PA功率放大器的设计

各种无线通信系统的发展， 如GSM、 WCDMA、TD - SCOMA、 WiMAX和Wi-Fi, 大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。 射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用， 它的设计好坏影响着整个系统的性能， 因此， 无线系统需要设计性能良好的放大器。 而且， 为了适应无线系统的快速发展， 产品开发的周期也是一个重要因素。 另外，在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波信号的采用， 射频工程师为减小功率放大器的非线性失真， 尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。 采用EDA工 具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能， 进一步优化设计参数， 同时达到加速产品开发进程的目的。
功率放大器在整个无线通信系统中是非常重要的一环， 因为它的输出功率决定了通信距离的长短， 其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 这使得射频功率放大器电路设计的困难度增大， 故很多高功率放大器的相关设计均以国外公司为主。

1功率放大器基础

1.1 功率放大器的种类

功率放大器根据其输入与输出信号间的大小比例关系可分为线性与非线性两种。 属于线性放大器的有 A类、 B类及AB类放大器；属千非线性的则有 C类、 D类、E类、 F 类等类型的放大器。 各类放大器的输出波形如下图所示， 以下就各类型的放大器做简单介绍。
（1）A类放大器是所有类型功率放大器中线性度最高的， 其功率元器件在输入信号的全部周期内均为导通， 即导通角为360° '但其效率却非常低， 在理想状态下效率仅达50%, 而在实际电路中则仍限制 在30%以下。
（2）B类功率放大器的功率元器件只在输入正弦波的半周期内导通， 即导通角仅为180°, 其效率在理想状态下可达到78%, 但在实际电路中所能达到的效率不会超过60%。
（3）AB类功率放大器的特性则介于A类与B类放大器之间， 其功率元器件偏压在远比正弦波信号峰值小的非零DC 电流， 因此导通角大于180°但远小于360°。 一般来说， 其效率介于30%~60%之间。
（4）C 类功率放大器的功率元器件的导通时段比半周期短， 即导通角小于180°。其输 出波形为周期性脉冲 (Pulse) , 必须并联 LC 滤波电路 (Band Passfilter) 后， 才可得到所 需要的正弦波 (Sine wave) 。 在理论上， C 类放大器的效率可达到100%, 但在实际电路中仅能达到60%。
（5）D类、E类功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器(SwitchingMode Ampli­fier) , 其原理是将功率元器件当成开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完整的输出波形。
（6）F类功率放大器可算是C类功率放大器的延伸， 它们的偏置方式相似， 但F类放大器 在功率管输出端与负载间加入了谐波控制网络， 以此提高效率。 在理论上， 它们都可以达到100%的效率， 但在实际电路中仍受到开关切换时间等因素的控制而无法达到此理想值。
开始设计功率放大器电路前必须先考量其系统规格要求的重点， 再来选择其电路架构。 就以射频功率放大器而言， 有的系统需要高效率的功率放大器， 有的需要高功率且线性度佳 的功率放大器， 有的需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。 如B类、C类、E类架构的功率放大器皆可达到比较高的效率， 但信号的失真却较为严重。 而A类放大器是所有放大器中线性度最高的， 但它最大的缺点是它的效率是最低的， 这些缺点虽然可用各种 Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进， 却仍无法提高到与高效率的功 率放大器相当的水平， 但是对系统也有不小的帮助， 因为A类功率放大器对于许多高线性度系统来说仍是非常好的选择。 所以， 具有高效率、 高线性度 及高功率的功率放大器自然成为电路设计者所努力的一个目标。

1.2 放大器的主要参数

（1）1dB功率压缩点(PowerOut at 1 dB Compression Point, 记为P1dB)
通信系统中输出功率单位通常都以dBm表示：
$$10lg{P}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\left(mW\right)=\left(dBm\right)$$
当放大器的输入功率非常低时， 功率增益为常数， 放大器工作在线性区。 当输入功率增加时， 受到放大管非线性特性影响， 放大器功率增益逐渐被压缩， 限制了最大输出功率。 在此区域， 有线性 失真、 谐波和交互调变 (Inter - Modulation) 失真现象发生。 若继续增加输入功率， 则因放大管已工作在饱和区， 其输出功率几乎维持不变， 如下图所示。

通常以输出增益（$G_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}$）比线性增益小 1dB 的位置来定义放大器工作范围的上限， 这也就是 ldB 输出功率压缩点 (P1dB)。则P1dB 点所对应的输出功率值表示式为
$$P_{1\mathrm{d}\mathrm{B}}\left(\mathrm{d}\mathrm{B}\mathrm{m}\right)-P_{\mathrm{i}\mathrm{n}}\left(\mathrm{d}\mathrm{B}\mathrm{m}\right)=G_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\left(\mathrm{d}\mathrm{B}\right)-1$$
（2）功率增益
功率增益依线性与非线性特性通常可分为以下两种。
1）小信号增益(SmallSignal Gain) : 依照放大功率来放大输入功率的放大器是理想的放大器， 但事实上这是不可能做得出来的。一个真正的放大器会因其放大管的特性不同而有不同的饱和区， 从而会导致它在一个区段内的增益有所不同。
2）输出功率增益比 (Gain at Rated Power Out) : 不同的输出功率， 其增益也会有所不同。 故有些放大器会特别标出其在多少的输出功率时的增益是多少。
（3）效率
因为在输入功率转换成输出功率的过程中， 必定会有功率损耗的情形发生， 且效率与线性度 (Linearity) 往往都是互相抵触的， 因此在设计放大器电路时必须视系统要求而做适当的取舍。 以下为一般放大器效率的定义：
集电极效率：${\eta }_{\mathrm{c}}=\frac{P_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{P_{\mathrm{D}\mathrm{C}}}=U_{D<}$