射频功率放大器

1、第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器通信电子线路通信电子线路( (第第 2 2 版版) )顾宝良 编著第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 41 1 引言引言4 42 A2 A类射频功率放大器类射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 45 5* * 阻抗匹配网络与网络设计阻抗匹配网络与网络设计4 46 6* * 射频宽带功率合成射频宽带功率合成第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器41 引言引言射频功率放大器射频功率放大器RFPA是发射系统中的主要部分是发射系统中的主要部分在调制器产生射频已

2、调信号后，射频已调信号就由在调制器产生射频已调信号后，射频已调信号就由RFPA将它将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。发射系统框图发射系统框图第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器41 引言引言功率放大器输出功率大，转换效率是主要问题功率放大器输出功率大，转换效率是主要问题通常在通常在RFPA中，可以用中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。谐波，实现不失真放大。A类类(甲类甲类) B类类(乙类乙类)C类类(丙类丙类) D类类(丁类丁类) E类类(戌类戌类) F类类工作状态工作状态开关型功率放

3、大器开关型功率放大器线性功率放大器线性功率放大器第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器42 A类射频功率放大器类射频功率放大器忽略忽略LC的线阻的线阻, 功率管集射极电压功率管集射极电压:UCE=VCC-ICRERE很小很小,功率管的静态集射极电压功率管的静态集射极电压: UCE=UCEQVCC交流工作时交流工作时,输出电压输出电压:uo=-iCRL功率管的集射极间交直流总电压：功率管的集射极间交直流总电压：uCE=VCC-ICRE-iCRLVCC-iCRL理想状态下理想状态下:uCEmin0，uCEmax2VCC。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器42 A类射频功率放大器类射频功率放

4、大器 421 正弦信号输入时的正弦信号输入时的A类类RFPA对于正弦信号输入时对于正弦信号输入时:iC=ICQ+ +iL其中交流分量其中交流分量:iL=ILmsint，而，而ILm ICQA类功放的输出功率类功放的输出功率Po为为: 212122LCQLLmoRIRIP 电源供给功率电源供给功率PD为为: 2LCCCCCQDRVVIP 效率为效率为: : 22222221 22CQLmCCLLmCCCQLLmDoIIVRIVIRIPP 当当ILm=ICQ时，效率时，效率最高，即最高，即max50。 理想状态下，理想状态下，ULm=ILmRLICQRL VCC第第4章章 射频功率放大器射频功率放

5、大器42 A类射频功率放大器类射频功率放大器 421 正弦信号输入时的正弦信号输入时的A类类RFPA )(maxLsatCECCLmRUVI 1212)(max CCsatCEVV 实践中功率管有饱和压降实践中功率管有饱和压降UCE(sat)，它将会引起失真和降低效率。，它将会引起失真和降低效率。这时集电极电流中的交流峰值最大值为这时集电极电流中的交流峰值最大值为最高效率为最高效率为:第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器42 A类射频功率放大器类射频功率放大器 422 方波信号输入时的方波信号输入时的A类类RFPAICQ为工作点为工作点Q处的直流电流值，方波电流幅值处的直流电流值，方波电流

6、幅值ILm ICQ。输出功率输出功率: :LCQCCCQDRIVIP2 效率：效率：22/CQLmDoIIPP 如果如果ILm=ICQ，则，则100% 根据功率管的这一特性根据功率管的这一特性, ,可设计出开关工作状态的可设计出开关工作状态的功放电路功放电路,D,D类、类、E E类和类和F F类类功放等。功放等。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器42 A类射频功率放大器类射频功率放大器 422 方波信号输入时的方波信号输入时的A类类RFPA如果如果LC回路调谐在基波选出基波频率分量，输出功率：回路调谐在基波选出基波频率分量，输出功率： 2121emoRIP I1m为为 iL中的基波电流振

7、幅：中的基波电流振幅： LmmII 41 基波最大输出功率基波最大输出功率: 88222max CCCQeLmoVIRIP 最高效率最高效率: 81%82maxmax DoPPLC回路谐振阻抗回路谐振阻抗 如果把如果把LC回路调谐在回路调谐在n次谐波上，就可实现次谐波上，就可实现n次倍频。但效率随次倍频。但效率随n很快下降，即很快下降，即n n= =8/n22，但能实现不失真倍频。，但能实现不失真倍频。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器43 B类和类和C类射频功率放大器类射频功率放大器 431 B类射频功放电路类射频功放电路(a)B类功放偏置类功放偏置 (b)B类功放类功放iC波形波形

