放大器的效率成为了当前设计功率放大器的主要目标。E类功率放大器是一种数字开关型放大器，它采用单个晶体管的工作模式，它的特点是晶体管可以等效为一个开关和寄生电容的并联电路，然后利用晶体管自身的寄生电容使得晶体管上电压较大时电流几乎为零、电流较大时电压几乎为零。这样就能减小功率的耗散，显著地提高了功率放大器的效率，理想状态下E类功率放大器的效率可以高达100％。1.1研究E类功率放大器的目的和意义随着我国经济不断的发展，科技也在不断地进步，人们的生活质量也越来越高，各种各样的电子设备也渐渐充实着人们的生活，功率放大器在如今的社会中处处都能找到它的应用，虽然人们不会直接地看到它，但人们无时无刻不在使用着带有功率放大器的电子设备，比如手机、电脑、耳机等等。在现代无线通信系统中，发射机的末级一般都是功率放大器，它的主要作用是将高频信号进行功率放大，直到满足发送功率的要求时，再把放大后的信号传输到天线中，确保能够在一定范围内使用器件接收到比较完整的的信号。功率放大器一直是通信系统中的主要组成部分，发射机中一半以上的功率损耗都是它在占据着。所以，对于整个通信系统而言，十分重要的问题就是如何提高功率放大器的效率、线性度和稳定性等。本文所介绍的E类功率放大器，它的晶体管工作在开关状态时，利用晶体管自身的寄生电容使得晶体管在一个工作周期内不会出现电压和电流同时很大的情况。这样的话，减少了功率消耗，显著地提高了放大器的效率，理想状态下可以达到100%。2功率放大器2.1功率放大器的发展功率放大器，简称“功放”，是将功率放大的器件。在前置放大电路输入一个小信号，放大成足以推动功率放大器的程度，最后后级功率放大电路推动喇叭或者其他设备。它最广泛的应用，是作为输出级来使用。从一般情况上来说功率放大器不局限于音频放大，很多场合都会用到它，如射频、微波、激光等等。1920年，人们对于半导体领域已经有了初步的认识，此时科学家们开始在半导体的基础上进一步研究功率放大器，成功地设计出了传统的模拟功率放大器，这就是A类、B类、AB类和C类功率放大器；研究出了这些功率放大器之后，人们发现AB类功率放大器有着功率回退和效率较低等问题。于是在1936年，美国Bell实验室的射频工程师Doherty第一次提出了D类功率放大器【1】；随后为了进一步提高功率放大器的效率，在1958年，由泰勒设计出了第一款多谐振的F类功率放大器的【2】；之后在1975年，开关E类功率放大器的电路结构首次由N.OSokal和A.DSokal提出【3】，由于这是一种高频性能出色、结构也比较简单的新型开关E类功率放大器，因此在无线通信、开关电源等领域中被广泛地应用。随着无线通信技术的不断发展，提高射频与微波功放的各种性能成为了目前较火热的话题，怎样才能减小功放的尺寸和重量、进一步降低成本，同时又能保证良好的线性度、输出功率及效率是科学家们要研究的主要问题。随着功率放大器的发展，这些问题都将决定着功率放大器未来的发展方向。2.1.1功率放大器的器件组成和工作原理功率放大器需要用到的有源器件主要是晶体管。直流电源功率转换为按照输入信号变化的电流就是利用三极管的控制原理实现的，这也是功率放大器的主要工作原理。由于三极管的集电极电流永远是基极电流的某个倍数，若在基极输入一个小信号，则集电极的电流就会是基极电流的倍数，再使用电容隔离出这个信号，就得到了一个大信号，这个大信号就是原先的小信号的倍数，这也就是三极管的放大作用。再经过不断的电流放大，这样就完成了功率放大。2.1.2功率放大器的分类功率放大器可按照有源器件的工作点不同来分类。将功率放大器分为A类、B类、AB类、C类功率放大器，是根据晶体管在输入信号的一个周期内的导通情况来区分的，其中A类功率放大器：A类功率放大器又被称为甲类功率放大器，放大区中间是其静态工作点Q的位置，在输入信号的整个周期内晶体管始终导通。