功率放大器

Power Amplifly

概述

如何驱动50Ω负载传递1W功率

发射机需要向50Ω天线传递1W功率（即+30dBm）。

电压峰峰值摆幅：

峰值电流：

直观理解：天线看起来像一个50Ω电阻，要传递1W功率需要20V电压摆幅和200mA的电流。

共源极/共射极直接驱动负载

如果直接使用共源极（或共射极）结构驱动50Ω负载：

• 晶体管漏极需要提供20V摆幅的电压，同时流过负载的电流峰值是200mA。
• 电源电压（）必须大于20V，才能满足摆幅需求。

问题：

1. 高电源电压：
   电源电压高意味着功耗增加，效率降低。
2. 晶体管承受高电压：
   晶体管需要承受至少20V的最大漏源电压，散热和可靠性问题显著。

电感负载改进（图10.1c）

电感的高阻抗特性允许漏极交流信号的电压摆幅超过电源电压（如2倍或更高）。

如果电源电压是10V，漏极电压摆幅可以达到20V甚至更高

优点：

• 降低电源电压需求：
  电源电压可以低于20V，比如10V，但仍满足负载功率传递的需求。

局限性：

• 晶体管仍承受高电压：
• 漏源电压依然至少是20V，即信号峰值。

总结：

直接使用共源极结构驱动高功率负载需要高电源电压，功耗和晶体管应力大。

使用电感负载可以降低电源电压需求，但并不能减小晶体管承受的电压压力。

最大漏源电压仍取决于信号摆幅，即对于50Ω负载传递1W功率时需至少达到20V。

功放设计中的基本问题——输出功率与电压摆幅的折中

本征频率(）：晶体管能够工作的最高频率。

电压摆幅（(））：晶体管能够承受的最大摆幅电压。

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射频扼流圈（RF Choke, RFC）

定义

射频扼流圈（RF Choke）是一种高频电路元件，本质上是一个电感器，设计目标是阻止高频交流信号的通过，同时允许直流信号或低频信号自由流动。

射频扼流圈的基本原理

电感的频率特性

电感的阻抗随频率增加而增大，阻抗公式为：

$$Z_L = j\omega L = j2\pi f L$$

在高频下，ω很大，使得 ZL 变得非常高，接近“开路”状态。

直流信号和低频信号

对于直流信号（频率 f=0），电感的阻抗 ZL=0，即呈现短路特性。

对于低频信号，阻抗较小，电流可以通过。

射频扼流圈表现为高频信号的“开路”，而对直流或低频信号几乎“透明”。

射频扼流圈的作用

隔离直流与交流信号

防止射频信号通过直流供电线路而泄漏。

例：功放设计中，扼流圈用来隔离功率晶体管的交流信号和电源。

阻断高频干扰

阻止高频干扰通过特定路径影响其他电路部分。

滤波作用

在谐振电路中作为高通或带阻滤波的辅助元件。

射频扼流圈的使用场景

功放设计：

在功率放大器的输出端，阻止高频信号通过电源供电回路泄漏到电源。

允许直流电流为晶体管提供偏置。

天线匹配网络：

用于隔离射频信号与直流电源，确保天线只传递所需频率的信号。

射频收发模块：

用于射频前端模块隔离干扰，保证信号传输的稳定性。

理想射频扼流圈的条件

1. 足够大的电感值：
   • 电感值 L 足够大，使得在目标频率 f下： （与其他阻抗相比，表现为“开路”）。
2. 低直流电阻：
   • 保证直流电流可以自由流动，避免功耗过大。

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为了减小输出晶体管所要承受的峰值电压，可以在功放和负载之间插入一个如图10.3a所示的“匹配网络”。匹配网络将负载电阻转换为一个小的阻值RT，这样，则用更小的电压摆幅就能够传递所需的功率。

如果需要更大的电压摆幅转换，意味着输出品体管产生的电流必须相应地成比例增大。在上面的例子中，流过变压器一次绕组的峰值电流需高达10x200mA=2A。而M必须“汇集”电感电流和负载峰值电流，也就是说M中流过的电流高达4A!

