射频线性功率放大器研究 .doc
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1、1引言功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一,其非线性失真对无线通信系统产生诸多不良的影响:使输出信号星座图的实部和虚部发生偏移,使眼图的眼睛闭合,导致频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率,此外,失真还使系统的数据率下降而使系统的容量降低,或使系统信道频率问距变大而使系统的频谱利用率下降。功率放大器的线性化技术可以追溯到上世纪二十年代,当时美国贝尔试验室HaroldSBlack发明了前馈和负反馈技术并应用于功率放大器的设计,成功地减少了放大器的失真。近些年来,伴随着无线通信的发展,RF功率放大器的线性化技术的研究引起了人们高度的重视,相关研究成果和论文的数量不断地增加。总的来说,改善功率放大
2、器的线性度包括工艺制程、电路类型的选择以及采用线性化技术等方面。CMOS功率放大器的设计一直是RFIC设计的瓶颈之一。本文重点研究了CMOS射频线性功率放大器的设计,论文给出了详细的分析过程。论文的组织结构如下第一章:前言。第二章:CMOS射频功率放大器概述,介绍了不同类型的功率放大器、功率放大器的性能指标等与CMOS射频功率放大器相关的内容。第三章:射频功率放大器设计基础,涉及MOS管的非线性模型、匹配、负载拉技术等设计概念和方法。第四章:功率放大器的线性化技术,从电路级和系统级两个方面介绍功率放大器设计中常用的线性化技术。第五章:结论和展望,总结了整个论文的工作,提出了论文中可以进一步完善
3、的地方。2 GMOS射频功率放大器概述射频功率放大器是无线发射机系统中的核心模块之一,要求具有一定的输出功率。随着通信技术的发展,信道容量急剧增加,许多无线通信系统都采用了幅度相位组合的调制技术,功率放大器在输出大功率时要防止发生失真,这对功率放大器的线性度提出了很高的要求。21 功率放大器分类211传统的线性功率放大器传统的功率放大器是最早出现的功率放大器的结构,依据导通角的不同可以分为A类、AB类、B类和c类。它们具有较高的线性度,在实际中得到广泛应用。在这些功率放大器中,有源器件都作为电流源,由于这四种类型的放大器仅仅是导通角有所不同,而电路结构、设计思想等都是一样的,本节把他们作为整体
4、进行介绍。工作原理图2一l(a)是通用的线性功率放大器的模型。图中RFC是理想的RF扼流圈,它具有零串联电阻及在工作频率时无穷大的电抗。Cb是隔直电容,在工作频率时具有零电抗,有源器件相当于一个理想的电压控制电流源,具有零饱和电阻。输入的余弦电压定义为(图2-1(b): (21)式中,是栅极偏置电压,是输入信号的幅值漏极输出电流可以写成(图2-l(b) (2-2)式(2-2)中,是漏极静态电流,I对应着漏极射频信号的幅值,导通角2表示RF电流周期中器件导通的角度。此时 (2-3)角可由下式计算: (2-4) (2-5)当t=0时,输出漏极电流有最大值: (2-6)从式(2-4)可以得到以下基本
5、结论:当I时,对应于A类工作模式当时,cos0对应于AB类工作模式;当=时,cos=0, =0对应于B类工作模式;当0, 0对应于C类工作模式;输出电流i可用傅里叶级数展开如下: (2-7)式(2-7)中的直流和基波分量可从下面两个式子中得到: (2-8) (2-9)其中电流的n(n2)阶谐波成分的幅度为 (2-10)从图2-2可以看出,当导通角减小时,输出电流中直流成分是单调减小的;而输出电流中的基波分量并不是关于导通角的单调函数。而当导通角位于2和之间时,基频成分随导通角的减小而单调增加,仅当导通角小于时,基频成分才转为随导通角的减小而单调下降。当导通角位于2和之间时,高阶谐波成分中仅有二
6、阶谐波成分比较高,其它的谐波成分都很小,而且随着导通角的减小,高阶谐波成分逐渐增加。另外,当时导通角等于 (B类功放),奇数阶谐波成分都等于0。图2-2表明随着导通角的减小,功率放大器的非线性是逐渐增加的,当导通角等于2 (A类功放)时,输出电流中除了基波频率外,没有其它的谐波成分,因此A类功放是一个理想线性放大器。以上的分析中,都假设晶体管满足强非线性条件,而忽略了晶体管的弱非线性。实际上,当输出电流中高阶谐波成分很小时,弱非线性将成为限制功率放大器线性度的主要因素。因此实际的A类功放也不是理想的线性放大器。 传统功率放大器的峰值、效率问题利用漏极基波电流的表达式(2-9),很容易推导出最大
