《射频与微波电路设计》--功率放大器设计.ppt

1、提高功率放大器的线性，是当前微波电路设计研究的热点。第七讲 功率放大器设计1功率放大器主要技术指标 工作频带工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz（注：以上数据是1995年前水平），砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从一吉赫到几十吉赫。为了适应通信技术的发展，专门开辟了标准通信频道，工作带宽从0.5GHz到1GHz，如表7-1所列。2功率放大器主要技术指标输出功率1饱和输出功率当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出

2、功率。21dB压缩点输出功率P1dB功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配的。3功率放大器主要技术指标功率放大器主要技术指标功率效率和功率附加效率功率效率和功率附加效率4功率放大器主要技术指标交调失真5功率放大器主要技术指标三阶交调6功率放大器主要技术指标三阶交调(1)P1dB点三阶交调系数M3(1dB)P1dB和M3(1dB)是度量微波功率放大器非线性的两个不同指标，它们之间有一定联系。假定微波功率放大器是一个无惯性非

3、线性网络，且在P1dB点的幅度非线性很小，在上述两个假设条件下，两个角频率为1和2的等幅信号输入时，P1dB点的三阶交调系数近似为由于理论分析中的假设，实际测量的误差以及微波晶体管实际非线性特性优劣程度的不一致，在工程估算时，常取M3(1dB)为20dBc。这里还得注意，上式仅适用双信号等幅情况，如果三信号等幅输入时，上式就不适用了。7功率放大器主要技术指标三阶交调(2)任意输入功率的三阶交调系数M3图7-1是双频等幅信号输入时基波信号输出功率和三阶交调功率对应基波信号输入功率的变化特性。由图看出，基波信号输出功率与输入功率是1:1（dB数）变化关系，即输入功率增加1dB时，输出信号也增加1d

4、B。三阶交调产物与基波信号输入功率是3:1（dB）变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使三阶交调系数M3恶化2dB。根据上述变化特性，任意输入功率Pin时的三阶交调系数M3可由下式估算 式中 Pin基波信号（1或2）输入功率；Pin(1dB)基波信号1dB增益压缩点输入功率。注意上式中各变量都是以dB为运算单位。图7-1中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点。8功率放大器主要技术指标三阶交调(3)三阶交调交截点图7-1中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点，用符号IP3表示，对应的输出功率是P1，它也反映了微波功率放大器的

5、非线性，当输出功率一定时，三阶交调交截点输出功率P1越大，微波功率放大器的线性就越好。由P1也可以估计三阶交调系数式中，Pout是基波信号输出功率。所有变量都是以dB为运算单位，它只适用信号功率较小的情况。三阶交调交截点比1dB压缩点大10dB，它是放大器在A类工作时的一个假想点。9功率放大器主要技术指标三阶交调10功率放大器主要技术指标二阶交调(1)二阶交调系数两个角频率为1和2的等幅基波信号同时输入微波功率放大器时，非线性引起的二阶交调（21）失真比二次谐波（21和22）失真严重，大了6dB，它也比三阶交调失真严重。由于二介交调是二阶非线性引起的失真，从电路结构的角度分析，可以用平衡电路减

6、小这种失真。此外，在窄带系统中，二阶交调分量偏离基波信号频率较远，可以采用滤波技术减小它对系统的影响，故设计窄带功率放大器时并不考虑这一项技术指标。而在多信号宽带传输系统（如电缆电视系统）中，二阶交调产物是落在信号通道内，此时，无法用滤波器去减小它对系统的影响，因此，设计宽带功放时必须考察这一项技术指标。二阶交调系数式中 P2频率为21的二阶交调功率；P1和P2对应角频率1和2的信号输出功率。因此，在多信号宽带传输系统中，二阶交调系数也是功率放大器非线性的一项重要指标，它的大小取决于电路结构及其工作状况。11功率放大器主要技术指标二阶交调2、二阶交调交截点同三阶交调交截点一样，二阶交调交截点是

