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高效率E类射频功率放大器的设计 指导老师：周红丽（讲师） 班级姓名：自动化08101 夏勤发 内容介绍 一、射频功率放大器 二、高效率E类射频功率放大器的探索 三、高效率E类射频功率放大器的设计 一切无线通讯的发射系统都不能缺少功率放大这一模块，因此射频功率放大器在通讯系统中扮演着一个举足轻重的角色 一、射频功率放大器 二、高效率E类射频功率放大器的探索 1、A类功率放大器 电流的导通角为180 度 η=Pout/Pdc =I2LMRL/2ICQVCC≤I2LMR2L/2V2CC≤50% 当ILM=ICQ时，效率η取得最高值，即η=50％，A 类射频功率放大器在没有输入信号时，电源供给的全部功率都会消耗在功率管上，即管耗Pc达到最大，等于电源供给功率Pdc,此时功率放大器效率为零，这是一种极大的浪费。 2、B类功率放大器 电流的导通角为90度 η=Pout/Pdc≈π/4=78.5% 当正弦基带信号输入时，功率管VT1，在输入波形的半个周期内导通，此时功率管VT2 截止；而在另半个周期则是功率管VT1 截止，功率管VT2导通。 3、C类功率放大器 电流的导通角小于90度 η=Pout/Pdc=0.5I2LMRL/VCCIC =0.5VcmILM/VCCIC =0.25Vcm(2θ-cosθ)/Vcc(sinθ-cosθ) η是导通角的θ函数。当导通角θ增加时，效率η减小。反之，当导通角θ减小时，效率增加。当θ=70度时，η=90% 通过对A类、B类、C类功率放大器的分析，发现减小电流导通角，可以提高效率。E类射频功率放大器能否通过减小导通角来实现高效效率呢？ 当θ减小时，效率理论上在不断提高，但是这时基波振幅也成为零了，换言之，电路中没有信号了，这样以来，100％的效率就没有任何意义了。从上述分析中可以看出，功率消耗在管子上的原因是集电极上存在功率的消耗，即同时有集电极电流ic和集射极电压uCE存在。 4、D类功率放大器 两管的激励信号相位相反，所以当一个功率管导通时，另一个功率管截止，两管轮流工作，在输出端构成完整的信号波形 加在器件两端的电压为脉冲电压，输出端连接一个谐振于基波频率的LC串联谐振回路以抑制谐波分量。两个功率管的输入信号幅度都应该足够大，才能保证导通管进入饱和导通状态。 如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽可能地减少，使通断的转换时间尽可能地缩短，那么D类放大器的工作频率可以继续有所提高，即构成E类功率放大器。 5、E类射频功率放大器 简化后 在理想的情况下，特定的负载网络可使功放管的集电极电压和集电极电流的时域波形不出现交叠，即在功放管的漏极不同时出现电压和电流，从而使功放管的能耗为零，放大器的工作效率100％。 在ic间隔内归一化稳态集电极电压波形的表达式为 ｕ（ωt）/Vcc=π(ωt-3π/2-π/2 cosωt -sinωt) 在0≤ωt＜π间隔内的电流波形表达式为 i（ωt）/I=ωt-3π/2-π/2 cosωt –sinωt 三、高效率E类射频功率放大器的设计 1、功放管的选择 材料 Si GaAs GaN 物理性质 禁带宽度（ev） 1.1 1.4 3.4 饱和速率（×10-7） 1 2.1 2.7 热导（W/c.k） 1.3 0.6 2 击穿电压（M/cm） 0.3 0.4 5 电子迁移速率(cm2/V.s) 1350 8500 900 应用情况 光学应用 无 红外 蓝光/紫外 高频性能 差 好 好 高温性能 中 差 好 发展阶段 成熟 发展中 初期 相对制造成本 低 高 高 如果设计输出功率不高，工作频率较高的E 类功率放大器，GaAs和GaN器件均是较好的选择。如果设计大功率、高效率、高频率的E 类功率放大器，则选用GaN 比较容易达到设计的要求。 2、设计输入输出阻抗匹配网络 L型网络既可以起到阻抗变换作用，又有阻抗补偿特性，应此被广泛采用在射频功率放大器的匹配网络中。 中国移动 3、引入差分输入输出结构 如果将传统的单管输入E类功率放大器转换为差分结构，对于功率放大器的噪声，尤其是共模噪声能起到较强的抑制，在制造过程中也比较容易。 而且更重要的是，差分放大器具有在采用相同的放大晶体管的情况下，放大倍数是普通单端放大器的两倍，这就是说，在保证相同放大倍数的同时，差分结构的放大器的晶体管能够采用叫小尺寸的MOS晶体管来实现。 4、电感的设计 其中LS、RS表示串联电感和电阻，CS表示螺旋平面与下层金属连接线重叠部分以及螺旋与螺旋之间的寄生电容，COX表示金属螺旋与衬底之间的氧化物电容，Csi与Rsi表示衬底的电阻和电容。 Thank you