射频功率放大器开题报告

1、 第1章 概述 本章介绍了射频功率放大器的研究目的和意义，讨论现阶段的研究现状以及发展趋势，最后阐述了在论文期间所做的主要工作和前期计划结构。1.1课题研究的目的和意义 随着21世纪的到来，人类社会已步入信息时代社会信息极大的改变了人类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求的目标。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在大幅度的增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今快速的发展无线通信已成为信息产业中最耀眼的亮点，并成为社会经济发展的动力。现代通信迅速发展，对射频功率放大器的要求也越来越高，

2、其在整个无线电通讯系统中非常重要，输出功率决定了通讯距离的长短，其他方面也对通讯的效率性能指标起决定性作用。射频功率放大器由于尺寸、线性度高、噪声低等优点，广泛运用与在卫星通信、雷达和电子战以及各种工业装备，伴随着无线通讯和军事领域新标准新技术的发展，对射频功率放大器的性能要求也高，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性，例如为在有限的频谱范围内容纳入更多的内容就要求更多的通讯通道，获得较高的输出功率，现在通讯系统均采用了QPSK、64QSN等线性调制技术，这些调制技术对功放的非线性非常敏感，因而对放大器有更高的线性要求，提高功率放大器的可靠传输，以避免对其他信道的干扰，保证通讯的

3、正常可靠。为了满足各种应用需求，近十几年来人们不断推动射频功率放大器的发展和进步，在这十几年发展过程中，射频器件及射频技术的发展是推动射频功率放大器发展的俩大因素射频器件的发展是射频功率放大器的发展成为可能，射频技术的发展使射频功率放大器的性能得到提高。目前，由于无线领域局域网的市场潜力，世界各国的工业界和科技界都投入巨大的力量，加强这方面的研究与开发工作，对射频的高集成度、成本和小型化追求都把目标集中在多频带和多模式上，即用较少的芯片输在多频带实现各种功能。射频功率放大器的应用领域比较广泛，比如雷达、通讯、导航、卫星地面站。点子对抗中都需要它，如在有源相控阵雷达中射频功率放大器就扮演着重要角

4、色，在电子战中，射频功率可制成有源诱饵，便面飞机被导弹击中，通讯中，射频功率放大器广泛运用与小功率或低数据率终端，如射频功率放大器就很大程度上决定这个人移动电话的通话时间和待机时间。总之需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。与低噪声放大器相比，射频功率放大器除了要满足一定的增益、驻波比、频带外，突出的要求是输出功率和高转换率及减少非线性失真。1.2研究现状和发展趋势对于射频功率放大器的研究方面许多专家教授都对这方面作了相关的研究，得到了许多成果总结，这对我们后期的学习有了很大的帮助，以下是我参考的文献：张利飞、汪海勇在低噪声功率放大器的仿真设计根据非线性结的谐波辐射特性,通

5、过发射基波信号,接收二次或三次谐波/组合波来探测含有非线性结的目标。由于谐波雷达接收机要接收来自非线性结散射回来的微弱的二次或三次/组合波信号,因此对谐波雷达发射机的谐波抑制能力和低噪声提出了较高的要求。而发射机的主要部件是功率放大器,本文根据谐波雷达发射机的要求,设计的放大器的指标为:工作频率:900MHz输出功率:2W(33dBm)功率增益:37dB输入输出驻波比:小于1.5:1三阶交调:-20dBc二次谐波抑制:大于40dB噪声系数:小于1dB1方案确定与器件选择首先从功率增益上考虑,一般功率放大器的增益在15dB左右,为了能达到37dB的功率增益,需要3级放大器,考虑到第一级放大器为小