7、二阶交调特性延长线与基波信号输出功率特性延长线的交点。用符号IP2表示。二阶交调产物与基波信号输入功率呈2:1(dB)变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使二阶交调系数恶化1dB。图7-2 二阶交调交截点12功率放大器主要技术指标三拍失真13功率放大器主要技术指标三拍失真14功率放大器主要技术指标交扰调制失真15功率放大器主要技术指标交扰调制失真16功率放大器主要技术指标交扰调制失真17功率放大器主要技术指标调幅调相转换1调幅调相效应分析大信号通过微波功率放大器时，输出信号会产生相移，相移大小随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为调幅调相效应。微波功率放大器可以看成是一个三阶非线性系统

8、，它的载波输出信号同时含有一阶及三阶成分 （7-23）式中s基波信号的角频率；k1和k3非线性系统的一阶和三阶系数；A基波输入信号幅度。如果电路中包含容性非线性元件，则一阶和三阶系数之间就有相位差（既不是0，也不是180）。由式（7-23）看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然，调幅调相效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，调幅调相效应就越强，电路进入饱和状态后，调幅调相效应将非常严重。在通信系统及图象传输系统中，调幅调相效应的存在，会使群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。因此希望尽可能减小功率放大呖呖的调幅调相效应。18功率放大器主要技术指标调幅调相转换19功率

9、放大器主要技术指标调幅调相转换4、交调噪声在单载波工作时，由于采用恒定包络的调制方式（如FM制），调幅调相效应的影响可以忽略不计。但在多载波工作时，由于每个载波频率不等，合成后一定会出现包络起伏，这种起伏经过调幅调相转换成非线性效应，也会产生三阶交调失真及三拍失真。该分量与基波的比是（2f1 f2）项：（f1+f2 f3）项：式中n载波数；Kp调幅调相转换系数。随着载波数n的增加，所有三阶交调失真及三拍失真都将减小。20功率放大器主要技术指标谐波失真21功率放大器主要技术指标 输入输出驻波比大功率管的输入阻抗和输出阻抗都很低，BJT的输入阻抗实部只有几个欧姆，与50系统失配得比较厉害。而MES

10、FET的输入阻抗较高，与50系统失配得也很大，失配严重时，会损坏功率管。输入、输出驻波比变坏还会使系统的增益起伏和群迟延变坏，因此功率放大器的输入、输出驻波比应该满足一定要求。在大容量数字通信系统中，功率放大器的输入、输出驻波比取1.2:1，而在一般系统中，功率放大器的输入、输出驻波比可以取到2:1。它也是设计微波功率放大器时必须考虑的一项技术指标。22功率放大器主要技术指标功率放大器主要技术指标增益平坦度与增益斜率增益平坦度与增益斜率1增益平坦度增益平坦度是一项普通指标，它说明功率放大器增益在一定频率范围内的变化大小。增益平坦度应该是在50负载情况下定义，而组成实际系统的部件存在不同程度的反

11、射。因此，实际系统并不是理想50系统，故实际系统的增益平坦度比各个部件测出的增益平坦度要大。例如在平衡放大器中，信号端和负载端接得不是理想50时，增益平坦度会变坏，最坏情况是其中式中G总增益起伏量；GS(或L)信号端（或负载端）增益起伏量；(VSWR)A放大器驻波比；(VSWR)S(或L)信源端（或负载端）驻波比。在一些要求十分苛刻的系统中，必须采用CAD技术，精确计算功率放大器带内的增益起伏，计算值应尽可能小，其最小值取决计算机运算精度。同时，尽可能减小输入、输出驻波比对增益起伏的影响。23功率放大器主要技术指标功率放大器主要技术指标增益平坦度与增益斜率增益平坦度与增益斜率2、增益斜率增益斜

12、率并不是对所有系统都提出要求，而仅仅是数字通信系统中的一项重要指标。它是指功率放大器在指定的输出功率情况下，在一路信号通带（或一个转发器通带）内增益对频率的变化率，单位是每兆赫带宽内的增益变化量。例如用于卫星地面站的5W功率放大器，带宽500MHz，增益斜率0.02dB/MHz（在任意40MHz内、输出功率5W时）。24功率放大器主要技术指标寄生杂波仔细地设计和充分地试验就可以把寄生杂波减到最小，但是要把所有可能引起寄生杂波的条件合在一起去同时检验是不可能的。例如，滤波器在工作频带内匹配性能较好，同时在带外恰好是严重失配，这种情况就比较复杂，也不好模拟。如果怀疑系统存在寄生杂波，最好先检查功率

