射頻工程師必須知道的：PA功率放大器那些事!

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

身為射頻工程師,工作多多少少都會涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標、電路組成、效率提升技術、發(fā)展趨勢……關于射頻功率放大器,該知道的你都知道么?快來補補課吧!

RF PA的兩個關鍵指標:功率和線性

在RF功率放大器中,功效(PAE)定義為輸出信號功率與輸入信號功率之差與直流電源功耗的比值,即:
PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)

射頻功率放大器RF PA的功能

射頻功率放大器RF PA是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分,其重要性不言而喻。在發(fā)射機的前級電路中,調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小,需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級,獲得足夠的射頻功率以后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。功率放大器往往是固定設備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號后,射頻已調(diào)信號就由RFPA將它放大到足夠功率,經(jīng)匹配網(wǎng)絡,再由天線發(fā)射出去。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖

放大器的功能,即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容,我們稱之為“信號”,往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統(tǒng)”來說,它的“貢獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平,并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”,即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能,那么它就可以貢獻更多,這才體現(xiàn)出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機制設計”存在著一定的問題,那么在開始工作或者工作了一段時間之后,不但不能再提供任何“貢獻”,反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”,這種“震蕩”,對于外界還是放大器自身,都是災難性的。

射頻功率放大器RF PA的分類

根據(jù)工作狀態(tài)的不同,功率放大器分類如下:

圖2 功率放大器的分類

射頻功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分為甲 (A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導通角為360°,適用于小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等于180°,丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài),丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類, 但丙類放大器的電流波形失真太大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。

除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態(tài)外,還有使電子器件工作于開關狀態(tài)的丁(D)類放大器和戊(E)類放大器,丁類放大器的效率高于丙類放大器。

射頻功率放大器RF PA的性能指標

射頻功率放大器RF PA的主要技術指標是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中,可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波,實現(xiàn)不失真放大?？傮w來說,放大器的評判大概存在著如下指標:

增益。這是輸入和輸出之間比值,代表著放大器的貢獻。好的放大器,都是在其“自身能力的范圍內(nèi)”,盡可能多的貢獻出“產(chǎn)出”。工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大范圍內(nèi)產(chǎn)生“貢獻”。對于一個窄帶放大器來說,其自身設計即便沒有問題,但是其貢獻可能是有限的。穩(wěn)定性。每一個晶體管都存在著潛在的“不穩(wěn)定區(qū)域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩(wěn)定。放大器的穩(wěn)定性包括兩種,潛在不穩(wěn)定和絕對穩(wěn)定。前者可能在特定條件和環(huán)境下出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,后者則能夠保證在任何情況下保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性問題之所以重要,是因為不穩(wěn)定意味著“震蕩”,這時放大器不但影響自身,還會將不穩(wěn)定因素輸出。最大輸出功率。這個指標決定著放大器的“容量”。對于“大的系統(tǒng)”來說,希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。效率。放大器都要消耗一定“能量”,還實現(xiàn)一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比,即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少,就是好的放大器。線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進行正確的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態(tài)下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現(xiàn)出這種“畸形”的性質(zhì)。

下面內(nèi)容:射頻功放的電路組成、穩(wěn)定和效率提升方式

射頻功率放大器RF PA的電路組成

放大器有不同類型,簡化之,放大器的電路可以由以下幾個部分組成:晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。

1、晶體管

晶體管有很多種,包括當前還有多種結構的晶體管被發(fā)明出來。本質(zhì)上,晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個受控的電流源或電壓源,其工作機制是將不含內(nèi)容的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得,晶體管加以消耗,并轉(zhuǎn)化成有用的成分。一個晶體管,我們可以視之為“一個單位”。不同的晶體管不同的“能力”,例如其承受功率的能力有區(qū)別,這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;例如其反應速度不同,這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;例如其面向輸入、輸出端的阻抗不同,及對外的反應能力不同,這決定了給它匹配的難易程度。

2、偏置及穩(wěn)定電路

偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路,但因為他們往往很難區(qū)分,且設計目標趨同,所以可以放在一起討論。

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下,我們稱之為靜態(tài)工作點。這是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位,其定位不同將決定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有寫定位點上起伏較小,適合于小信號工作;有些定位點上起伏較大,適合于大功率輸出;有些定位點上索取較少,釋放純粹,適合于低噪聲工作;有些定位點,晶體管總是在飽和和截至之間徘徊,處于開關狀態(tài)。一個恰當?shù)钠命c,是正常工作的礎。

穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前,因為晶體管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在,再與外界接觸。在外界看來,加上穩(wěn)定電路的晶體管,是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”,獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。

3、輸入輸出匹配電路

匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說,其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口,不同的晶體管之間溝通更加順暢,對于不同種的放大器類型來說,匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管,更愿意在接受的時候做一定的阻擋,來獲取更好的噪聲性能,然而不能阻擋過了頭,否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管,則需要在輸出時謹小慎微,因為他們更不穩(wěn)定,同時,一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。

射頻功率放大器RF PA穩(wěn)定的實現(xiàn)方式

每一個晶體管都是潛在不穩(wěn)定的。好的穩(wěn)定電路能夠和晶體管融合在一起,形成一種“可持續(xù)工作”的模式。穩(wěn)定電路的實現(xiàn)方式可劃分為兩種:窄帶的和寬帶的。

窄帶的穩(wěn)定電路是進行一定的增益消耗。這種穩(wěn)定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實現(xiàn)的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個頻率范圍內(nèi)貢獻。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負反饋。這種電路可以在一個很寬的范圍內(nèi)工作。

不穩(wěn)定的根源是正反饋,窄帶穩(wěn)定思路是遏制一部分正反饋,當然,這也同時抑制了貢獻。而負反饋做得好,還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點。比如,負反饋可能會使晶體管免于匹配,既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外,負反饋的引入會提升晶體管的線性性能。

射頻功率放大器RF PA的效率提升技術

晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點(靜態(tài)工作點)的選擇不同而不同。另外,外圍電路設計得不好,也會大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種:包絡跟蹤技術與Doherty技術。

包絡跟蹤技術的實質(zhì)是:將輸入分離為兩種:相位和包絡,再由不同的放大電路來分別放大。這樣,兩個放大器之間可以專注的負責其各自的部分,二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

Doherty技術的實質(zhì)是:采用兩只同類的晶體管,在小輸入時僅一個工作,且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大,則兩個晶體管同時工作。這種方法實現(xiàn)的基礎是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會直接的決定了另一支的工作效率。

RF PA面臨的測試挑戰(zhàn)

功率放大器是無線通信系統(tǒng)中非常重要的組件,但他們本身是非線性的,因而會導致頻譜增生現(xiàn)象而干擾到鄰近通道,而且可能違反法令強制規(guī)定的帶外(out-of-band)放射標準。這個特性甚至會造成帶內(nèi)失真,使得通信系統(tǒng)的誤碼率(BER)增加、數(shù)據(jù)傳輸速率降低。

在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM傳輸格式會有更多偶發(fā)的峰值功率,使得PA不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性,并擴大整個波形的EVM及增加BER。為了解決這個問題,設計工程師通常會刻意降低PA的操作功率。很可惜的,這是非常沒有效率的方法,因為PA降低10%的操作功率,會損失掉90%的DC功率。

現(xiàn)今大部分的RF PA皆支持多種模式、頻率范圍及調(diào)制模式,使得測試項目變得更多。數(shù)以千計的測試項目已不稀奇。波峰因子消減(CFR)、數(shù)字預失真(DPD)及包絡跟蹤(ET)等新技術的運用,有助于將PA效能及功率效率優(yōu)化,但這些技術只會使得測試更加復雜,而且大幅延長設計及測試時間。增加RF PA的帶寬,將導致DPD測量所需的帶寬增加5倍(可能超過1 GHz),造成測試復雜性進一步升高。

依趨勢來看,為了增加效率,RF PA組件及前端模塊(FEM)將更緊密整合,而單一FEM則將支持更廣泛的頻段及調(diào)制模式。將包絡跟蹤電源供應器或調(diào)制器整合入FEM,可有效地減少移動設備內(nèi)部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增加濾波器/雙工器插槽,會使得移動設備的復雜度和測試項目的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升。

手機射頻模塊功率放大器(PA)市場情況

手機功率放大器領域是目前手機里無法集成化的元件,手機性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機強度、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。

如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案:一種是融合架構,將不同頻率的射頻功率放大器PA集成;另一種架構則是沿信號鏈路的集成,即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點,適用于不同的手機。融合架構,PA的集成度高,對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢,5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點是雖然PA集成了,但是雙工器仍是相當復雜,并且PA集成時有開關損耗,性能會受影響。而對于后一種架構,性能更好,功放與雙功器集成可以提升電流特性,大約可以節(jié)省幾十毫安電流,相當于延長15%的通話時間。所以,業(yè)內(nèi)人士的建議是,大于6個頻段時(不算 2G,指3G和4G)采用融合架構,而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術文章,助你自學成才