A类功率放大器非线性失真较小，但是效率较低，理论上效率最高只有50%。B类功率放大器：B类功率放大器又称为乙类功率放大器，静态工作点Q在截止点，在输入信号的半个周期内晶体管导通，它采用两个晶体管推挽工作。B类功率放大器的效率较高，理论上能达到78%，但放大器在非线性区域内有一段，这样的话就会出现交越失真较大的情况。AB类功率放大器：AB类功率放大器又被称为甲乙类功率放大器，这种功率放大器是结合了A类和B类的特点而设计出来的，它在输入信号的半个周期以上晶体管导通，其静态工作点Q靠近截止点，也是用两个晶体管推挽工作，它兼容了A类和B类功率放大器的优势，在两者的性能上做了平衡。C类功率放大器：C类功率放大器也被称为丙类功率放大器，在截止区内是其静态工作点Q的位置，它在输入信号小于半个周期内晶体管导通，效率比B类功率放大器更高。D类功率放大器：D类功率放大器也被称为丁类功率放大器，和前面提到的几种功率放大器不同，这种功率放大器是一种新型数字功率放大器，它和模拟功率放大器不同的地方在于，它采用了开关放大的模式，因此也被称为开关放大器；效率高、失真低，频率响应曲线好，元器件少是它的优点。2.1.3功率放大器的主要参数输出功率：功率放大器的输出功率就是功放电路负载的功率，它可以用1dB压缩点输出功率或者饱和输出功率来表示。其中，1dB压缩点输出功率指当输入较低的功率时，相比增益减少1dB时的输出功率点；饱和输出功率是指在一定的谐波失真范围内，放大器能稳定工作所能输出功率的最大值。失真：失真是指信号的波形不能维持原状而发生变化的现象。信噪比：指信号大小和噪声信号大小的比例关系，信噪比的大小可以用功放电路输出信号电平与输出的噪声信号电平之比的分贝数表示。2.2E类功率放大器的工作原理E类功率放大器采用了单个晶体管工作，它有很多种结构，有并联电容的结构是最为广泛的应用。这种结构是在1975年第一次提出的。E类功率放大器的特点是晶体管作为通断开关，集电极的稳压电压和电流必须在一个周期内不相交。下图2.1为E类功率放大器的基本原理图，晶体管可以等效为开关和寄生电容的并联电路，其中，与直流电源相连的电感为扼流圈，允许直流通过为电路提供能量，阻止电流从此传出，理想状态下感抗无穷大。令扼流圈右边的电感为LX，它的作用是提供一定的感抗，右边的电感和电容分别是LS和CS，它们构成谐振于信号基波频的串联谐振电路，理想状态下品质因数Q无穷大，电阻RL为50Ω负载电阻。电路左侧的闭合开关和并联的寄生电容CP则是晶体管等效的结果。在电路图中的部分电压和电流，其中，令从扼流圈流入电路的输入电流为Idc；令开关和电容CP并联部分的总电流和总电压分别为it和ut，也就是晶体管的电流和电压，都是关于时间的函数；令开关和电容C图2.1E类功率放大器基本原理图图2.2晶体管等效后的E类功率放大器原理图3E类功率放大器的设计3.1E类功率放大器分析设θ=ωt(3.1)由上可得，iθ是输入电流和射频电流之和，令−α1到2π−α1为一个工作周期，假设−α1到α2晶体管导通，这时uθ等于零，icθ也等于零，iswθ和iθ相同；α2到2π−α1晶体管截止，这时i−α1到α∅=α1+α根据之前的分析可知iθ=Irf设m=IrfI那么iθ=Idc可以得出晶体管的电流峰值Ipk=Irf−α1时晶体管电流为零，代入式（3.3Idc1+mcosαcosα1=−在一个工作周期内，晶体管导通时流过的电流均值等于输入电流，由此可得12π−α1α1+α2代入式（3.2）和式（3.8）可得m=1+2π−∅+sin∅这样就得到了m和导通角∅之间的关系，进而可以把很多量和导通角联系起来。晶体管截止时，两端的电压uθ为电流在电容CuCθ=1uCθ=I当晶体管电流为零时，电压达到最大值。