射频功率放大器技术.ppt
射频功率放大器技术,主讲：李华,主要内容,功率放大器的应用,1,功率放大器在无线通信系统中的地位,2,功率放大器的结构,3,功率放大器的工作状态,4,功率放大器存在的问题及解决方法,5,什么是功率放大器,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,根据信号频率不同功放不同,射频功率放大器,高频功率放大器,中低频功率放大器,功率放大器,功率放大器的应用,高保真音响系统,功率放大器的应用,电视、汽车音响等,功率放大器的应用,发射无线电广播电信号,信号频率在几十兆到几百兆赫兹,功率放大器的应用,发射电视信号,功率放大器的应用,对讲机、无绳电话,功率放大器的应用,蓝牙耳机,信号频率在24G赫兹，属于射频范围,功率放大器的应用,Diagram of GSM Handset,功率放大器的应用,无线通信基站,功率放大器的应用,电脑无线上网,GPS,功率放大器的应用,卫星通信,无线通信的基本结构,无线电通信系统，由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统,动画演示,无线通信系统,接收机,无线通信收发机结构,收发机包括收信器和发信器,收信器和发信器分别由前端电路和后端电路两部分构成，其接收路径和发射路径各完成三个功能：已调制的有用信号的中心频率从较低频转换到射频（发射路径）或从射频转换到较低频率（接收路径）出现在有用信号所占频带之外的信号被有效抑制，以保证它们不对无线通信链路和数字调制解调的正常工作造成有害影响为了得到最优的系统性能，必须调整信号电平,目前功率放大可以选用功率放大芯片实现，但其核心是三极管和场效应管,功率放大器基本结构,也可选用晶体三极管和场效应管，自行设计外围电路实现功率放大,晶体三极管（BJT）,按材料分有两种：储管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的,N+,N,P,发射极e,集电极c,基极b,发射区,集电区,基区,集电结Jc,发射结Je,三极管内部结构特点:发射区高掺杂;基区很薄;集电结面积大,电路符号,发射结正偏，集电结反偏：放大模式,IE,IB,IC,表示，基极电流IB对集电极电流IC的控制能力。,三极管放大电路动画,0,IC/mA,U(BR)CEO,饱和区、放大区、,截止区、击穿区。,三极管放大作用动画,场效应管,场效应管用输入电压控制输出电流的半导体器件,N沟道JFET,N沟道绝缘栅型,放大电路,功率放大器的工作状态,A（甲）类-A类放大器在整个周期内都处在导通状态，换言之，总有偏置电流流过输出器件。这种结构的失真最小，基本是线形的，但效率也最低，约为20。,B（乙）类输出器件仅只导通半个正弦波的周期，换言之，如果没有输入信号，输出器件就不会有电流流过。这类功放的效率很明显地要优越于A类。通常采用两只乙类功放管构成互补放大，但存在交越失真。,交越失真动画,AB（甲乙）类放大器的工作点既不象乙类放大选得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间小于半周期，工作性能介于甲（A）类和乙（B）类之间,功放工作状态动画,D类-D类放大器是一种开关或PWM功放，在这种功放中，器件要么完全导通，要么完全关闭，大幅度减少了输出器件的功耗。效率可高达909 5,假设输入信号为一个标准的音频信号(正弦波)。将这个音频信号与高频三角波相比较产生一个PWM信号。将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号,E类功率放大器，工作在开关模式。当输入电压Vin大于开启电压时,晶体管工作在可变电阻区,漏源之间有很小的电阻,假设为ron,这相当于开关闭合;如果输入电压Vin小于开启电压时,MOS管处于截至状态,没有电流流过漏级,这相当开关断开,目前功放面临的问题,效率和线性化问题一直是困扰功率放大器性能的问题,发射机的功耗主要在功率放大器，不同类型发射机功放约占全机60-90%,功放效率的提高对延长电池寿命、增加发射功率、散热、减小体积重量起决定作用。,其中PDC为电源供给直流功率，Pout为交流输出功率，Pc为消耗在集电极上的功率,各种工作状态的效率和线性性,功率放大器效率对移动通信运营商降低成本非常重要,例如：移动通信基站采用传统技术的典型功耗为1500 W，而采用新一代技术的功耗为760 W。对于一个5000个基站的WCDMA网络，按一年时间计算，采用新一代基站比传统基站节省电费如下：,节省的电费=功耗差值基站数目电费单价全年的小时数=（1500760）5 000 0.7 1000 24 365=22 688 400 元,非线性特性,(1)信号失真(2)增益1dB压缩点、三阶交调、三阶交截点(3)调幅调相效应(4)频谱扩展,信号失真,（1）无失真传输,输出信号的幅度大小有所变化延时固定,(B)线性失真,系统的幅度频率特性不是常数相位频率特性不是频率的线性函数改变了输入信号各频率分量的相对关系不产生新的频率分量,(C)非线性失真,产生新的频率分量系统特性与端口条件（信号、负载）有关,(2)增益1dB压缩点、三阶交调、三阶交截点,交调失真对模拟微波通信来说，会产生邻近信道的串扰，对数字微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化；因此容量越大的系统，要求IP3越高，IP3越高表示线性度越好和更少的失真,动画演示,(3)调幅-调相效应,输入信号：,输出信号：,基波增益：,(4)频谱扩展,功率放大器的线性化技术,1、功率回退 原理：功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退6-10个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数实现：选用功率较大的管子作小功率管使用,一般来说，功率放大器的输入功率减小ldB，交叉调制系数CM就改善2dB。,优缺点 简单、易实现 降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统,2、负反馈将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通过一定的元件，回送到输入回路并影响输入量(电压或电流)和输出量的过程。,输入回路,输出回路,Re 介于输入输出回路，有反馈。,反馈使 uid 减小，为负反馈。,既有直流反馈，又有交流反馈。,例如：,3、预失真法预失真技术目前应用较为广泛。它使功率放大器线性度大大提高，输出功率增大。原理：在信号放大之前对信号按照一定的规律进行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分量尽可能地小。,预失真的信号可以部分抵消功率放大器中产生的非线性失真,预失真的设计 假设放大器PA的传递函数为,如果总的传递函数,K为常数，是线性放大,而,预失真技术的好处是不必要求功率回退，放大器可以工作在ldB压缩点附近甚至饱和区，所以能得到较高的效率。缺点:预失真回路由于某些因素引起的失真不能起到补偿作用，比如由于温度、直流电压的变化以及器件老化等引起的器件非线性的波动。,目前发展方向：自适应预失真器的功率放大器。,4、前馈法前馈法是目前放大器线性化技术中最先进、发展最为迅速的方法之一。“前馈”线性化技术中的反馈信号与信号流是一致的方向抵消放大器的非线性分量,实际前馈实现原理,优缺点 结构复杂、实现难度大 频带宽、动态范围大 适用于线性要求高的系统,5、包络消除与恢复法（EER）,调制后的RF信号通过藕合器分离出一部分信号来取得包络信息，同时主支路上的RF信号通过限幅器变为恒定包络信号，经由高效率的非线性放大器放大，然后利用前面取出的包络信息控制最后一级功放的直流偏置，进行幅度调制来恢复出信号本身的包络。,线性性能受限的主要因素有两个：包络通道带宽两路信号间的延时差,EER中相位信号带宽大于原信号带宽,ET(包络跟踪)和EER技术的比较,EERET,混合型EER,根据以上线性化技术，设计功率放大器外围电路，当达到预订指标时，可以进行“流片”，制作芯片，以达到批量生产的目的。目前“流片”费用昂贵，所以在“流片”前需要做若干仿真和实验，确保设计正确。,Question Time,
