功率放大器基本原理

功率放大器有很多種不同的分類方式，傳統上，按照功率放大器放大信號的模式，大體上可將功率放大器分為兩類：放大模式功率放大器和開關模式功率放大器。

放大模式功率放大器工作在雙極型晶體管的正向放大區和場效應管的飽和區。放大模式功率放大器按照導通角不同又可以分為A類、B類、C類和AB類功率放大器。

對雙極型晶體管來說，開關工作模式功率放大器根據雙極型晶體管所處的端電壓狀態，工作在截止區或飽和區；對場效應晶體管而言，開關工作模式放大器根據場效應晶體管所處的端電壓狀態，工作在截止區或線性區。開關模式功率放大器可以分為D類、E類和F類。

下面分別總結A、B、C和AB類功率放大器。

（1）A類功率放大器

A類功率放大器，晶體管在信號的整個周期內均處于導通狀態，其導通角為360度。A類功率放大器的輸入和輸出都是完整的正弦波信號，實現信號線性放大，所以A類功率放大器的線性度是最好的。A類功率放大器的優點是線性度好、失真小，較好的噪聲系數，其缺點是效率不高，尺寸大和較高的熱損耗，其效率理論上最高僅為50%。

（2）B類功率放大器

該功率放大器由兩個不同類型的晶體管-NPN晶體管和PNP晶體管——推挽構成。當輸入信號在正半周時，NPN晶體管導通，PNP晶體管截止；當輸入信號在負半周期時，PNP晶體管導通，NPN晶體管截止。這樣在整個信號周期內，兩個晶體管交替工作，輸出電流和電壓波形仍然保持完整。每個晶體管只有半個周期導通，因此導通角為180度。由于B類功率放大器的晶體管沒有在整個信號周期導通，所以晶體管靜態損耗比A類功率放大器小，效率要相對高一些。雖然B類功率放大器效率比較高，但是當晶體管趨于飽和或者電流為0甚至截止時會出現非線性現象。B類功率放大器在理想狀態下效率可以達到78.5%。

（3）C類功率放大器

C類功率放大器，導通角小于180度，晶體管只有小于半個周期是導通的，負載上的電流也只是整個正弦信號的一部分。信號出現失真，此時晶體管工作在非線性區，所以通常需要濾波網絡濾出諧波分量。C類功率放大器的最大效率理論上可以達到100%，但此時的導通角為0度，即晶體管處于截止狀態，沒有功率輸出。

（4）AB類功率放大器

AB類功率放大器工作原理如圖所示。AB類功率放大器介于A類功率放大器和B類功率放大器之間，在沒有信號輸入時，對晶體管加一個較小的靜態偏執電流，使其在輸入信號的大半個周期處于導通狀態，導通角大于180度，小于360度，其效率和線性度也介于兩者之間。所以此類功率放大器是一個效率和線性度很好折中的功率放大器。

功率放大器的性能參數

功率放大器主要用來放大射頻信號至需要的功率以使接收機能夠接收到信號，功率放大器的基本性能參數包括輸出功率、功率增益、效率和線性度等，這些對于功率放大器的設計都是至關重要的。

1、輸出功率

功率放大器的輸出功率定義為功率放大器驅動給負載的帶內射頻信號的總功率，它不包括諧波成分和雜散成分的功率。射頻功率放大器的負載通常為天線，射頻天線的等效阻抗一般為50Ω。

在不同的應用中，功率放大器的輸出功率差別很大，對于移動通信的基站來說，發射功率可以達到上百瓦特，對于衛星通信可以達到上千瓦特，而對于便攜式的無線通信設備，從計算毫瓦到幾百毫瓦不等。

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壞的一個重要指標。功率放大器的功率增益定義為輸出與輸入功率的比值。

3、效率

集電極最大效率定義為集電極的射頻輸出功率與直流功耗的比值。

4、線性度

線性度是衡量功率放大器輸出信號與輸入信號比值的線性關系的參數。當晶體管工作在小信號狀態時，可以忽略非線性效應，視其為線性的。但射頻功率放大器工作在大信號狀態，必須考慮晶體管的非線性效應。

（1）、壓縮增益

當功率放大器的輸入信號幅度在某一范圍內變化時，輸出信號的幅度與輸入信號的幅度呈線性關系，即功率增益保持恒定。但隨著輸入信號幅度的增加，晶體管的工作區域由線性區轉向飽和區，出現非線性失真，功率放大器的增益開始下降，或稱其為壓縮。通常以功率增益比線性增益小1dB時的功率點來衡量放大器的線性度，該點稱為1dB壓縮點，通常用來表示，如下圖所示：

