文献综述(或调研报告):
功率放大器是发射机前端的一部分,用于放大正在传输的信号,以便在固定的区域接收和解码。功率放大器的设计特别是线性、低压操作,仍然是一项艰巨的任务。实际上,功率放大器的设计包含大量的试验和错误,这就是传统上使用离散和混合实现的原因[1]。功率放大器的主要性能参数是它可以实现的输出功率水平,具体取决于目标应用,线性度和效率。功率放大器的效率有两个基本定义:漏极效率和功率附加效率[2]。漏极效率是衡量功率放大器效率的指标,用来表示直流电源转换为射频能量的百分比,功率附加效率表征的是功率放大器的附加功率而非其输出功率,即射频输出功率与射频输入功率之差比上直流功耗。功率附加效率是一种更实用的测量方法,因为它可以解释放大器的功率增益。设计集成CMOS功率放大器不同于使用分立元件的传统微波功率放大器设计。在传统的微波功率放大器设计中,数据手册通常由制造商提供,在某个直流工作点提供大信号输入和输出阻抗。因此,可以确定放大器的最佳负载。通常采用负载牵引技术[3]来获得输出功率和输出匹配之间的函数关系。在设计功率放大器时,设计人员必须选择级数,每级的操作等级,确定输出级的最佳负载,并决定是使用差分结构还是单端结构。这些问题取决于所使用的技术,调制类型(恒定包络或非恒定包络技术),以及放大器是与整个收发器集成还是将在单独的芯片上。
功率放大器发展现状:射频功率放大器的核心器件为其功率元器件——晶体管,它是一种非线性三端口有源半导体器件,它的放大作用,并不是晶体管能凭空产生能量,使能量放大,而是完全由集电极(BJT)或漏极(FET)电源的直流功率转换而来的。晶体管只是起到了一种控制作用,即用比较小的信号去控制直流电源产生随小信号变化的大信号[4],从而把电源的直流功率转换成为负载上的信号功率。功率放大器的理论知识发展已经十分完善,其面临的更多是一些工程的问题。所以,射频功率放大器性能的提升主要来自于晶体管性能的提升,即半导体技术的发展,和放大器本身电路形式的改进。
LDMOS管是专门为了射频功率放大器设计的改进型n沟道MOSFET,常工作在AB类,在工作点附近具有正的温度特性[5],即在一定的栅压下,当工作温度升高时,其静态电流升高;当工作温度降低时,静态电流降低。LDMOS功率放大器的稳定性是任何一个放大器都要面临的问题,如果对放大器的稳定性不了解,则容易在运行中出现不稳定情况,严重时还会对设备造成比较大的损坏。如果能事先知道放大器的稳定运行条件,就可以避免很多不必要的损失,所以对于LDMOS功率管放大器的稳定性研究是很有意义的。
功率放大器类别可以归类为偏置点[6],例如A,B,AB和C类,或者取决于输出匹配网络中形成漏极电压和电流的无源元件,这些功率放大器类别之间的主要区别是晶体管导通的射频周期的一部分[7]。对于A类功率放大器,晶体管在整个射频周期内导通,而对于B类功率放大器,它在射频周期的一半时导通,而对于C类则为不到一半的射频周期。A类,AB类和B类放大器可以用作线性功率放大器,而C类本质上更加非线性。
图1 功放类的经典定义
总结前面几类的讨论,决定功率放大器工作类别的是它的导通角,输入信号过驱动和输出负载网络。图1显示了功率放大器如何与导通角和输入信号过驱动相关。它说明了给定的功率放大器可以处于任何经典操作模式,这取决于上述两个因素。对于小的射频输入信号Vin,放大器可以在A,AB,B或C类中操作,这取决于导通角(相对于晶体管的阈值电压的偏置电压)。通过将设计转移到C类操作中来降低其导通角可以提高功率放大器效率[8],但是以降低输出功率为代价。在不牺牲输出功率的情况下提高效率的另一种方法是增加输入过驱动,使晶体管充当开关。这些被称为饱和A类和C类,D类,E类或F类取决于导通角和负载网络的形状。