6、信号放大器,而且小信号放大器的增益比较大,从而确定的方案为两级放大器,即前级小信号放大器和后级大信号放大器。其次从噪声系数上考虑,由于总的噪声系数小于1dB,则要求所选放大器的噪声系数均比较小,考虑到前级放大器的噪声系数对整个系统的影响最大,故前级主要从最小噪声系数上考虑,后级可以在满足一定噪声系数的条件下主要考虑功率1。陈晓飞，沈军等在2014年的文献高线性度CMOS射频AB类功率放大器设计中，指出CMOS射频AB类功率放大器广泛应用于单片集成无线芯片内采用恒定最大电流的方法对其效率进行分析，采用归一化输入电压的方法对其线性度进行分析利用AB类功率放大器系统增益的非线性与CMOS跨导非线性相

7、互补偿，提高了CMOS射频AB类放大器的线性度基于TSMC018mCMOS混合信号工艺，设计了一款两级射频AB类功率放大器2。延涛在2007年的文献高性能CMOS射频功率器件及功率放大器研究与实现中，指出随着人们对无线通讯需求的不断增加，射频集成电路（RFIC）技术迅速发展，成为了集成电路产业新的增长点。在RFIC所采用的工艺技术中，RFCMOS具有成本和集成度方面的巨大优势，是未来无线通讯技术的发展趋势3。许永生在CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究中指出微波低噪声放大器是利用微波低噪声场效应管在微波频段进行放大。特别需要注意的是，因为场效应管都存在着内部反馈，当反馈量达到一定强度时

8、，将会引起放大器稳定性变坏而导致自激，改善微波管自身稳定性采取的是串接阻抗负反馈法，在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗电路，构成负反馈电路。实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替，相当于电感性元件负反馈，这样对电路稳定性有所改善。利用PHEMT芯片，应用混合集成工艺进行设计，在宽频带范围内实现了低噪声系数和低驻波特性。器件的选用恰当与否直接关系到性能指标的优劣，宽带低噪声放大器最关键的器件就是放大器的基础GaAsPHEMT芯片。为满足高增益指标，GaAsPHEMT应具有尽可能高的跨导；同时，为了满足低的噪声系数，GaAsPHEMT自身的噪声系数应尽可能低；由于型谱产品频段较高，为了

9、避免分布参数带来的影响，同时减小体积，GaAsPHEMT选择采用管芯。该项目为了兼顾噪声和增益，所以采用2级放大。第1级放大器的设计必需是最佳噪声设计，即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络，不必追求最大增益；第2级放大器保证输出功率和总增益4。胡柳林在800MHzCMOS低噪声功率放大器设计与仿真功率放大器指出无线发射器中必不可少的组成部分，也是整个发射机中耗能最多的部件，输出功率一般比较大。射频功率放大器的主要作用就是放大射频信号，以输出大功率为目的。射频信号功率的放大实质上是在输入射频信号的控制下将电源直流功率转换为高频功率。相对于其它无线收发组件，大功率、高线性、高效率是功率放大器的基本

10、设计要求。介绍了基于TSMC0.18umCMOS工艺的功率放大器的设计，给出了仿真结果和版图设计。该电路采用两级放大结构，单端输入单端输出。第一级采用共源共栅放大电路，第二级采用差分放大电路，输出由一个平衡不平衡电路转化为单端输出。在3.3V的供电电压下，最大输出功率为16.25dB，增益为20dB，输入1dB压缩点位13dB，带宽为1GHz2GHz，满足设计指标要求5。金香菊在CMOS射频C类低噪声功率放大器研究与设计功率放大器作为射频收发机中功耗和体积最大模块,其性能直接决定了整个射频收发机的成本、功耗和体积,因此研究CMOS射频功率放大器对实现单芯片射频收发机意义重大。本文通过深入分析C