大电流效应

在功放的设计和封装过程中，流过输出器件和匹配网络的大电流会带来一些问题。如果选择足够宽的输出晶体管来承载大电流，它的输入电容会非常大，这加大了前级的设计难度。

如图10.5所示，可以在上变频混频器和输出级之间插入驱动级来解决这个问题。然而，正如在第4章所介绍的，级数的增加会限制发射机的输出压缩点。此外，相对于输出级的功耗，驱动级的功耗可能不可忽略。

另一个问题是在封装时会产生寄生效应

源极串联电感的影响

源极（或射极）与地之间的电路布局、引线、封装都会引入不可忽略的寄生电感。

降低晶体管增益：
源极串联的寄生电感会增加晶体管的输入阻抗，使输入匹配更加困难，从而降低增益。

降低输出功率：
由于寄生电感的存在，晶体管的电流能力下降，输出功率降低。

引入不必要的相移：
高频信号在寄生电感的影响下会出现相位偏移，影响系统的整体性能。

地和电源寄生电感的反馈问题

寄生电感来源：
PCB 布局、电源引脚、地平面上的非理想连接都会引入寄生电感。

引入反馈：
地和电源之间的寄生电感可能导致输出信号通过地或电源路径反馈到输入端。

频率响应中的纹波：
输出和输入间的反馈会引起频率响应不平滑，产生纹波现象。

系统不稳定：
严重时，这种反馈会使功率放大器发生自激振荡，导致系统失稳。

匹配网络的高损耗

射频功放中的匹配网络需要承受较大的电流，寄生效应会导致额外的功率损耗。

电感的寄生电阻：将部分射频信号能量转化为热量。

电容的寄生损耗：表现为品质因数（QQQ 值）的降低。

高功率匹配网络中选用片外低损耗器件

集成电路中的匹配网络由于面积、材料和工艺限制，往往难以避免较高的寄生效应。

为了降低寄生电感、电阻和损耗，高功率应用中优先选用片外器件（如陶瓷电感、高 QQQ 电容等）。

片外器件的优点：

更高的品质因数（QQQ）。

更低的寄生电阻和电感。

更高的功率承载能力。

效率

由于功放是射频收发机中最耗电的模块，因此其效率至关重要。一个功率为1W、效率为50%的功放在工作时，需要从电源获得2W的功率，这远远超过收发机其他模块所消耗的功率。

功放效率基本概念

功放的效率有两种定义方式:“漏极效率”(用于场效应晶体管电路)和“集电极效率(用于双极型晶体管电路)。计算公式如下:

公式：

Pout：传递到负载的平均功率。

Psup：从电源获得的平均功率。

功率附加效率 (Power-Added Efficiency, PAE)

当功放的输出级功率增益较低（如 3 dB），意味着需要较高的输入功率时，PAE 被用来描述效率表现。

PAE 公式：

Pin：输入到功放的平均功率。

Pout：传递到负载的平均功率。

Psup：从电源获得的平均功率。

Pout−Pin 表示功放实际放大的净功率。

将输入功率的影响考虑在内，使 PAE 更能反映系统的整体性能。

效率与设计的关系

高效率的重要性：

• 高效率可以减少功耗，降低电池负担，减少散热需求。
• 对于便携式设备或基站设备尤其重要。

影响效率的因素：

• 功放的工作模式（如 A 类、B 类、AB 类、D 类）。
• 匹配网络的设计。
• 器件的非线性和寄生效应。

PAE 的意义：

• 在实际应用中，功放不仅要放大信号，还需要尽量减少输入功率对整体能效的影响。
• PAE 提供了更全面的效率衡量标准。

线性度

非线性引起的问题

频谱再生（Spectral Regrowth）：

非线性会导致信号在频域内扩展，生成相邻信道的高功率分量。

影响：干扰邻近信道的信号质量，造成 相邻信道功率比（ACPR） 降低。

振幅压缩（Amplitude Compression）：

当输入信号幅度增大时，功放输出幅度无法线性增长，导致信号失真。

影响：调制信号的解调性能下降，例如：

正交相移键控调制（QPSK）：受到基带脉冲整形的影响。

16-QAM 调制：后级信号失真较为严重。

AM/PM 变换：

非线性还可能引起 幅度调制（AM）到相位调制（PM） 的转化，导致信号相位偏移，进一步影响解调性能。

非线性的表征方法

对于复杂调制方式（如 QPSK 或 16-QAM），直接进行电路级仿真以量化非线性效果（如 ACPR 或误码率）会耗费大量时间。因此，通常采用基于未调制单频信号的测试方法——交调测试和压缩测试。

