《射频功率放大器(RF-PA)概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频功率放大器(RF-PA)概述（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基本概念射频功率放大器(RF PA)就是发射系统中得主要部分,其重要性不言而喻。在发射机得前级电路中,调制振荡电路所产生得射频信号功率很小,需要经过一系列得放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够得射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大得射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。放大器得功能,即将输入得内容加以放大并输出。输入与输出得内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说,它得“贡 献”就就是将其所“吸收”得东西提升一定得水平,并向外
2、界“输出”。如果放大器能够有好得性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身得“价值”。如果放大器存在着一定得问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任 何“贡献”,反而有可能出现一些不期然得“震荡”,这种“震荡”对于外界还就是放大器自身,都就是灾难性得。射频功率放大器得主要技术指标就是输出功率与效率,如何提高输出功率与效率,就是射频功率放大器设计目标得核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输出中得谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其她频道产生干扰。分类根据工作状态得不同,功率放大器分类如下:传统线性功率放大器得工作频率
3、很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角得不同,分为甲 (A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流得导通角为360,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流得导通角等于180,丙类放大器电流得导通角则小于180。乙类与丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态得输出功率与效率就是三种工作状态中最高得。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器得电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。开关型功率放大器(Switching Mode PA,S
4、MPA),使电子器件工作于开关状态,常见得有丁(D)类放大器与戊(E)类放大器,丁类放大器得效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管得工作状态要么就是开,要么就是关,其电压与电流得时域波形不存在交叠现象,所以就是直流功耗为零,理想得效率能达到100%。传统线性功率放大器具有较高得增益与线性度但效率低,而开关型功率放大器具有很高得效率与高输出功率,但线性度差。具体见下表:电路组成放大器有不同类型,简化之,放大器得电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。1、晶体管晶体管有很多种,包括当前还有多种结构得晶体管被发明出来。本质上,晶体管得工作都就是表
5、现为一个受控得电流源或电压源,其工作机制就是将不含内容得直流得能量转化为“有用得”输出。直流能量乃就是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用得成分。不同得晶体管不同得“能力”,比如其承受功率得能力有区别,这也就是因为其能获取得直流能量得能力不同所致;比如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高得频带上;比如其面向输入、输出端得阻抗不同,及对外得反应能力不同,这决定了给它匹配得难易程度。2、偏置电路及稳定电路偏置与稳定电路就是两种不同得电路,但因为她们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。晶体管得工作需要在一定得偏置条件下,我们称之为静态工作点。这就是晶体管立足得根本,就是它自身
6、得“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定得定位,其定位不同将决定了它自身得工作模式,在不同得定位上也存在着不同得性能表现。有些定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总就是在饱与与截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当得偏置点,就是正常工作得础。在设计宽带功率放大器时,或工作频率较高时,偏置电路对电路性能影响较大,此时应把偏置电路作为匹配电路得一部分考虑。偏置网络有两大类型,无源网络与有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成,为晶体管提供合适得工作电压与电流。它得主要缺陷就是对晶体
7、管得参数变化十分敏感,并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点得稳定性,还能提高良好得温度稳定性,但它也存在一些问题,如增加了电路尺寸、增加了电路排版得难度以及增加了功率消耗。稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身得一部分存在,再与外界接触。在外界瞧来,加上稳定电路得晶体管,就是一个“全新得”晶体管。它做出一定得“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路得机制能够保证晶体管顺利而稳定得运转。3、输入输出匹配电路匹配电路得目得就是在选择一种接受得方式。对于那些想提供更大增益得晶体管来说,其途径就是全盘得接受与输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同得晶体管之间沟通更加顺畅
8、,对于不同种得放大器类型来说,匹配电路并不就是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅得小型管,更愿意在接受得时候做一定得阻挡,来获取更好得噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为她们更不稳定,同时,一定得保留有助于她们发挥出更多得“不扭曲得”能量。典型得阻抗匹配网络有L匹配、形匹配与T形匹配。其中L匹配,其特点就就是结构简单且只有两个自由度L与C。一旦确定了阻抗变换比率与谐振频率,网络得Q值(带宽)也就确定了。形匹配网络得一个优点就就是不管什么样得寄生电容,只要连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了 形匹配网络得普遍应用,因