7、输出电压摆辐的公式: (2-11)这样,基波电流的幅值可以表达为: (2-12)峰值电流为基波电流幅值与偏置项的和,即 (2-14)化简为: (2-15)由(2-8)、(2-9)可得到漏极效率为 (2-16)从图2-3中可以看出,导通角缩小至零时,效率接近100,但是从图2-2可以看出输出功率也为零,这是因为在越来越窄的漏极电流波形中基波分量也在减少。这些综合考虑使得实际上只有得到小于100的效率才能有一定的输出功率。212非线性功率放大器开关模式功率放大器是一种高效率的功率放大器,理论上具有100的漏极效率在这种功率放大器中,驱动电压幅度足够强(过驱动),使得晶体管相当于受控的开关,在完全导
8、通(晶体管工作于线性区)和完全截止(晶体管工作于截止区)之间瞬时切换。由于流过理想开关的电流波形和开关上的电压波形没有重叠,理想开关不消耗功耗,电源提供的直流功率都转换为输出功率,达到100的效率。依据实现思想的不同,可以将开关模式功率放大器分为D类、E类和F类放大器,通常D类功率放大器常常作为音频功率放大器,而F类功率放大器由于其结构的复杂性不适合以集成电路的方式实现。这一部分重点介绍E类功率放大器。E类功率放大器E类功率放大器最早是Nathan OSokal和AlanSokal两人于1975年提出来的。E类功率放大器的特性由它的漏极电压和电流波形来确定的。具有RFC电感的E类功率放大器的基
9、本电路如图2-4(a)所示,它的负载网络由与晶体管并联的电容C、串联电感L、调谐于基波的谐振器L0、CO和负载电阻R组成。晶体管在驱动信号的作用下相当于一个开关。E类功率放大器由于设计简单且高效率,得到了广泛的应用,功率范围从RF频段的几千瓦到微波频段的1瓦左右。为了简化E类功率放大器的分析,它的等效电路如图2-4(b)所示并引入以下假设:假设晶体管具有理想的开关特性,即开关闭合时电阻为零,开关断开时电阻无穷大,开关行为是瞬时和无损耗的;RFC扼流圈仅允许恒定的直流电流流过,直流电阻为零;串联谐振网络LC调谐于,它的有载品质因数足够高,可认为开关频率的输出电流是正弦的;除负载电阻以外电路无其他
10、损耗;使用50占空比的最佳工作模式;对无损耗工作模式需提供下述最佳条件,开关两端电压在开关闭合前回到零,并且在闭合时斜率为零: (2-17) (2-18)假设输出电流为正弦波,即 (2-19)式中。是初始相位。当开关在0处于闭合状态,通过电容的电流,结果 (2-20)在初始闭合状态i(0)=O条件下,直流电流可以定义为: (2-21) 流过开关的电流可以写成: (2-22)当开关在2断开状态,流过开关的电流i(0)=0,则流过电容的电流可以写成: (2-23)而开关两端的电压由电容的充电产生,可根据下式求得: (2-24)应用(2-17),(2-18)给出的最佳条件,相位角可定义如下式: (2
11、-25)考虑到三角关系可以得到 (2-26)结果利用(2-21)、(2-26)得到开关两端稳态电压波形的形式如下: (2-27)使用傅里叶级数展开,确定供电电压V的表达式可写成: (2-28)结果在2间隔内,归一化的稳态漏极电压波形和0间隔内的电流波形是: (2-29) (2-30)图2-5为具有RFC电感的理想E类功率放大器的归一化特性从漏极电压和电流波形可以看出当晶体管闭合时,开关两端无电压,电流i由流过负载的正弦电流和直流电流组成,但是当晶体管断开时,电流流过并联电容C结果,电压和电流没有重叠的时刻,这意味着无功率损耗,即理想漏极效率100%。直流功率和基波输出功率相等: (2-31)直
12、流电流的值可由(2-21)、(2-26)决定: (2-32)这样输出电压的幅值可由下式求得 (2-33)峰值漏极电压V和电流I可对(2-29)(230)微分得到: (2-34) (2-35)最后可以得到与设计相关的方程式: (2-36) (2-37) (2-38)其中P表示输出功率。u 213各种功率放大器性能比较前面我们介绍了各种类型的功率放大器,包括传统功率放大器(A、AB、B、C类放大器和开关模式功率放大器(D、E、F类放大器,它们具有不同的性能,表21对各种类型功率放大器的性能进行了总结。传统功率放大器具有相对较高的增益和线性度,但效率低,而开关模式功率放大器具有很高的效率和高输出功率
13、,但线性度很差。器的线性度和效率是一对折衷的参数。22性能参数衡量功率放大器的性能参数可以分为两类,一类是由无线通信系统标准规定的性能参数,具有明确的数值要求,如最大输出功率以及带外辐射(Extraneous Emission)等参数,另一类是无线通信系统标准没有规定的参数,但通常用来比较不同功率放大器的相对性能,如效率等。本节主要讨论功率放大器常用的工程技术参数。工作频率范围f工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率等条件下的工作频带宽度,即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围,单位Hz。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。输出功率射频功率放大器的输出
