射频集成电路设计基础16功率放大器

《射频集成电路设计基础》讲义

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功率放大器

与小信号放大器的区别 主要指标 PA 的分类 大信号阻抗匹配

非线性失真 线性化技术 CMOS PA 参考文献

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与小信号放大器的区别

• 大信号工作

– 需要足够的电流驱动能力和击穿电压

» 例如30dBm @ 50Ω = 1W = 10V ×200mA

– 阻抗非线性，匹配困难

• 功率增益：不要光看电压增益

以低频射极跟随器为例，电压增益为

如果 ，，，，以上两式的值分别为0.98

和0.96，即没有电压增益。

R S r π

R L

v o

v s

v 1

g m v 1

R S

R L

v in v o

v in

-----1β+()R L r π1β+()R L +-----------------------------------R L 1g m ⁄R L +-------------------------≈=v o

v s

----1β+()R L R S r π1β+()R L ++-----------------------------------------------R L R S β⁄1g m ⁄R L ++---------------------------------------------≈=R S 100Ω=R L 50Ω=g m 1 S =β100=

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而电路的功率增益：

在以上条件下 或 8.7dB 。

• 共轭匹配不是最佳选择

为了从一个给定的信号源(电压或电流)获取最大的功率，

需要使负载与信号源内阻共轭匹配，这时的功率传输效率为50%。注意，这只是负载上的信号功率与负载和内阻上消耗的信号功率比，即一半的功率被消耗在了内阻上，它并不是放大器的效率。电压源的负载电阻越大、电流源的负载电阻越小，内阻上的消耗就越小。

• 效率和线性度：最基本的要求和矛盾

小信号放大器通常不存在效率问题，但由于功放所消耗的巨大功率，效率成为关键指标之一，尤其对于移动台。

G T P L P AVS -----------v o 2R L

⁄v s 2⁄()2R S

⁄----------------------------4v o 2v s 2----R S R L -----⋅

===G T 7.4≈R S

R L

v s

i R S

R L

v

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主要指标

• 输出功率和增益

不同系统所要求的输出功率不同，在个人无线通信系统中大致在1毫瓦 (0dBm)到几瓦(~35dBm)之间，为了获得这一范围的输出功率，视输入信号的情况，功放的功率增益大约为20到40dB 。

• 效率和功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE)

功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗。

(1)

效率和线性度矛盾的另一方面：输出功率越大，效率越高，由非线性所引起的

失真或干扰也越强。

ηP L

P D

------,

=PAE P L P in –P D

-------------------η11G ---– ==

• 线性度

– 非线性失真同时表现在幅度和相位上

– 互调分量(IM3, IM5 etc.)或谐波抑制

– EVM (Error Vector Magnitude)

– ACP (Adjacent Channel Power, 已调制信号)

• 功率(或增益)控制

有效的节省能量、减少对其他用户干扰的手

段，在CDMA系统中更是一个基本要求。可

以通过模拟信号(连续变化)或数字信号(按一定的步长或dB值变化)控制。

• 输入输出反射系数或驻波比

为了获得最大的输入功率，需要较小的输入反射系数；为了获得高效率，通常会在输出端形成较大的驻波比。

P0

f0

P1

f1

f ACP = P0− P1 (dBc)

EVM

ideal

actual

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PA的分类• Class A (甲类)

RFC=RF Choke，可以看成电流源

,

当v CE的峰峰值达到2V CC，i x或i C的峰峰值达到2I C时输出信号功率达到最大值

此时放大器的效率为

Matching

RFC

R L v CE

V

C

C

I

C

i C

t

t

R x

i x

Network

V CC

i x I C i C

–

=P D V CC I C

=

P L max

,

1

2

--I

C

2R x1

2

--

V CC2

R x

---------1

2

--V

CC

I C ===

ηmax

∴

P L max

,

P D

---------------50%

==

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