交调测试（Intermodulation Test）

目的：表征功放的频谱再生特性，与 ACPR 相关。

方法

输入两个频率接近的单频信号（通常称为 f1 和 f2）。

输出信号中不仅包含 f1 和 f2，还包含由非线性产生的互调分量（如 2f1−f2、2f2−f1）。

测试设置

选择合适的单频信号幅度，使主要输出分量均比满功率水平低 6 dB。

此时，当 f1 和 f2 同相叠加时，输出电压摆幅接近最大值。

意义

显示功放的非线性特性以及由此导致的邻近信道干扰。

图10.6a 两个单频信号 f1 和 f2输入后，在输出中观察到互调分量的生成情况。

设置输入信号幅度时，应确保主要输出分量均低于满功率 6 dB。

压缩测试（Compression Test）

目的：表征功放的振幅压缩特性。

方法

输入一个逐渐增大的单频信号。

测量功放的输出功率随输入功率的变化曲线。

关键指标

1 dB 压缩点：当输出功率比理想线性功率降低 1 dB 时的输入功率值。

意义

1 dB 压缩点是衡量功放线性范围的重要指标，直接影响功放在调制信号下的性能。

图 10.6b

图示功放输出功率随输入功率变化的曲线。

理想情况下，输出功率应与输入功率成线性关系。

1 dB 压缩点对应曲线开始偏离线性的点。

功放非线性建模及其方法

功放非线性行为难以通过简单的多项式表

Volterra级数 提供了理论框架，适合描述动态非线性，但计算复杂且难以应用于实际电路仿真。

静态非线性模型

在输入信号的带宽远小于功放带宽的情况下，可以采用 准静态近似，将动态非线性简化为输入幅度相关的静态函数。

输入输出信号的形式

• 输入信号：
  ，包含幅度调制（AM）和相位调制（PM）。
• 输出信号：
  ，仍包含 AM 和 PM 成分。

准静态近似下的表达

在准静态近似下：

• AM/AM 转换：输出幅度 A(t) 是输入幅度 a(t) 的非线性函数。
• AM/PM 转换：输出相位偏移 ψ(t) 是输入幅度 a(t) 的非线性函数。

输出信号表达式为：

其中：

• A[a(t)] ：描述 AM/AM 转换。
• ψ[a(t)] ：描述 AM/PM 转换。

常见的经验公式

通过实验可以拟合A(a) 和 ψ(a) 的特性曲线，典型经验公式如下：

1. AM/AM 转换： $$A(a) = \frac{a}{1 + \beta a^2}$$

• 当 a 较小时， A(a) 接近线性。
• 当 a 增大时，A(a) 随着输入幅度趋于饱和。

1. AM/PM 转换： $$\psi(a) = \frac{\alpha a^2}{1 + \gamma a^2}$$

• 描述输入幅度 a 增大时，输出相位的非线性变化。

图 10.7a：A(a)曲线类似于输出功率的压缩特性。

图 10.7b：ψ(a) 曲线描述功放的 AM/PM 非线性特性。

常用非线性模型

本文介绍的静态模型

通过电路仿真提取 A(a) 和 ψ(a)：

• 可以在 MATLAB 等工具中高效建模。
• 适用于量化非线性对 ACPR 或复杂调制波形（如 OFDM）品质的影响。

Rapp 模型

Rapp 模型是一种广泛应用于功放非线性表征的经验模型：

$$g(V) = \frac{aV}{\left[1 + \left(\frac{V}{V_s}\right)^{2m}\right]^{1/(2m)}}$$

参数：

• a：小信号增益。
• Vs：饱和电压。
• m：控制输出信号的平滑度。

特点：

• 准确描述静态非线性。
• 应用于大多数集成功放设计中

单端和差分结构

单端功放

大多数独立的功放被设计成单端结构的级联，单端功放无需额外电路即可直接连接，简化系统设计。

单端功放的两个缺点

电压增益的浪费：

单端功放仅利用了上变频器差分输出的一个分支，另一分支的信号被浪费。

这种浪费使发射机的整体增益减少一半。

巴伦引入的损耗：

为弥补单端功放增益不足，可以在上变频器和功放之间引入 巴伦 (Balun)，如图10.8b。

将上变频器的差分输出转化为单端信号输入功放。

问题：

• 巴伦引入损耗，尤其是片上巴伦由于寄生效应损耗更严重。
• 实际增益提升仅为 2–3 dB，无法达到理想的 6 dB。

局限性：

• 损耗
  • 片外巴伦：损耗较小，但体积大，不利于高集成度设计。
  • 片上巴伦：损耗显著，尤其在高频段受寄生效应影响更大。
• 增益有限
  • 电压增益提升不明显，仅能部分缓解单端功放增益浪费的问题。