8、图图431 B类功放偏置和类功放偏置和iC波形波形iC信号严重失真信号严重失真为实现正弦信号的不失真放大，在这种为实现正弦信号的不失真放大，在这种B B类功放中也常常采用类功放中也常常采用LCLC并联谐振回来选出基波正弦分量。并联谐振回来选出基波正弦分量。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器43 B类和类和C类射频功率放大器类射频功率放大器 431 B类射频功放电路类射频功放电路图图432 集成互补集成互补MOSFET B类推挽功放类推挽功放目前在射频功率放大器集目前在射频功率放大器集成电路中，采用两只互补成电路中，采用两只互补功率功率MOSFETMOSFET的的B B类推挽功类推挽功率放

9、大器。率放大器。图中图中T Tl l为为N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET，T T2 2为为P P沟道耗尽沟道耗尽型型MOSFETMOSFET，恒流源，恒流源I IQ Q和和R Rb b是是T Tl l和和T T2 2的偏置电路。在的偏置电路。在输入信号电压超过功率管输入信号电压超过功率管的门限电压前，的门限电压前，MOSFETMOSFET不不导通。导通。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432 C类射频功放原理类射频功放原理如果将功率放大器偏置在功率管的导通时间小于半个周期，即导通如果将功率放大器偏置在功

10、率管的导通时间小于半个周期，即导通通角通角 , ,则这种工作状态称为则这种工作状态称为C C类类。2 0 sin2121 tttItIiDCmC，1sin CmDCmIII 其其中中：第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432 C类射频功放原理类射频功放原理iC中的直流分量中的直流分量IC0可以由如下积分关系计算可以由如下积分关系计算: 2)(cos2)()sin(21121021 DCmDCmCIItdItII第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432

11、C类射频功放原理类射频功放原理功率管的导通通角功率管的导通通角 2 =2-1，或或12 代入上式可得直流分量代入上式可得直流分量IC0为：为： )cos(sin0 CmCII第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432 C类射频功放原理类射频功放原理iC中的基波分量幅值中的基波分量幅值I1m可以用如下积分关系计算可以用如下积分关系计算: )2sin2(2)(cos)cos(201 CmDCmmIttdItIIC类功放电路的输出功率类功放电路的输出功率Po为为:22211210)2sin2(82121 LmmcmLmRIIURI

12、PC类功放电路的电源供给功率类功放电路的电源供给功率PD为为:)2sin2(4 cmcmIU )cos(sin0 CmCCCCCDIVIVP第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432 C类射频功放原理类射频功放原理C C类功放的效率类功放的效率为为: : 212101021CCCmCmCCCLmDoIVIUIVRIPP cossin2sin241 CCCmVU若忽略功率管的饱和压降若忽略功率管的饱和压降UCE(sat),则当则当i iC C达最大值达最大值, ,UCm=I1mRLVCC, ,且输出功率且输出功率P Po o为

13、最大为最大。这时这时, cossin2sin241 C类功放在最大输出功率时类功放在最大输出功率时,效率效率是通角是通角的函数。的函数。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 432 C类射频功放原理类射频功放原理与与关系曲线关系曲线当通角当通角减小到接近零时，减小到接近零时，C类功放的效率类功放的效率增加到增加到100，这是理想状态下，这是理想状态下的情况。一般减小的情况。一般减小时，时，是增加的，这是是增加的，这是C类功类功放效率高的原因。相放效率高的原因。相反反,增加时增加时,是降低的。是降低的。当当90时，功放电路时，

14、功放电路工作在工作在B类，这时的理想类，这时的理想效率为效率为78.5。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 4 43 33 C3 C类类RFPARFPA的查表设计方法的查表设计方法C类功率放大器的主要设计计算参数为：类功率放大器的主要设计计算参数为：输出功率输出功率Po、电源供给功率、电源供给功率PD、功率管的管耗、功率管的管耗PT 、功率管的最、功率管的最大集射大集射(漏源漏源)极间电压极间电压uCEmax和功率管最大输出电流和功率管最大输出电流iCmax等。等。基极反偏置电压基极反偏置电压VBB将将功率管偏置在功率管偏置

15、在C类类,它它和输入激励信号幅度和输入激励信号幅度Ubm决定了功放管的导决定了功放管的导通通角通通角 cos1bmBBBEUVU 只有改变只有改变VBB才能改变工作状态。才能改变工作状态。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 4 43 33 C3 C类类RFPARFPA的查表设计方法的查表设计方法若功率管截止若功率管截止,则功率则功率管集射极的最大电压管集射极的最大电压uCEmax2VCC。若功率管导通若功率管导通,则集电则集电极最大电流极最大电流iCmax为：为： cosCmax CmCmIIi 若用基波振幅若用基波振幅I

