功率放大器的基本原理及性能参数

功率放大器基本原理

功率放大器有很多种不同的分类方式，传统上，按照功率放大器放大信号的模式，大体上可将功率放大器分为两类：放大模式功率放大器和开关模式功率放大器。

放大模式功率放大器工作在双极型晶体管的正向放大区和场效应管的饱和区。放大模式功率放大器按照导通角不同又可以分为A类、B类、C类和AB类功率放大器。

对双极型晶体管来说，开关工作模式功率放大器根据双极型晶体管所处的端电压状态，工作在截止区或饱和区；对场效应晶体管而言，开关工作模式放大器根据场效应晶体管所处的端电压状态，工作在截止区或线性区。开关模式功率放大器可以分为D类、E类和F类。

下面分别总结A、B、C和AB类功率放大器。

（1）A类功率放大器

A类功率放大器，晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态，其导通角为360度。A类功率放大器的输入和输出都是完整的正弦波信号，实现信号线性放大，所以A类功率放大器的线性度是最好的。A类功率放大器的优点是线性度好、失真小，较好的噪声系数，其缺点是效率不高，尺寸大和较高的热损耗，其效率理论上最高仅为50%。

（2）B类功率放大器

该功率放大器由两个不同类型的晶体管-NPN晶体管和PNP晶体管——推挽构成。当输入信号在正半周时，NPN晶体管导通，PNP晶体管截止；当输入信号在负半周期时，PNP晶体管导通，NPN晶体管截止。这样在整个信号周期内，两个晶体管交替工作，输出电流和电压波形仍然保持完整。每个晶体管只有半个周期导通，因此导通角为180度。由于B类功率放大器的晶体管没有在整个信号周期导通，所以晶体管静态损耗比A类功率放大器小，效率要相对高一些。虽然B类功率放大器效率比较高，但是当晶体管趋于饱和或者电流为0甚至截止时会出现非线性现象。B类功率放大器在理想状态下效率可以达到78.5%。

（3）C类功率放大器

C类功率放大器，导通角小于180度，晶体管只有小于半个周期是导通的，负载上的电流也只是整个正弦信号的一部分。信号出现失真，此时晶体管工作在非线性区，所以通常需要滤波网络滤出谐波分量。C类功率放大器的最大效率理论上可以达到100%，但此时的导通角为0度，即晶体管处于截止状态，没有功率输出。

（4）AB类功率放大器

AB类功率放大器工作原理如图所示。AB类功率放大器介于A类功率放大器和B类功率放大器之间，在没有信号输入时，对晶体管加一个较小的静态偏执电流，使其在输入信号的大半个周期处于导通状态，导通角大于180度，小于360度，其效率和线性度也介于两者之间。所以此类功率放大器是一个效率和线性度很好折中的功率放大器。

功率放大器的性能参数

功率放大器主要用来放大射频信号至需要的功率以使接收机能够接收到信号，功率放大器的基本性能参数包括输出功率、功率增益、效率和线性度等，这些对于功率放大器的设计都是至关重要的。

1、输出功率

功率放大器的输出功率定义为功率放大器驱动给负载的带内射频信号的总功率，它不包括谐波成分和杂散成分的功率。射频功率放大器的负载通常为天线，射频天线的等效阻抗一般为50Ω。

在不同的应用中，功率放大器的输出功率差别很大，对于移动通信的基站来说，发射功率可以达到上百瓦特，对于卫星通信可以达到上千瓦特，而对于便携式的无线通信设备，从计算毫瓦到几百毫瓦不等。

2、功率增益

功率增益是表征功率放大器功率放大能力的物理量，也是功率放大器性能好坏的一个重要指标。功率放大器的功率增益定义为输出与输入功率的比值。

3、效率

集电极最大效率定义为集电极的射频输出功率与直流功耗的比值。

4、线性度

线性度是衡量功率放大器输出信号与输入信号比值的线性关系的参数。当晶体管工作在小信号状态时，可以忽略非线性效应，视其为线性的。但射频功率放大器工作在大信号状态，必须考虑晶体管的非线性效应。

