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Mini-Circuits射频功率放大器课程,功率放大器如何工作的?

2021/3/30 9:43:23
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功率放大器类如何工作


功率放大器(PA)使用不同的放大方案来增强输入信号,具体取决于应用需求和要增强的信号的性质。信号可以是连续波(CW)或多种形式的脉冲波形,具有不同的脉冲宽度和占空比。在输出功率,增益,效率,线性度和其他性能参数方面,不同的信号类型具有不同的放大需求。


理想情况下,功率放大器工作效率很高,因此它的大部分应用电源用于提高输入信号的幅度和高线性度,因此在大多数输入功率范围内,输出功率与输入功率成正比。但是,实际上,设计人员会根据给定应用程序的要求在效率和线性之间进行权衡。较低的效率导致功率在PA半导体结中转换为热量,必须将其散发以避免性能下降并保护放大器及其有源器件免于过热。同时,较差的线性度意味着放大器将在其功率曲线的非线性区域中更多地工作,从而可能以谐波和互调产物的形式产生失真。


优先级取决于应用程序的性质和所涉及的信号。例如,在具有幅度调制(AM)和/或相位调制(PM)的通信系统中常见的一些输入信号,需要在放大器的输入端到较高幅度的输出信号之间保持幅度和相位关系。具有良好线性度的放大器可保持AM和PM关系。当增强此类系统中常见的多音信号时,线性差的PA会产生不可接受的互调失真(IMD)。在其他应用中,例如使用脉冲信号的雷达,放大器效率,增益和输出功率可能更为重要,并且可能不需要高线性度。


开发了不同类别的放大器,以帮助用户区分导致线性度,效率和其他参数达到不同平衡的各种配置和工作模式。本文介绍了最常见的RF放大器类别(A,AB,B等)的基本特征和区别,和C)。通过检查实际示例来说明典型性能。


学习字母:放大器类之间的差异


不同的放大器类用大写字母表示,具有从A类到T类的不同配置,尽管最常见的配置是:


A级


B级


C级


以及称为AB类的混合配置


通常,放大器的类别是指放大器的晶体管处于“ ON”状态或处于其导通状态的被放大的波形部分。有源器件处于完全360°导通状态或“始终开启”的放大器将比具有仅在180°导通角吸收电流的相同器件的放大器消耗更多的功率,并且效率更低。对于占空比短的脉冲信号,可能不需要具有全器件导通状态的放大器,而高效率的放大器可以帮助节省施加到放大器的功率并提高效率。

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图1:不同的放大器类使用其有源或全导电半导体器件来实现不同类型的应用和波形所需的不同效率水平。


甲类放大器


A类放大器被设计为与有源器件一起以360°全导通的方式工作。其晶体管在“导通”状态下通电或偏置,消耗电流并在100%的时间内使用功率。尽管这种放大器配置提供了非常线性的性能以及从输入到输出的最佳信号保真度,但它也是放大器类别中效率最低的,其放大器晶体管的漏极效率通常不到50%。


与效率较高的放大器相比,效率低意味着功耗更高。这通常还意味着必须适当散发有源器件产生的多余热量,以维持性能和预期的使用寿命。通常使用导热材料(例如散热器)来散发过多的热量,这会增加设计的尺寸和重量。


当需要线性度和低失真且信号电平足够低时,A类放大器配置可用于低噪声放大器(LNA)和其他小信号放大器,因此无需担心由于放大器效率低而产生的热量,例如在PA的输入阶段。但是,为了以较高的输出功率电平放大信号,需要使用不同的放大器配置。


B类放大器


在B类放大器中,仅使用有源器件导通角的一半或180°可以节省能量并提高效率。这可以通过将有源器件偏置为开和关的方式来实现。B类放大器配置的一个示例是带有两个晶体管的“推挽”放大器,其中一个在输入正弦波信号的正向期间导通,另一个在负向期间通过高功率部件导通。放大的正弦波在放大器的输出处组合。