11、MOS射频C类功率放大器的系统结构和工作原理,设计出一个可单片集成的射频C类功率放大器,并完成了版图设计。首先对线性和非线性功率放大器进行了系统总结。采用电流源C类功率放大器模型,推导出功率放大器的效率、漏极电流的频谱、输出功率与导通角的关系,并用于指导功率放大器设计。其次,对基于CMOS工艺的射频C类功率放大器进行研究,并设计出一个中心频率2.4GHz的C类功率放大器。考虑输出功率、功率增益和效率要求,并针对CMOS工艺晶体管击穿电压低和跨导能力有限等缺点,采用单端两级拓扑结构,使用共源共栅和输出级的输入谐振网络等电路设计技术,提高了功率放大器的性能。最后,基于TSMC0.35mSiGeBi

12、CMOSRF工艺,采用Cadence的SpectreRF进行电路仿真和版图设计。仿真结果表明,在使用片上电感后,输出功率达到24dBm,功率增益为24dB,功率附加效率达到34%6。王振，喻志远，雍正平，雷毅在C波段低噪声功率放大器的设计中通过仿真结果可以看出，放大器的输入输出驻波比、噪声和增益等指标基本上都合格。从设计中可以了解使用ADS来设计低噪声放大器的基本方法，首先要做的就是偏置电路的设计，然后用S参数仿真来进行稳定性的判断，若在使用频段内不稳定，还需要进行稳定性的设计。当场效应管工作稳定后就要对其进行阻抗匹配。一般低噪声放大器的第1级需要良好的噪声特性，所以第1级的输入端进行最佳噪声

13、阻抗到50源负载的匹配，输出端进行共轭匹配。如果要考虑到第1级的增益输出不能太低的话，则需要画出增益圆图和噪声圆图，然后选择合适的源阻抗值，牺牲一部分噪声来提高增益。第2级一般为功率输出级，需要的是最大的增益输出，所以第2级一般对输入输出同时向50负载做共轭匹配，在匹配之前，需要算出最佳共轭匹配的ZS和ZL值，这个值只有在电路稳定的情况下才唯一存在的。2级分别设计，再级联，由于计算机已经进行了参数优化，通常不需调整就可达到比较满意的效果。还有器件参数的离散性，以及加工误差，实际加工出来的结果有一些微小差异，这就需要在实际调试中，稍微调整一下分布参数，就可达到最佳的效果7。李斐在宽带射频接收机前

14、端低噪声放大器设计中指出无线通信市场的发展以及人们对无线通信与日俱增的需求推动了这一领域的研究与开发。无线收发机始终向着高性能,高集成度、低功耗、低成本的方向发展。本论文以设计射频无线收发机中关键组成射频接收机前端为目的,研究并设计射频接收机前端的系统和模块。首先从系统的角度出发,简要介绍了射频系统接收的一些性能指标及其衡量标准,系统的分析比较了几种适用于单片集成的射频接收机结构,总结了各自的优缺点,提出在系统结构选取上的设计考虑；然后详细分析了射频接收机前端的两个模块：低噪声放大器和混频器,总结并比较了一些常用的电路拓扑结构8。黄晓华在低噪声射频功率放大器的设计与优化中写到微波和射频工程是一

15、个令人振奋且充满生机的领域，主要由于一方面，现代电子器件取得了最新的发展；另一方面，目前对语音、数据、图像通信能力的需求急剧增长。在这一通信变革之前，微波技术几乎是国防工业一统天下的领域，而近来对无线寻呼、移动电话、广播视频、有绳和无绳计算机网络等应用的通信系统需求的迅速扩大正在彻底改变工业的格局。这些系统正在用于各种场合，包括机关团体、生产制造工厂、市政基层设施，以及个人家庭等。应用和工作环境的多样性伴随着大批量生产，从而使微波和射频产品的低成本制造能力大为提高。这又转而降低了大批新型的低成本无线、有线射频和微波业务的实现成本，其中包括廉价的手持GPS导航设备、汽车防撞雷达，以及到处有售的宽