16、lm表示表示iCmax： 2sin2cos1 21Cmax mIi用归一化峰值电流用归一化峰值电流IM表示：表示： 2sin2cos1 21CmaxM mIiI第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 4 43 33 C3 C类类RFPARFPA的查表设计方法的查表设计方法归一化峰值电流归一化峰值电流IM: 2sin2cos1 21CmaxM mIiIIM与与的关系曲线的关系曲线 IM是是的函数关系的函数关系 在输出功率固定的情况下，功率在输出功率固定的情况下，功率管集电极电流峰值随通角管集电极电流峰值随通角的减的减小而增大。小而

17、增大。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 43 B3 B类和类和C C类射频功率放大器类射频功率放大器 4 43 33 C3 C类类RFPARFPA的查表设计方法的查表设计方法 功率管的管耗功率管的管耗PT可以用电源供给功率可以用电源供给功率PD和输出功率和输出功率Po之差来表示之差来表示: 111 ooDooDTPPPPPPP 12sin2)cos(sin4 oP归一化管耗归一化管耗PT/Po是是的函数关系的函数关系:12sin2)cos(sin4 oTPPPT/ /Po与与的关系曲线的关系曲线 在固定输出功率在固定输出功率Po的情况下的情况下,管耗管耗PT随通角随通角的增大而增加

18、。在给定的增大而增加。在给定管耗管耗PT时时,则对应某一输出功率则对应某一输出功率Po就有一个确定的通角就有一个确定的通角。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器43 B类和类和C类射频功率放大器类射频功率放大器 434 C类类RFPA的倍频功能的倍频功能由于由于C类功放的电流脉冲类功放的电流脉冲iC中含有很丰富的谐波分量，只要中含有很丰富的谐波分量，只要把负载并联把负载并联LC回路调谐在某次谐波上，回路调谐在某次谐波上，C类功放就是倍频功放电路。类功放就是倍频功放电路。C类功放的集电极电流脉冲类功放的集电极电流脉冲iC可表示为可表示为: )( 0 ) ( cossin截止导通 CmCmC

19、ItIi 如果将时间原点移到电流脉冲的中心，则导通期间电流脉如果将时间原点移到电流脉冲的中心，则导通期间电流脉冲冲iC可表示为可表示为: coscos CmCmCItIi 用傅里叶级数展开，可得各次谐波分量的振幅为用傅里叶级数展开，可得各次谐波分量的振幅为:02(coscos )cos( t)nmCmIItn td 1)-(cos sin-sin cos 2nnnnnICm 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器43 B类和类和C类射频功率放大器类射频功率放大器 434 C类类RFPA的倍频功能的倍频功能 1)-(cos sin-sin cos 2nnnnnIICmnm n为谐波次数为谐波次

20、数, ,且且n2. .各次谐波的振幅各次谐波的振幅Inm与通角与通角有关有关. . Inm /ICm与与关系曲线关系曲线图中仅画出了图中仅画出了n =2，3，4等三条曲等三条曲线。由图中可知，各次倍频谐波最线。由图中可知，各次倍频谐波最大幅值，有一个最佳通角大幅值，有一个最佳通角。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器 44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器 A、B、C类功放是通过不断减小功率管的导通时间类功放是通过不断减小功率管的导通时间(减小通角减小通角)来提高效率的。来提高效率的。 减小时，效率减小时，效率虽提高了，但基波振幅虽提高了，但基波振幅I1m却减小了，却减小了，从而使输

21、出功率下降。从而使输出功率下降。 功率消耗在管子上的原因是集极电流功率消耗在管子上的原因是集极电流iC流过功率管时，流过功率管时，功率管集射极间电压功率管集射极间电压uCE不为零。不为零。 )(21 tdiuPCCET高效射频功放高效射频功放开关型功放开关型功放 （D类、类、E类和类和F类）类）A、B、C类功放类功放线性功放线性功放第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 41 D1 D类类RFPARFPAD类功放电路类功放电路 D类类RFPA通常采通常采用两只功率管组成推用两只功率管组成推挽工作结构。挽工作结构。 输入激励信号经输入激励信号经

22、变压器倒换相位后，变压器倒换相位后，使功率管使功率管T1、T2交替交替导通，并处于开关工导通，并处于开关工作状态。作状态。 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 41 D1 D类类RFPARFPALC回路选择基频时回路选择基频时,负载负载RL上的输出电压上的输出电压uo(t)为为tRRVRtuonLDDLo cos)(2)( 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 41 D1 D类类RFPARFPA流过每管的直流电流流过每管的直流电流ID为为2222221( ) ()cos() 22()D