13、放大器。图7-3 谐波及寄生杂波1寄生杂波分析寄生杂波是系统中不需要的那些信号，是功率放大器放大过程中引起的一种信号失真，它与输入信号不是谐波关系，如图7-3所示。这些寄生杂波绝大部分是在高驱动电平或输入与输出严重失配时出现的。25功率放大器主要技术指标寄生杂波2、无寄生杂波动态范围无寄生杂波动态范围是允许信号的输入功率范围，在这个输入功率范围内，系统中将不存在寄生杂波。无寄生杂波动态范围的最大功率主要取决于系统的增益、三阶交截点和噪声电平；而最小功率主要取决于噪声系数和噪声带宽。这个范围可以确保从放大器输出的信号不会有任何失真。为了实现一个较好的无寄生杂波动态范围，要求功率放大器噪声尽可能小

14、，三阶交截点尽可能高。然而低噪声器件的输出功率较低，而高功率器件的噪声系数较大，需要折衷考虑。3技术指标寄生杂波是以载波参考电平，以dBc为单位。一般要求在60dBc以下。26功率放大器主要技术指标微波辐射大功率放大器的微波辐射将直接干扰系统的正常工作。产生微波辐射的主要原因是功率放大器的屏蔽不好，也可能是连接用的电缆外导体屏蔽性能不好或者接头安装不好等原因而引起的泄漏。因此在设计功率放大器时要注意接头的安装，结构设计要有良好的屏蔽性能，电缆应选用屏蔽性能较好的产品。27基本电路结构与电路原理微波晶体管功率放大器工作状态与低频晶体管功率放大器一样，有甲类、甲乙类、乙类及丙类四种工作状态，分类的

15、方法也相同。不同的工作状态适用不同的需要。匹配电路元件可以是集中参数、半集中参数及分布参数。28工作状态1双极型晶体管功率放大器BJT功率放大器按BJT不同的直流工作点划分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种工作状态，图7-10是BJT的伏安特性曲线。图中1号区域是发生雪崩击穿的区域；2号区域的电流较小，使信号截止；3号区域的电压较低，使信号饱和；4号区域的工作电流已超出极限工作电流；5号区域的功耗已超出额定功耗，中间部分是线性工作区。图7-11是BJT功率放大器四种工作状态的偏置点。图7-10 BJT的伏安特性 图7-11 BJT功放四种工作状态的偏置点29工作状态（1）甲类工作状态如图7-12所

16、示，功率放大器在信号周期内始终存在工作电流，即导通角为360，此时，功率放大器处于甲类工作状态。甲类功率放大器的优点是线性好、失真小，较好的噪声系数，在1dB压缩点以下具有几乎不失真的脉冲响应，在不同输出电平时的通带起伏小和在不同输出电平时的相位和增益不变。它的缺点是效率不高、较大的热损耗和尺寸大。甲类功率放大器适用于行波管替代器，扫频仪、综合器、信号放大级、电视信号放大器、短脉冲放大器和干扰发射机等。30工作状态（2）乙类工作状态功率放大器在信号周期内只有半个周期存在工作电流，即导通角为180，乙类功率放大器在静态时，BJT几乎没有静态电流，即管耗接近零。为了减小失真，通常采用互补对称电路，它的效率在70%以上，每个功率管的最大功耗是电路最大输出功率的20%，通常用此关系作为乙类互补对称功率放大器选择功率管的依据。上述关系是在理想情况下计算得到的，因此在实际电路中被选管子的功耗应大于20%。由于乙类互补对称功率放大器工作在零偏置状态。而BJT导通要求一定的基极电流iB，因此，当输入信号低于某一值时，管子不通导，即在信号周期内出现一段不工作区，使信号失真，这种现象称为交越失真，如图7-