优化方案

• 改用差分功放：避免使用巴伦，通过功放直接处理差分信号。
• 优化巴伦设计：针对高频设计，提高巴伦的效率，尽量减小损耗。
• 提高单端功放效率：从设计上优化功放的增益和匹配网络，弥补浪费。

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单端功放的第二个主要问题与瞬时电流和封装寄生效应有关：

单端功放从电源抽取巨大的瞬时电流，可能导致寄生电感对电路性能的显著影响。

如图10.9a所示：

如果 Lm 的大小与功放输出网络的电感 L 可比，则可能改变输出网络的共振频率或阻抗变换特性。

Lm 会使输出信号通过 VDD 线反馈到前级，导致频率响应出现纹波，甚至可能引起系统不稳定。

Lg 会降低输出级性能，并引入额外的反馈，进一步恶化电路性能

差分功放的改进

相比单端功放，差分功放对封装寄生效应的敏感性显著降低：

瞬态电流的减小：

• 差分功放对电源和地的瞬态电流需求较小。
• 如图10.9b所示
  • 电源线寄生电感 Lm 和接地线寄生电感 Lg 的影响被大幅削弱。

反馈问题的缓解：

• 差分架构的对称性使得来自电源和地的反馈噪声对信号的影响较小。
• 因此，系统的频率响应更平滑，稳定性更高。

负反馈效应的利用：

• 差分功放的结构中自然形成的负反馈可有效抑制因寄生效应引起的性能衰减。

尽管差分功放在增益和封装寄生效应方面有显著优势，但大多数情况下功放仍需驱动单端天线。因此，需要引入 巴伦 (Balun) 来实现差分信号与单端信号的转换

优化建议

• 差分功放的使用
  • 在允许的情况下优先使用差分功放，尽量减少瞬时电流对电路性能的影响。
• 巴伦设计优化
  • 选用低损耗、高效率的巴伦，避免因寄生效应影响功放性能。
• 封装设计优化
  • 减小键合线电感的影响，通过改进封装技术降低 Lm 和 Lg 的值。

差分功放的另一大优点

与本振的耦合更小，减小 LO Pulling（本振频率牵引）：

当功放输出信号通过耦合影响本振，可能导致本振频率偏离设计值。

这种现象会严重影响发射机的频率稳定性和信号质量。

差分功放的优势：

差分功放的对称性有助于抵消各级差分波形对本振的耦合：

如果功放的各级差分波形对称传播，它们的耦合效应可以相互抵消，显著降低 LO Pulling 的风险。

如果功放设计中包含对称电感，仍然可能出现耦合问题：

对称电感的寄生效应可能引入额外的耦合路径，使 LO Pulling 无法完全避免。

单端功放与差分功放的取舍

功放设计中，选择单端还是差分结构涉及多种因素权衡，导致了不同的设计观点：

1. 全差分电路的设计思路：
   • 特点
     • 从上变频器到功放全程使用差分信号处理。
     • 在输出匹配网络前插入巴伦以适配单端天线。
   • 优点
     • 减少 LO Pulling 问题。
     • 抑制寄生效应引起的噪声和干扰。
     • 提高频率稳定性和系统线性度。
   • 缺点
     • 引入巴伦会导致额外的功率损耗，尤其是片上巴伦的效率较低。
2. 单端功放的设计思路：
   • 特点
     • 上变频器后的信号直接采用单端方式传递。
     • 可选择在上变频器后插入巴伦以改善增益，也可省略巴伦以降低复杂性。
   • 优点
     • 设计和测试相对简单。
     • 不需要片上巴伦时，损耗更低，系统效率更高。
   • 缺点
     • LO Pulling 问题更为严重。
     • 更容易受到封装寄生效应的影响，稳定性较差。