9、为在很多得实际情况中,占支配地位得寄生元件就是电容。T形匹配,当电源端与负载端得寄生参数主要呈电感性质时,可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。确保射频PA稳定得实现方式每一个晶体管都就是潜在不稳定得。好得稳定电路能够与晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”得模式。稳定电路得实现方式可划分为两种:窄带得与宽带得。窄带得稳定电路就是进行一定得增益消耗。这种稳定电路就是通过增加一定得消耗电路与选择性电路实现得。这种电路使得晶体管只能在很小得一个频率范围内贡献。另外一种宽带得稳定就是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽得范围内工作。不稳定得根源就是正反馈,窄带稳定思路就是遏制一部分正反馈,当然,这
10、也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外得令人欣喜得优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好得接洽了。另外,负反馈得引入会提升晶体管得线性性能。射频PA得效率提升技术晶体管得效率都有一个理论上得极限。这个极限随偏置点(静态工作点)得选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升得办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。包络跟踪技术得实质就是:将输入分离为两种:相位与包络,再由不同得放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注得负责其各自得部分,二者配合可以达到更高得效率利用得目标。Dohert
11、y技术得实质就是:采用两只同类得晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现得基础就是二只晶体管要配合默契。一种晶体管得工作状态会直接得决定了另一支得工作效率。射频PA面临得测试挑战功率放大器就是无线通信系统中非常重要得组件,但她们本身就是非线性得,因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道,而且可能违反法令强制规定得带外(outofband)放射标准。这个特性甚至会造成带内失真,使得通信系统得误码率(BER)增加、数据传输速率降低。在峰值平均功率比(PAPR)下,新得OFDM传输格式会有更多偶发得峰值功率,使得PA不易被分割。这将降低频谱屏蔽相
12、符性,并扩大整个波形得EVM及增加BER。为了解决这个问题,设计工程师通常会刻意降低PA得操作功率。很可惜得,这就是非常没有效率得方法,因为PA降低10%得操作功率,会损失掉90%得DC功率。现今大部分得RF PA皆支持多种模式、频率范围及调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计得测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络跟踪(ET)等新技术得运用,有助于将PA效能及功率效率优化,但这些技术只会使得测试更加复杂,而且大幅延长设计及测试时间。增加RF PA得带宽,将导致DPD测量所需得带宽增加5倍(可能超过1 GHz),造成测试复杂性进一步升高。依趋势来瞧,为了增加效率
13、,RF PA组件及前端模块(FEM)将更紧密整合,而单一FEM则将支持更广泛得频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM,可有效地减少移动设备内部得整体空间需求。为了支持更大得操作频率范围而大量增加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备得复杂度与测试项目得数量节节攀升。半导体材料得变迁:Ge(锗)、Si(硅)GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、 SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上覆硅) 碳纳米管(CNT) 石墨烯(Graphene)。目前功率放大器得主流工艺依然就是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。其中HBT(hete
14、rojunction bipolar transistor,异质结双极晶体管)就是一种由砷化镓(GaAs)层与铝镓砷(AlGaAs)层构成得双极晶体管。CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器得应用并不广泛。成本方面,CMOS工艺得硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂得设计所投入得研发成本较高,使得CMOS功放整体得成本优势并不那么明显。性能方面,CMOS功率放大器在线性度,输出功率,效率等方面得性能较差,再加上CMOS工艺固有得缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底得电阻率较低。碳纳米管(CNT)由于具有物理尺寸小、电子迁
15、移率高,电流密度大与本征电容低等特点,人们认为就是纳米电子器件得理想材料。零禁带半导体材料石墨烯,因为具有很高得电子迁移速率、纳米数量级得物理尺寸、优秀得电性能以及机械性能,必将成为下一代射频芯片得热门材料。射频PA得线性化技术射频功率放大器得非线性失真会使其产生新得频率分量,如对于二阶失真会产生二次谐波与双音拍频,对于三阶失真会产生三次谐波与多音拍频。这些新得频率分量如落在通带内,将会对发射得信号造成直接干扰,如果落在通带外将会干扰其她频道得信号。为此要对射频功率放大器得进行线性化处理,这样可以较好地解决信号得频谱再生问题。射频功放基本线性化技术得原理与方法不外乎就是以输入RF信号包络得振幅
16、与相位作为参考,与输出信号比较,进而产生适当得校正。目前己经提出并得到广泛应用得功率放大器线性化技术包括,功率回退,负反馈,前馈,预失真,包络消除与恢复(EER),利用非线性元件进行线性放大(LINC) 。较复杂得线性化技术,如前馈,预失真,包络消除与恢复,使用非线性元件进行线性放大,它们对放大器线性度得改善效果比较好。而实现比较容易得线性化技术,比如功率回退,负反馈,这几个技术对线性度得改善就比较有限。1、功率回退这就是最常用得方法,即选用功率较大得管子作小功率管使用,实际上就是以牺牲直流功耗来提高功放得线性度。功率回退法就就是把功率放大器得输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围,在这个范围内,放大器得输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率得继
