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圖：OFDM信號(hào)在時(shí)域的波形構(gòu)成，幅度不再恒定
?在這些信號(hào)中，為了表征信號(hào)幅度變化的大小，信號(hào)“功率峰均比”的概念被引入了進(jìn)來(lái)。峰均比的英文是Peak to Average Power Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)PAPR，是指信號(hào)峰值功率與均值功率的比值。一般線性信號(hào)的PAPR在3~9dB之間。下圖為某典型OFDM信號(hào)能量譜分布，可以看到信號(hào)幅度在0~11.55dB之間呈現(xiàn)概率分布。
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圖：典型信號(hào)的概率分布
?由于這些高階調(diào)制方式的信號(hào)中的幅度與相位均帶有信息，這時(shí)必須要對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大，才能使幅度信息不失真的進(jìn)行傳遞。若PA本身存在非線性，則PA對(duì)不同大小信號(hào)展現(xiàn)出不同的響應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生非線性失真，使ACLR、EVM等指標(biāo)產(chǎn)生惡化，影響系統(tǒng)的通信能力。
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?PAE的定義將輸入功率也考慮進(jìn)來(lái)，只計(jì)算經(jīng)過(guò)PA后“增加的”功率部分與直流耗散之間的比值，所以被稱(chēng)作功率“附加”效率。PAE的計(jì)算公式為：
?
?當(dāng)PA增益足夠大時(shí)，
將遠(yuǎn)大于
。比如當(dāng)PA增益為30dB左右時(shí)，只有的千分之一。這時(shí)PAE與功率轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算結(jié)果基本相同。
?PA的效率和線性度之間是一對(duì)折中。在PA設(shè)計(jì)中，不斷的對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化或者取舍。
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被完全轉(zhuǎn)化為了基波射頻能量，則PA將達(dá)到夢(mèng)寐以求的100%的效率，能量一點(diǎn)也不被浪費(fèi)。
?但這個(gè)100%的效率是不可達(dá)成的，因?yàn)樵趯?shí)際電路中，一定會(huì)有一部分直流能量轉(zhuǎn)換為諧波射頻能量
以及直流耗散能量
。三種能量與直流能量的關(guān)系如下公式所示：
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?高效率PA的設(shè)計(jì)理念就是：盡量使得以上公式的后兩項(xiàng)：直流耗散能量、諧波耗散能量，趨近于零。
?
?若使此能量等于零，則時(shí)域表現(xiàn)為二者之間在時(shí)域盡量少的交疊。以上設(shè)計(jì)觀念在高效率PA中經(jīng)常被采用，尤其是在F類(lèi)、E類(lèi)等開(kāi)關(guān)類(lèi)PA設(shè)計(jì)中。
?
?以上公式中，
與
分別為n次諧波的電壓與電流擺幅幅值，
為其相位。
?為了達(dá)到100%的效率，需要控制能量不被諧波能量所消耗。如果有諧波能量，即使直流消耗為0，也無(wú)法達(dá)到100%的效率。一個(gè)典型的例子是當(dāng)PA的電壓與電流均是完美方波的情況下，電壓與電流無(wú)交疊，直流耗散為0。但此時(shí)電壓與電流均存在奇次諧波能量，奇次諧波能量不為0。通過(guò)傅里葉展開(kāi)可計(jì)算，此時(shí)PA的最大效率只有：
?