由于B类放大器中的有源器件导通时间是A类放大器中有源器件的一半,因此B类放大器的效率可以比A类放大器高得多,高达75%。 %,通常与70%相比 这 在A类放大器中的效率低于50%。但是,打开和关闭设备导通角会降低线性度,如较高的多音失真(例如IMD)所证明的。


AB类放大器


AB类放大器结合了A类和B类放大器的元素,从而获得了两者的优势。AB类放大器有源器件的导通角约为270°,高于B类的180°但小于A类的360°,以平衡良好的线性度和高效率。有源器件在其180°开启周期后并未完全关闭,并且施加了少量偏置能量以有效地实现270°导通角,从而最大限度地减小了由于完全关闭器件而导致的交叉失真(如B类放大器)。AB类放大器的线性度可以接近A类放大器,但具有更高的效率,通常在50%至70%的漏极效率之间。


C类放大器


C类放大器可在调谐模式和未调谐模式之间切换有源器件,它们通常以小于90°的低导通角工作,以实现比A,B或AB类放大器高的效率(通常大于80%)。它们能够以高增益实现高输出功率,但可以在器件工作模式之间进行切换s 与A类,B类或AB类放大器相比,它趋向于更非线性的工作,从而使该类放大器不适用于调制信号。


其他放大器类(例如D类,E,F和G),甚至专有配置(例如T类)都使用多个器件之间的切换方法或有源器件的偏置方法来实现高效率的高输出功率水平。实际上,D类放大器更像是开关,而不是放大器,它通过脉宽调制(PWM)增强输入信号,并在放大器的输出端将切换后的PWM波形重构回输入波形的放大版本。这种非线性放大器通常用于数字音频和电机控制应用。


例子


就实际性能而言,不同的放大器类别意味着什么?作为A类放大器的一个例子,ZHL-20W-13 +是Mini-Circuits的获得专利的50ΩPA,具有集成的关断功能以防止过热(图2)。它提供从20到1000 MHz的20W输出功率,在整个频率范围内具有50 dB的典型增益和±1.8 dB的增益平坦度。相对于1 dB压缩(P1dB)时的输出功率,高输出三阶交调点(OIP3)通常是高放大器线性度的一个信号,该A类放大器的典型OIP3为+50 dBm,典型P1dB为+39 dBm,表明非常高的线性度和低AM至AM失真。放大器从+ 24-VDC电源汲取2.8 A电流。

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图2:ZHL-20W-13 +是获得专利的A类放大器,具有高线性度和20至1000 MHz的50 dB增益。

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尽管由于其20至2700 MHz的较宽频率范围和25W的较高饱和输出功率而无法进行合理的比较,但Mini-Circuits的ZHL-25W-272 +型(图3)是AB类放大器的一个很好的例子。该模型在整个频率范围内具有50 dB的增益。它提供的典型P1dB为+40 dBm,典型的OIP3为+49 dBm,这表明ZHL-20W-13 +型号具有良好的线性度,但还不能提供出色的线性度。但是,该模型的功率附加效率(PAE)为24%,而上述A类模型的功率附加效率为15%,这表明我们希望在不同的设计类之间看到权衡。ZHL-25W-272 +型号从+ 28-VDC电源汲取3.5 A电流。

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图3:ZHL-25W-272 +是AB类放大器,在20至2700 MHz范围内具有50 dB的增益

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在AB类放大器中,可以实现良好的线性度(如高OIP3相对于P1dB所示),而不会因A类放大器的线性度更好而需要较高的功耗和较低的效率。尽管这些是粗略的比较,但对于具有不同频率范围的放大器,它们显示了这两种放大器类别的功耗/效率和线性趋势。对于给定的半导体技术(例如硅(Si)或砷化镓(GaAs)晶体管),这些趋势仍然适用,但是当采用具有增强功能(例如高功率密度,高功率)的半导体技术实现放大器时,这些趋势将得到增强。碳化硅(GaN-on-SiC)晶体管上的高效率氮化镓。


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