14、功率定义为功率放大器传递给给负载的带内射频信号的总功率,它不包括谐波成分以及杂散成分的功率。射频功率放大器的负载通常为天线,射频天线的等效阻抗一般为50Q。如果功率放大器的输出是一个包络为常数的正弦型信号,则它的输出功率为: (2-39)其中,V是输出射频信号的幅度,R是负载阻抗值。在发射机中,功率放大器处理的信号是经过调制后的信号,它的包络可能随着信源(随机二进制序列)的变化而变化,因此,式(2-39)计算的是功率放大器的瞬时输出功率但无线通信系统标准通常仅规定了发射机的平均输出功率,因此需要知道输出功率的统计特性,而平均输出功率兄是瞬时输出功率的统计平均: (2-40)其中, (P)为功率
15、放大器的瞬时输出功率位于P和P+dP之间的概率。如果功率放大器是理想线性的,那么 (P)由信号的调制方式和信源的概率分布函数唯一确定,但功率放大器的非线性会改变输出功率的统计特性,这时 (P)的计算就会比较复杂。计算平均输出功率的另一种办法是对瞬时输出功率在时间上平均,它可以将功率放大器的非线性效应对输出功率的影响考虑在内,这种计算办法需要较长的观察时间,通常用在计算机仿真中。功率放大器的输出功率是由无线通信系统标准规定的一个性能参数,但标准通常仅规定系统允许的最大输出功率。为了降低功耗,功率放大器的实际输出功率通常会根据通信距离以及通信信道质量进行自动调节。在绝大多数通信时段内,功率放大器的
16、输出功率会远小于最大输出功率。为了保证在最坏情况下,通信系统依然有较好的通信质量,功率放大器必须按最大输出功率进行设计和优化,但在实际工作的绝大部分时间内,功率放大器的实际输出功率远小于最大输出功率,这样功率放大器不是以最优的性能工作,会引起效率降低。效率功率放大器的效率用来衡量放大器将电源消耗的功耗转化为射频输出功率的能力。无线通信系统标准没有对效率做出规定,但它是衡量功率放大器性能的一个主要参数。效率有两种不同的定义方式,一种是功率附加效率(Power-Added Efficidency),其定义式为: (2-41)其中,P是放大器输出到负载上的射频输出功率,P是放大器的驱动信号功率,而昂
17、c是电源上消耗的功耗。另一种是漏极效率,定义为RF输出功率与DC输入功率之比,即 (2-42)漏极效率反应了有源器件所消耗的功耗与电源消耗的功耗的比值。漏极效率仅考虑了电源上的直流功耗转化为射频输出功率的能力,而功率附加效率将功率放大器的驱动信号功率也考虑在内,因此功率增加效率能更准确的反应功率放大器的效率性能。功率增益G功率增益G定义为输入输出端口良好匹配的情况下,输出功率与输入功率的比值。单位常用dB。功率增益的定义为: (2-43)归一化的功率输出能力归一化的功率输出能力也称为功率利用因子(Power Utilization Factor:PUF),是用来衡量功率放大器是否充分发挥了晶体
18、管输出功率潜能的一个性能参数,它定义为功率放大器的实际输出功率与利用同一晶体管构成的理想A类功率放大器输出功率的比值。在选择功率放大器的工作类别时,功率利用因子是要考虑的一个重要因素。某些类型的功率放大器具有很高的效率,但它的功率利用因子很低,这会限制它们的实际应用。如C类功放在导通角为0时,效率达到l00,但输出功率也降为0,很明显,这种功放是没有任何用处的。由于Ic工艺技术尺寸缩小的趋势降低了击穿电压,所以归一化的功率传输能力变得尤为重要。 (2-44)其中P为功率放大器的实际输出功率。线性度现代无线通信系统采用了各种各样的调制方式,而调制方式不同,对功率放大器的线性度就有不同的要求。从射
19、频设计的角度看,调制方式可以分为两种不同的类型:恒包络调制方式和非恒包络调制方式非恒包络调制方式包括tt4-DQPSK、OQPSK等,它们的包络是变化的,包络中携带有信息,因此功率放大器必须具有足够的线性度,保证射频信号仅被线性放大;而恒包络调制方式包括GFSK、GMSK等,它们的包络是恒定的,信息仅包含在信号的相位上,这种调制方式可以使用高效率的非线性功率放大器。在数据率一定时,恒包络调制方式会占用更宽的带宽。因此在选择系统的调制方式时,要在功放的线性度,效率和信道容量之间进行折中考虑。为了估算功率放大器的非线性特性,首先考虑有源器件的传输函数,形式如下:i=f(v) (2-45)式中,f是
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