?即在電壓電流均是完美方波的情況下，諧波部分搶走了近1/5的能量。下圖為此時(shí)電壓與電流的時(shí)域波形，以及能量在頻域的分布。
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圖：電壓與電流均為方波時(shí)，時(shí)域波形與頻域能量分布
?為了減少直流耗散能量、諧波耗散能量這兩大損耗，在高效率PA中不斷要考慮電壓與電流波形之間的關(guān)系，對(duì)波形進(jìn)行塑造，提升PA效率。這種工作在PA設(shè)計(jì)中被稱(chēng)為“波形工程（Waveform Engineering）”。
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圖：BJT與FET器件用于實(shí)現(xiàn)線性PA的工作區(qū)域
?線性PA的主要類(lèi)型有A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和C類(lèi)等。
?需要說(shuō)明的是，線性PA并不是完全沒(méi)有非線性。對(duì)于除A類(lèi)外的AB類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)線性放大器，因?yàn)椴ㄐ蔚姆峭暾芷趯?dǎo)通，輸出均存在非線性分量。即使對(duì)于全周期導(dǎo)通的A類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，由于晶體管輸入和輸出的非線性轉(zhuǎn)移關(guān)系（指數(shù)或者二次方關(guān)系），輸出也會(huì)出現(xiàn)非線性分量。但這些非線性分量的存在，不影響晶體管工作在線性工作區(qū)的實(shí)質(zhì)，也不影響輸出信號(hào)幅度與輸入信號(hào)幅度呈正向比例的相對(duì)關(guān)系，所以這些PA都屬于線性PA。
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圖：晶體管的轉(zhuǎn)移特性
?因?yàn)槔斫庵庇^，設(shè)計(jì)容易，線性PA是放大器設(shè)計(jì)中的首要選擇。但線性PA很難做到高效率，于是PA設(shè)計(jì)先驅(qū)者開(kāi)始將開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的設(shè)計(jì)理念引入進(jìn)來(lái)。
?開(kāi)關(guān)類(lèi)PA類(lèi)型主要有D類(lèi)、E類(lèi)、F類(lèi)和J類(lèi)等，其特點(diǎn)是晶體管工作在類(lèi)似開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在這些PA設(shè)計(jì)中，對(duì)PA的設(shè)計(jì)考慮不再局限于從A/B/AB/C類(lèi)放大器中偏置的角度討論，而是把輸出端負(fù)載對(duì)波形的調(diào)制影響也考慮進(jìn)來(lái)。
?“高效率”是開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，但其線性度較差。并且，進(jìn)入到高頻之后，由于寄生效應(yīng)的存在，并不能實(shí)現(xiàn)完美的開(kāi)關(guān)特性，諧波控制也變的困難，這些都給開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。
圖：用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)PA的工作區(qū)域
圖：線性類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路示意圖
?根據(jù)晶體管導(dǎo)通角的不同，可以將線性PA分為A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)。不同類(lèi)型PA的偏置狀態(tài)與導(dǎo)通角的關(guān)系如下圖所示：
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圖：各類(lèi)線性放大器偏置狀態(tài)與導(dǎo)通角的關(guān)系
?
圖：A類(lèi)PA的電壓與電流波形
?假設(shè)A類(lèi)PA的直流工作點(diǎn)為
與，射頻信號(hào)擺幅為
與，則根據(jù)PA效率的定義，A類(lèi)PA的效率可表示為：
?
?A類(lèi)PA最大效率在與達(dá)到最大擺幅
與
時(shí)取得，為50%。
?在輸出功率變小時(shí)，A類(lèi)PA射頻功率變小，但DC功耗不變，使得其效率明顯下降。在輸出功率下降至最大A類(lèi)輸出功率的一半時(shí)，其效率也將下降一半。即在功率回退時(shí)，其效率以2倍/3dB（10倍/10dB）的速度下降。
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圖：A類(lèi)PA功率回退時(shí)的效率特性
圖：B類(lèi)PA的電壓與電流波形
?雖然輸出電流只有半周期導(dǎo)通，波形出現(xiàn)了強(qiáng)烈的失真，但由于器件仍然工作于線性工作區(qū)域，輸入信號(hào)的幅度仍然基本正比于輸入信號(hào)的幅度，所以B類(lèi)PA仍然是線性類(lèi)PA。
?分別對(duì)基波和DC進(jìn)行積分，可以推導(dǎo)得出導(dǎo)通角為2θ（2θ=φ）的PA最大效率表達(dá)式為：
?
?對(duì)于B類(lèi)PA，2θ=π，則上式推導(dǎo)為：
?