16、带数字服务入口等9。朱樟明 刘帘曦在PWM CMOS D类音频功率放大器提出了一个高效的PWM CMOS d类音频功率放大器。轨到轨PWM比较器与窗函数被嵌入到d类音频功率放大器。根据TSMC 0.5m CMOS工艺设计结果表明,最大效率为90%,PSRR -75分贝,电源电压范围是2.5 - -5.5 V,1 kHz的THD + N输入频率小于0.20%,无负荷的静态电流是2.8 mA,并关闭当前0.5A。d类音频功率放大器的有效面积约为1.471.52平方毫米。良好的性能,d类音频功率放大器可以应用于多个音频电力系统10。1.3课题准备情况即进度计划现在已经初步了解到射频放大器的基本知识，

17、后期会复习相关与放大器相关的只是，同时准备学习ADS的应用，对毕业设计中需要用到的相关知识资料及软件进行搜集和整理，为使接下来的工作能顺利进行，特拟定了下一阶段的进度计划如下:早进入整理阶段，根据课题查找资料，资料收集以及方案论证，在寒假过程中，下载需要的软件，学习软件的使用，到了开学的时候，第一周到第三周完成开题报告和任务书，第四周到第六周，学习必要的软硬件知识，进行毕业设计，第七周到第九周，完善设计方案，完成预期的设计目标，第十周到第十二周系统定型、整理设计结果。第十三周到第十五周完成毕业设计、答辩。1.4参考文献1张利飞、汪海勇.低噪声功率放大器的仿真设计A.2009年全国微波毫米波会议

18、论文集（下册）C.2009年2陈晓飞，沈军等.高线性度CMOS射频AB类功率放大器设计J.微电子学与计算机.20143延涛.高性能CMOS射频功率器件及功率放大器研究与实现M.北京大学.20074许永生.CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究D,华东师范大学2006年5胡柳林.800MHzCMOS低噪声功率放大器设计与仿真D，哈尔滨工业大学，20066金香菊.CMOS射频C类低噪声功率放大器研究与设计D.电子科技大学,2007年7王振，喻志远，雍正平，雷毅.C波段低噪声功率放大器的设计A，2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）C，2009年8李斐.宽带射频接收机前端低噪声放大器设计D

19、，北京交通大学，2011年9黄晓华.低噪声射频功率放大器的设计与优化D，浙江大学，2010年10ZhuZhangming（朱樟明）,Liu lianxi（刘帘曦）.PWM CMOS class-D audio power amplificrD西安电子科技大学 ,2009年 第二章 射频功率放大器的理论基础 本章介绍了射频功率放大器设计的基础要求，其中包括放大器的基础性能参数、理论介绍、匹配网络以及放大器的稳定性和线性化。2.1放大器的基础知识 放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。 2.1.

20、1放大器简介增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（见射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，

21、主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。 2.1.2放大器的作用及原理原理：高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器

22、或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调

23、谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。2.2功率放大器的性能参数功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等，其中以输出功率、频率响应、失真度三项指标为主。2.2.1 输出功率在设计功率放大器的过程中，其输出功率使用的单位是dBm，它表示0dBm的参照功率1mW,这样输出功率放大器的表达式如下： P=10lgp/0.001w其中p用瓦特表示，1w=30dBm【注】功率放大器的输出功率和功放的供电电压、负载阻抗以及功放组态有关，主要有以下几种方式: 1、最大不失真功率，一般以1000Hz的正弦波

24、为基准，失真小于0.1%时的输出功率。这个功率比较靠谱。（P=U2/2R) 2、最大峰值功率，该功率以最大输出电压最为依据，不考虑实际失真的最大功率，可以是最大不失真功率的2倍。(P=U2/R) 3、最大峰峰值功率，该功率以输出电压的峰峰值为依据，同样不考虑失真是的最大功率，是最大不失真功率的4倍。（P=2U2/R）（括号里是以OCL功放为例，功率和电源电压U、负载电阻R的关系公式表达式。）以上表达式的U均远大于10V，故不考虑输出管的饱和压降。(1) 额定输出功率（RMS）额定输出功率是指在一定的谐波失真指标内，功放输出的最大功率。应该注意，功放的的负载和谐波失真指标不同，额定输出功率也随之

