射频功率放大器技术

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2～4G赫兹，属于射频范围功率放大器的应用DiagramofGSMHandset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+NP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IEIBICβ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+-TVCEIBVBEIC+-UCE/VIB=40A30A20A10A00IC/mAU(BR)CEO饱和区、放大区、截止区、击穿区。IB/

AUBE/VUBE(on)0U(BR)BEOIEBO+ICBO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FET场效应管MOSFET绝缘栅型(IGFET)JFET结型N沟道JFETN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90～95％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PC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放工作状态效率线性度A类理想50%，实际5～20%很好B类理想78.5%，实际40%左右有失真，有一定线性度AB类理想50-70%，实际60%较好D类理想80～90%，实际80%很好（仅适合低频）E、F类理想100%，实际90%完全非线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1500W，而采用新一代技术的功耗为760W。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=（1500－760）×5000×0.7÷1000×24×365=22688400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