23、DDoLLonVIut dttdtRRR )(2 2onLDDRRV 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 41 D1 D类类RFPARFPA输出功率输出功率Po为为: : 电源供给功率电源供给功率PD为为 222221 2()omLDDoLLonUR VPRRR222 ()DDoDDDLonVPVIRR第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器44 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 41 D1 D类类RFPARFPAD类功放的效率类功放的效率为：为：onLLDoRRRPP 功率管的管耗功率管的管耗PT为：为： )(2 )(222

24、222onLDDLonLDDoDTRRVRRRVPPP )(2 22onLonDonLononLDDRRRPRRRRRV 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 42 E2 E类类RFPARFPAD类功放存在缺陷：类功放存在缺陷：T2很难饱和，三极管开关时间很难饱和，三极管开关时间实际的效率实际的效率RL/(RL+Ron)E类和类和D类的区别除功率管只用一只管子以外类的区别除功率管只用一只管子以外, ,还在于输出调还在于输出调谐回路的设计能获得所选定的集电极电压和电流波形特性谐回路的设计能获得所选定的集电极电压和电流波形特性 第第4章

25、章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 42 E2 E类类RFPARFPAE类类RFPA的开关等效电路的开关等效电路 射频功率管等效为一个理想开关射频功率管等效为一个理想开关K和饱和导通电阻和饱和导通电阻Ron，C1=C1+C0；第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 42 E2 E类类RFPARFPA 设射频功率管的饱和导通电阻设射频功率管的饱和导通电阻Ron很小，可不考虑。很小，可不考虑。E类类RFPA在在正弦信号一周期内的正弦信号一周期内的ik和和uk波形可波形可作分析作分析.

26、在在0期间期间ik0,而而uk=0;在在2期间期间ik=0,uk0。射频功率管上的管耗。射频功率管上的管耗PT T0,这就是这就是E类类RFPA效率很高的效率很高的基本原因。基本原因。功率管接近理想开关功率管接近理想开关,ik和和uk波形呈波形呈圆滑曲线圆滑曲线,很接近半个正弦波很接近半个正弦波,这与这与D类的方波相比较类的方波相比较,其谐波成分要小其谐波成分要小得多。得多。第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 42 E2 E类类RFPARFPA假设驱动信号是占空比为假设驱动信号是占空比为50%的方波的方波,并考虑功率管的饱和压降并

27、考虑功率管的饱和压降Uces和驱动信号上升时间所带来的非理想因素。则和驱动信号上升时间所带来的非理想因素。则LcesCCCCRUVI734.1 CCceVu562. 3max LcesCCoRUVP2)(577. 0 LcesCCCCCCDRUVIVP2)(577. 0 )( %100理理想想状状态态 DoPP 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 42 E2 E类类RFPARFPA电路中电抗元件和负载电阻电路中电抗元件和负载电阻RL的设计关系的设计关系:oLCQQRC )481. 01(447. 5121 其中其中Q是是L2C2串

28、联谐振回路的品质因素。串联谐振回路的品质因素。Q值高值高,则带宽窄则带宽窄,而且而且工艺设计困难工艺设计困难;Q值低值低,带宽宽带宽宽,而且会降低功放效率而且会降低功放效率,常取常取Q=710。)08. 242. 11(447. 512 QQCC LRL 2ocesCCLPUVR2)(577. 0 第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 44 F4 F类类RFPA RFPA A类类RFPA在方波信号输入时，功率管集电极电压呈方波在方波信号输入时，功率管集电极电压呈方波,负载网络在二次、三次等谐波时有很高的阻抗负载网络在二次、三次等谐波

29、时有很高的阻抗(LC谐振回路选谐振回路选择基波择基波),降低了功率管的管耗，所以降低了功率管的管耗，所以A类类RFPA基波效率可达基波效率可达81%。利用负载网络对谐波的高阻抗。利用负载网络对谐波的高阻抗,使功率管压降呈方波使功率管压降呈方波(或或近似方波近似方波),降低管耗降低管耗,提高效率的射频功放提高效率的射频功放,称之称之F类类RFPA。 F类类RFPA的理想效率应该是的理想效率应该是100%，负载网络的阻抗条件，负载网络的阻抗条件必须是：必须是：mCCIVZ81 基波阻抗基波阻抗第第4章章 射频功率放大器射频功率放大器4 44 4 高效射频功率放大器高效射频功率放大器4 44 44 F4 F类类RFPA RFPA 奇次谐波的奇次谐波的总和给出了总和给出了方波电压方波电压基波和偶次谐波的基波和偶次谐波的总和给出了近似为总和给出了近似为半个正弦电流波形半个正弦电流波形谐波的次数越多谐波的次数越多, ,则电压和电流波形越接近这理想则电压和电流波形越接近这理想F F类波形类波形。同时。同时,F,F类功放的效