功率放大器设计

工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。 硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz（注：以上数据是1995年前水平），砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从一吉赫到几十吉赫。 为了适应通信技术的发展，专门开辟了标准通信频道，工作带宽从0.5GHz到1GHz，如表7-1所列。 最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。 通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。 在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配的。 1．饱和输出功率 当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。 2．1dB压缩点输出功率P1dB 功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。 (1) P1dB点三阶交调系数M3(1dB) P1dB和M3(1dB)是度量微波功率放大器非线性的两个不同指标，它们之间有一定联系。 假定微波功率放大器是一个无惯性非线性网络，且在P1dB点的幅度非线性很小，在上述两个假设条件下，两个角频率为1和2的等幅信号输入时，P1dB点的三阶交调系数近似为 由于理论分析中的假设，实际测量的误差以及微波晶体管实际非线性特性优劣程度的不一致，在工程估算时，常取M3(1dB)为–20dBc。这里还得注意，上式仅适用双信号等幅情况，如果三信号等幅输入时，上式就不适用了。 (2) 任意输入功率的三阶交调系数M3 图7-1是双频等幅信号输入时基波信号输出 功率和三阶交调功率对应基波信号输入功 率的变化特性。由图看出，基波信号输出 功率与输入功率是1:1（dB数）变化关系， 即输入功率增加1dB时，输出信号也增加 1dB。三阶交调产物与基波信号输入功率 是3:1（dB）变化关系，即基波信号输入功 率增加1dB，使三阶交调系数M3恶化2dB。 根据上述变化特性，任意输入功率Pin时的三阶交调系数M3可由下式估算 式中 Pin——基波信号（1或2）输入功率； Pin(1dB)——基波信号1dB增益压缩点输入功率。 注意上式中各变量都是以dB为运算单位。 图7-1中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点。 (3) 三阶交调交截点 图7-1中基波信号输出功率特性延长 线与三阶交调特性延长线的交点称为 三阶交调交截点，用符号IP3表示， 对应的输出功率是P1，它也反映了微 波功率放大器的非线性，当输出功率 一定时，三阶交调交截点输出功率P1 越大，微波功率放大器的线性就越好。由P1也可以估计三阶交调系数 式中，Pout是基波信号输出功率。所有变量都是以dB为运算单位，它只适用信号功率较小的情况。 三阶交调交截点比1dB压缩点大10dB，它是放大器在A类工作时的一个假想点。 (1) 二阶交调系数 两个角频率为1和2的等幅基波信号同时输入微波功率放大器时，非线性引起的二阶交调（21）失真比二次谐波（21和22）失真严重，大了6dB，它也比三阶交调失真严重。 由于二介交调是二阶非线性引起的失真，从电路结构的角度分析，可以用平衡电路减小这种失真。此外，在窄带系统中，二阶交调分量偏离基波信号频率较远，可以采用滤波技术减小它对系统的影响，故设计窄带功率放大器时并不考虑这一项技术指标。而在多信号宽带传输系统（如电缆电视系统）中，二阶交调产物是落在信号通道内，此时，无法用滤波器去减小它对系统的影响，因此，设计宽带功放时必须考察这一项技术指标。 二阶交调系数 式中 P2'——频率为21的二阶交调功率； P1和P2——对应角频率1和2的信号输出功率。 因此，在多信号宽带传输系统中，二阶交调系数也是功率放大器非线性的一项重要指标，它的大小取决于电路结构及其工作状况。 2 、二阶交调交截点 同三阶交调交截点一样，二阶交调交截点是二阶交调特性延长线与基波信号输出功率特性延长线的交点。用符号IP2表示。二阶交调产物与基波信号输入功率呈2:1(dB)变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使二阶交调系数恶化1dB。 1．调幅—调相效应分析 大信号通过微波功率放大器时，输出信号会产生相移，相移大小随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为调幅—调相效应。 微波功率放大器可以看成是一个三阶非线性系统，它的载波输出信号同时含有一阶及三阶成分 （7-23） 式中s——基波信号的角频率； k1和k3——非线性系统的一阶和三阶系数； A——基波输入信号幅度。 如果电路中包含容性非线性元件，则一阶和三阶系数之间就有相位差（既不是0，也不是180）。由式（7-23）看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然，调幅—调相效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，调幅—调相效应就越强，电路进入饱和状态后，调幅—调相效应将非常严重。 在通信系统及图象传输系统中，调幅—调相效应的存在，会使群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。因此希望尽可能减小功率放大呖呖的调幅—调相效应。