25、不同。通常规定的谐波失真指标有1%和10%。由于输出功率的大小与输入信号有关，为了测量方便，一般采用连续正弦波作为测量信号来测量音响设备的输出功率。通常测量时给功放输入频率为1000Hz的正弦信号，测出等阻负载电阻上的电压有效值（V），此时功放的输出功率（P）可表为P=V2/RL式中：RL为扬声器的阻抗这样得到的输出功率，实际上为平均功率。当音量逐渐开大时，功放开始过载，波形削顶，谐波失真加大。谐波失真度为10%时的平均功率，称为额定输出功率，亦称最大有用功率或不失真功率。 （2）最大输出功率在上述情况下不考虑失真的大小，给功放输入足够大的信号，并将音量和音调电位器调到最大时，功放所能输出的最

26、大功率称为最大输出功率。额定输出功率和最大输出功率是我国早期音响产品说明书上常用的两种功率。通常最大输出功率是额定功率的2倍。但是，在放音时却有这样的情况，两台最大有用功率及扬声器灵敏度都差不多的功放在试听交响乐节目时，当一段音乐从低潮过去以后突然来一突发性打击乐器声，可能一台功放能在瞬间给出相当大的功率，给人以力度感，另一台功放却显得底气不足。为了标志功放这种瞬间的突发输出功率的能力，除了测量上述的最大有用功率和最大输出功率之外，有必要测量功放的音乐输出功率和峰值输出功率。才能全面地反映功放的输出能力。2 频率响应频率响应是指功率放大器对声频信号各频率分量的均匀放大能力。频率响应一般可分为幅

27、度频率响应和相位频率响应。幅度频率响应表征了功放的工作频率范围，以及在工作频率范围内的幅度是否均匀和不均匀的程度。所谓工作频率范围是指幅度频率响应的输出信号电平相对于1000Hz信号电平下降3dB处的上限频率与下限频率之间的频率范围。在工作频率范围内，衡量频率响应曲线是否平坦，或者称不均匀度一般用dB表示。例如某一功放的工作频率范围及其不均匀度表示为：20Hz-20kHz，+-1dB。相位频率响应是指功放输出信号与原有信号中个频率之间相互的相位关系，也就是说有没有产生相位畸变。通常，相位畸变对功放来说并不很重要，这是因为人耳对相位失真反应不很灵敏的缘故。所以，一般功放所说的频率响应就是指幅度频

28、率响应。目前，一般功率放大器的工作频率范围为20Hz-20kHz。 3 失真失真是指重放的声频信号波形发生了不应有的变化。失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、相位失真和瞬态失真等。(1） 谐波失真谐波失真是由功率放大器中的非线性元件引起的，这种非线性会使声频信号产生许多新的谐波成分。其失真大小是以输出信号中所有谐波的有效值与基波电压的有效值之比百分数来表示。谐波失真度越小越好。谐波失真与频率有关。通常在1000Hz附近，谐波失真量较小，在频响的高、低端，谐波失真量较大。谐波失真还与功放的输出功率有关，当接近于额定最大输出功率时，谐波失真急剧增大。目前，优质放大器在整个音频范围内的总谐波失真一般小于0.1%；优秀功放谐波失真值大多在0.03%-0.05%之间。(2） 互调失真当功放同时输入两种或两种以上频率的信号时，由于放大器的非线性，在输出端会产生各频率以及谐频之间的和频和差频信号。例如，200Hz信号和600Hz的信号和在一起，就产生400Hz（差信号）和800Hz（和信号）这两个微弱的互调失真信号。由于互调信号与自然信号没有相似之处，因此容易使人察觉，在比较小的互调失真度时就可以听出来，令人生厌。因此，降低互调失真是提高音响音质的关键之一。（3） 交