射频功率放大器广泛应用于无线通信、电视传输、雷达和射频加热等众多领域。从甚低频(VLF)到微波频率,射频功率放大的基本技术可采用 A、B、C、D、E 和 F 等类别。射频输出功率根据应用的不同,范围可以从几毫瓦到兆瓦不等。
选择射频功率放大器的偏置点可以决定该功率放大器最终可能达到的性能水平。通过比较功率放大器的偏置方法,可以评估不同应用在输出功率、效率、线性度或其他参数方面的权衡。
效率η的定义可以用等式表示为:
除了工作类别外,功率放大器的整体效率还受电介质和导体损耗等因素的影响。
必须始终记住这一点:
连续波(CW)、调频(FM)或调相(PM)等信号具有恒定的包络(幅度),因此不需要线性放大。
A 类放大器的直流功耗与输出信号幅度无关,且A 类的放大过程本质上是线性的,因此增加静态电流或单调降低输入信号电平会降低互调失真(IMD)和谐波水平。由于驱动的正向和负向偏移都会影响漏极电流,所以它具有最高的增益。
放大过程中没有谐波,然而,其效率较低。因此,A 类功率放大器通常用于需要低功率、高线性度、高增益、宽带操作或高频操作的应用中。
需要提及的重要一点是:如果大信号放大器工作在 A 类状态,小信号 S 参数可用于仿真。
B 类放大器的常见配置是推挽放大器。在这种配置中,一个晶体管在输入信号的正半周导通,另一个晶体管在负半周导通。通过这种方式,整个输入信号在输出端得以重现。
单个晶体管也可用于 B 类配置。在这种情况下,唯一的要求是必须在晶体管的输出网络中放置一个谐振电路,以 “重现” 输入信号的另一半。
推挽功率放大器的效率与具有相同导通角的单端功率放大器相同,并且推挽功率放大器的输出功率能力是单端功率放大器的两倍(高 3dB)。
晶体管通常偏置到一个静态点,该点位于截止点和 A 类偏置点之间的某个区域,约为的 10% 至 15%。
在这种情况下,晶体管在输入信号的半个周期以上但不到整个周期内导通。
AB 类的导通角在 180° 到 360° 之间,效率在 50% 到 78.5% 之间。
实验发现,AB 类通常比 A 类或 B 类操作具有更宽的动态范围。这是因为 AB 类中的增益压缩来自与 A 类不同的额外源。饱和效应主要是由电源轨上的射频电压削波引起的。
对 BJT 功率放大器在 AB 类中的响应进行线性化,包括为基极偏置电源电压使用特定的、非常低的阻抗。这与小信号 BJT 放大器中使用的简单电流偏置或 FET 功率放大器中使用的简单高阻抗电压偏置相比,是一个非常不同的偏置设计问题。
在中 AB 类条件下运行功率放大器,功率增益可能比 B 类高 3dB。
传统的 AB 类操作在提高效率的过程中会产生奇次非线性。从理论上讲,要将效率一直提高到 78.5%,器件应仅产生偶次非线性。这样的器件不会产生不良的接近载波的互调失真。
为了在 C 类工作中正常工作,晶体管的集电极电压击穿至少应为有源器件自身直流电源电压的三倍。
D 类(具有无限快的开关速度)的一个独特之处在于,效率不会因负载中存在电抗而降低。
结果是理想效率达到 100%,消除了与 D 类中对漏极电容充电相关的损耗,降低了开关损耗,并且对元件变化具有良好的容差。
具体而言,为了实现最佳效率,E 类放大器对电容有上限要求。
射频扼流圈(RFC)很大,只有直流电流流过它。
F 类放大器设计通过控制输出波形的谐波含量有意使电压波形平方。这是通过实现一个输出匹配网络来实现的,该网络为奇次谐波提供高阻抗 “开路”,为偶次谐波提供低阻抗 “短路”。这导致了一个近似平方的(尽管对于 F 类,并非真正的平方)电压波形。只有三次谐波被峰值化。
F 类放大器能够实现高效率,传统定义的 F 类理论效率为 88.4%(如果使用无限谐波调谐,则为 100%),但实际效率约为 72%。在较高频率和高功率器件中,开路终端成为一个严重的挑战,这主要是由于有源器件输出电容的增加。
F 类放大器设计难以实现,主要是由于输出匹配网络的复杂设计。
F 类放大器也可以使用传输线构建,如下所示:
在中心频率处,调谐电路(和)为开路,但在所有其他频率下,阻抗接近于零。因此,在基频下,进入传输线的阻抗为。
在奇次谐波处,短路被转换为开路。这相当于在所有奇次谐波处都有一个谐振器,结果是集电极电压波形为方波(奇次谐波应处于正确的电平)。
功率类别定义
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