（2）、諧波失真

諧波失真是指當功率放大器輸入單一信號時，在輸出端，除了基頻信號被放大外，原信號的各次諧波也被放大，導致可能干擾其他頻帶，通常需要加匹配網絡進行諧波抑制。

（3）三階交調失真

交調失真是指當功率放大器的輸入端的兩個頻率相差很小時，會出現因輸入信號的和差（交互調變）而產生的交調失真信號，如圖所示，其中，三階交調失真（IMD3）因其頻率與載波頻率很近，難以用濾波器消除，容易干擾臨近頻率，對系統產生很大的危害。

三階交調失真定義為基頻信號的輸出功率與三階交調信號的功率比值。

三階交調點（IP3）為基頻信號功率與三階交調信號功率的虛擬延長線的交點。通常三階交調點功率大約比1dB壓縮點功率要高10dBm。

（4）、錯誤向量幅度

發射機發射的信號除了不在相鄰信道內產生干擾外，對它的本質要求是信道內的信號具有很高的質量，能被接收機準確解調。錯誤向量幅度（EVM）就說為了衡量發射機的信號質量而引入的參數。

功率放大器的設計步驟

1、確定設計指標，選擇工藝并添加設計所需的工藝庫

2、根據功率放大器的要求和晶體管確定靜態工作點

3、進行功率放大器的電路設計，包括偏置電路的設計、阻抗匹配等

4、對所設計電路進行仿真，分析仿真曲線并優化

功率放大器仿真實例

AB類功率放大器是設計中最為常用的一種形式，這種結構較好地利用了效率和線性度進行設計。

工作頻率：900MHz

1dB壓縮點輸出功率：>35dBm

增益：>20db

確定設計指標后，就可以進行功率放大器的設計和仿真了。

直流分析步驟

1、下載，建立原理圖所需要添加設計所需要的工藝庫

這時：Read-Only Libraries面就可以找到庫

2、新建工程和原理圖

這時就會出現兩個模型

3、調出MW6S010N晶體管，如圖所示，進行電路搭建。

4、完成電路圖如下所示：

完成電路圖，并設置，之前在直流仿真中有講過。

這里會出現錯誤，如果只添加了MW6S010N，是不夠的，還需要添加RF_Power_ADS_designKit這個庫。

這些庫都需要到飛思卡爾的官網進行下載。

這個庫導入之后還是不能夠，總是會出現找不到模型的錯誤。

在這里卡了很久，后面解決了，解決的方法如下：

點擊OK。

最后進行仿真，得到直流仿真的結果如下：

功率放大器穩定性分析步驟

主要觀察穩定因子，穩定因子小于1 ，則晶體管可能會振蕩，穩定因子大于1，這代表晶體管處于穩定狀態。

1、創建一個原理圖，命名為“PA_BIAS”，在原理圖選擇[insert]->[Template]，選擇“S_Params”模板，自動插入S參數掃描模板。

2、從“Lumped-Components”元件面板中調出射頻扼流圈“DC-Feed”和隔直電容“DC_Block”；從“Source-Freq Domain”元件面板中調出“StabFact控件”控制器；雙擊兩個電源，分別將電壓設為3.3V和15V。

射頻扼流圈“DC-Feed”：RF choke射頻扼流圈，經常應用在電源濾波電路中，對高頻RF（射頻）信號呈高阻，從而抑制高頻信號進入系統，與磁珠的功能有點類似。

StabFact返回的是穩定性因子。

完成電路如下圖所示：

3、進行仿真，并添加StabFact曲線。

看“StabFact”可以看出穩定系數隨頻率變化的曲線，可以看出，在900M時穩定因子大于1，這代表晶體管處于穩定狀態。如果穩定因子小于1，則晶體管有可能會發生振蕩，所以要采取一定的穩定措施來使晶體管處于穩定工作狀態。

穩定措施有很多，常用的一種是在晶體管的柵極加入一個小電阻，然而電阻的引入會導致增益和功率的降低，所以可以在電阻上并聯一個電容來減小損耗。增加電容和電阻之后的原理圖如下，穩定系數曲線如下。

好了，今天就到這里了。