（1）、压缩增益

当功率放大器的输入信号幅度在某一范围内变化时，输出信号的幅度与输入信号的幅度呈线性关系，即功率增益保持恒定。但随着输入信号幅度的增加，晶体管的工作区域由线性区转向饱和区，出现非线性失真，功率放大器的增益开始下降，或称其为压缩。通常以功率增益比线性增益小1dB时的功率点来衡量放大器的线性度，该点称为1dB压缩点，通常用来表示，如下图所示：

（2）、谐波失真

谐波失真是指当功率放大器输入单一信号时，在输出端，除了基频信号被放大外，原信号的各次谐波也被放大，导致可能干扰其他频带，通常需要加匹配网络进行谐波抑制。

（3）三阶交调失真

交调失真是指当功率放大器的输入端的两个频率相差很小时，会出现因输入信号的和差（交互调变）而产生的交调失真信号，如图所示，其中，三阶交调失真（IMD3）因其频率与载波频率很近，难以用滤波器消除，容易干扰临近频率，对系统产生很大的危害。

三阶交调失真定义为基频信号的输出功率与三阶交调信号的功率比值。

三阶交调点（IP3）为基频信号功率与三阶交调信号功率的虚拟延长线的交点。通常三阶交调点功率大约比1dB压缩点功率要高10dBm。

（4）、错误向量幅度

发射机发射的信号除了不在相邻信道内产生干扰外，对它的本质要求是信道内的信号具有很高的质量，能被接收机准确解调。错误向量幅度（EVM）就说为了衡量发射机的信号质量而引入的参数。

功率放大器的设计步骤

1、确定设计指标，选择工艺并添加设计所需的工艺库

2、根据功率放大器的要求和晶体管确定静态工作点

3、进行功率放大器的电路设计，包括偏置电路的设计、阻抗匹配等

4、对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并优化

功率放大器仿真实例

AB类功率放大器是设计中最为常用的一种形式，这种结构较好地利用了效率和线性度进行设计。

工作频率：900MHz

1dB压缩点输出功率：>35dBm

增益：>20db

确定设计指标后，就可以进行功率放大器的设计和仿真了。

直流分析步骤

1、下载，建立原理图所需要添加设计所需要的工艺库

这时：Read-Only Libraries面就可以找到库

2、新建工程和原理图

这时就会出现两个模型

3、调出MW6S010N晶体管，如图所示，进行电路搭建。

4、完成电路图如下所示：

完成电路图，并设置，之前在直流仿真中有讲过。

这里会出现错误，如果只添加了MW6S010N，是不够的，还需要添加RF_Power_ADS_designKit这个库。

这些库都需要到飞思卡尔的官网进行下载。

这个库导入之后还是不能够，总是会出现找不到模型的错误。

在这里卡了很久，后面解决了，解决的方法如下：

点击OK。

最后进行仿真，得到直流仿真的结果如下：

功率放大器稳定性分析步骤

主要观察稳定因子，稳定因子小于1 ，则晶体管可能会振荡，稳定因子大于1，这代表晶体管处于稳定状态。

1、创建一个原理图，命名为“PA_BIAS”，在原理图选择[insert]->[Template]，选择“S_Params”模板，自动插入S参数扫描模板。

2、从“Lumped-Components”元件面板中调出射频扼流圈“DC-Feed”和隔直电容“DC_Block”；从“Source-Freq Domain”元件面板中调出“StabFact控件”控制器；双击两个电源，分别将电压设为3.3V和15V。

射频扼流圈“DC-Feed”：RF choke射频扼流圈，经常应用在电源滤波电路中，对高频RF（射频）信号呈高阻，从而抑制高频信号进入系统，与磁珠的功能有点类似。

StabFact返回的是稳定性因子。

完成电路如下图所示：

3、进行仿真，并添加StabFact曲线。

看“StabFact”可以看出稳定系数随频率变化的曲线，可以看出，在900M时稳定因子大于1，这代表晶体管处于稳定状态。如果稳定因子小于1，则晶体管有可能会发生振荡，所以要采取一定的稳定措施来使晶体管处于稳定工作状态。

稳定措施有很多，常用的一种是在晶体管的栅极加入一个小电阻，然而电阻的引入会导致增益和功率的降低，所以可以在电阻上并联一个电容来减小损耗。增加电容和电阻之后的原理图如下，稳定系数曲线如下。

好了，今天就到这里了。