根据余弦函数图像的对称性可得α1Upk=Idc再用傅里叶公式对其进行正交分解，分解为正弦和余弦两个部分正弦部分：US=1π化简后代入式（3.8）和式（3.10）可得US=mIdc余弦部分：UC=1π化简后代入式（3.10）可得US=−Idc在LX，LS，CS和RL构成的串联回路中，LS和C在一个周期内，晶体管截止时两端的电压均值等于电源电压，由此可得Udc=IdcUdc=mIdc4πω我们发现式（3.20）和之前的式（3.18）很相似，为了进一步得到各个量之间的关系，分析如下输入功率Pdc=Idc由于电路的理论效率能达到100%，所以Pdc=Prf通过比较式（3.18）和式（3.20）以及电流的峰值电流和有效电流的关系，可得Prf=−I功率只由负载消耗，因此右端可以看做是负载电阻两端有效电压和有效电流的乘积，进而能求出负载电阻的阻值RL=Uc或者RL=2P通过之前对串联回路的分析，可以求得感抗XL=US进而得出电感LX=XL3.2E类功率放大器的设计与仿真图3.1为AWR软件下的E类功率放大器的设计原理图，图3.2为该放大电路在各个频率下的功率附加效率，图3.3和图3.4为E类功率放大器晶体管集电极的电压、电流波形，图3.5为E类功率放大器输出功率与输入功率波形的比较。由图3.2可得，当输入信号的频率为1.2GHz时，该E类功率放大器可以得到较高的效率，因此，我们选择输入信号为1.2GHz的正弦波。图3.1E类功率放大器的设计原理图图3.2E类功率放大器功率附加效率图3.3E类功率放大器晶体管集电极电压波形图3.4E类功率放大器晶体管集电极电流波形图3.5E类功率放大器输入功率与输出功率比较波形由上图3.3和图3.4可以得到，在一个周期范围内，E类功率放大器晶体管集电极电压和电流不会同时出现，当电压不为零时，电流值为零；当电压为零时，电流值不为零，这样就能极大可能地减少功率的消耗。由图3.4经过输入功率和输出功率的比对可以看出，E类功率放大器的效率很高，几乎可以达到90%以上4E类功率放大器的发展趋势近些年来，影响功率放大器发展的因素有很多，主要是器件、技术和工艺，通过对一些文献和功率放大器的分析可以知道，高效率功率放大器依然是现阶段主要的发展方向，所以E类功率放大器依然会成为未来一段时间功率放大器的重点研究目标。目前科学家们已经通过对E类功率放大器的工作原理的分析取得了一些进展，在E类功率放大器的基础上提出了一些新的结构。例如F3/E在功率放大器的实际应用和发展趋势下，E类放大器在未来一段时间的的研究方向可以总结为以下几个方面：对E类功率放大器的性能继续提升、提出E类功率放大器的新的设计方法以及集成E类功率放大器。结语高效率功率放大器技术是无线通信领域内放大器技术的伟大革新。该技术能在使用相同直流功耗的情况下极大地提高通信基站和终端系统的效率，它推动着移动通信系统的进一步发展，是现代无线通信技术的中坚力量。本文总结了E类功率放大器设计的主要指标和一些理论知识，基于E类功率放大器的结构简单、效率较高等特点，通过对E类功率放大器的原理进行分析，设计出了一款简单的工作在1GHz环境下的E类功率放大器，从仿真结果来看，该放大器具有较高的效率，这样就能极大地减少功率的无用损耗。本次设计的不足之处是，虽然设计已经满足了E类功率放大器的基本要求，但由于自身能力的不足，没有能够更多的测试E类功率放大器的其他复杂结构。虽然此次设计已经取得部分成果，但要把电路结构研究透彻、控制熟练、举一反三，还需要大量的时间和精力，在未来参加工作或进一步的深造过程中，我还会回顾此次设计的内容，争取对电路结构深入研究。参考文献[1]W.H.Doherty.Anewhighefficiencypoweramplifierformodulatedwaves[J].Proc.Inst.RadioEng.,1936,24(9):1163-1182.[2]V.J.Tyler.Anewhigh-efficiencyhigh