?所以相比于A類(lèi)放大器50%的最高效率，B類(lèi)放大器的最高效率可提高至78.5%。
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圖：AB類(lèi)PA的電壓與電流波形
?AB類(lèi)PA的效率根據(jù)導(dǎo)通角的不同而不同，處于A類(lèi)的50%與B類(lèi)的78.5%之間。
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圖：C類(lèi)PA的電壓與電流波形
?對(duì)于C類(lèi)PA，將導(dǎo)通角取0為極限，可以得到PA的極限效率可達(dá)100%。
?雖然理論上C類(lèi)PA可以達(dá)到100%的效率，但達(dá)到100%效率時(shí)導(dǎo)通角為0，此時(shí)也無(wú)功率輸出。所以C類(lèi)PA中的100%效率是可望而不可及，無(wú)法為實(shí)際使用的PA設(shè)計(jì)提供有效幫助。
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圖：不同導(dǎo)通角下PA的能量分布及效率特性
?依靠上圖，可以很好的理解不同類(lèi)型的線性PA的特性關(guān)系，可以看到：
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圖：D類(lèi)PA工作原理及波形
?理想情況下，D類(lèi)PA晶體管的電壓與電流無(wú)交疊，使得D類(lèi)PA直流功率耗散為0。
?對(duì)于諧波功率耗散，D類(lèi)PA的輸出電壓波形為方波信號(hào)；由于諧振負(fù)載的存在，輸出電流波形為半正弦波。對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，所有的偶次諧波分量為0；對(duì)半正弦波進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，所有奇次諧波分量為0。諧波分量中電壓與電流交替為0，使得理想D類(lèi)PA的無(wú)諧波功率耗散。
?以上這種電壓與電流分別為方波與半正弦波時(shí)，在諧波功率耗散為0的特性，在高效率PA設(shè)計(jì)中經(jīng)常被使用。
?由于直流功率耗散與諧波功率耗散均為0，所以理想D類(lèi)放大器可以達(dá)到100%的效率。
?D類(lèi)PA也有一系列變形，例如可以將電流構(gòu)建成方波，將電壓構(gòu)建成半正弦波。這種就是電流模式的D類(lèi)放大器。其簡(jiǎn)化電路及波形圖如下圖所示。
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圖：電流模式的D類(lèi)放大器
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圖：E類(lèi)放大器框圖
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圖：E類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化電路，以及波形示意圖
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圖：理想過(guò)激勵(lì)下B類(lèi)放大器的電流與電壓波形
?過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)放大器雖然有更高的效率，但由于電壓電流均都包含奇次和偶次諧波，有部分能量仍然消耗在了諧波上，所以效率無(wú)法達(dá)到100%。通過(guò)計(jì)算，過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)放大器可以達(dá)到88.6%的效率。這就是為何有些B類(lèi)放大器能看到高于理論值78.5%的峰值效率的原因。
?基于對(duì)過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)PA的研究，D. M. Snider教授于1967年提出F類(lèi)PA的概念[4]，隨后F.H. Raab等教授將F類(lèi)PA的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更進(jìn)一步闡述[5][6][7]。
?F類(lèi)PA通過(guò)對(duì)諧波阻抗的控制，使奇次諧波阻抗為開(kāi)路，偶次諧波阻抗短路，于是得到方形的電壓波形，和半正弦的電流波形。由于二者分別只含有奇次和偶次諧波，諧波消耗為0，在理想情況下可得到100%的效率。下圖為理想F類(lèi)PA的電壓電流波形。
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圖：理想F類(lèi)PA的電流及電壓波形
?在實(shí)際應(yīng)用中，由于諧波頻率高，無(wú)法對(duì)各次諧波阻抗均進(jìn)行完美控制，這在一定程度上惡化了F類(lèi)PA的實(shí)際應(yīng)用效果。下圖為對(duì)3次諧波進(jìn)行控制的F類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路[5]。
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圖：典型的F類(lèi)PA電路
?同理，也可以將電流構(gòu)造成方波，電壓構(gòu)造成半正弦波，同樣可以達(dá)到理論上100%的效率，這樣就形成了逆F類(lèi)PA的設(shè)計(jì)。逆F類(lèi)PA設(shè)計(jì)的條件與F類(lèi)放大器相反：偶次諧波阻抗需要設(shè)計(jì)成開(kāi)路，奇次諧波阻抗需要設(shè)計(jì)成短路。
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圖：理想逆F類(lèi)PA漏極電流及電壓波形
?雖然F類(lèi)和逆F類(lèi)在理論上都可以達(dá)到100%的峰值效率，但在實(shí)際應(yīng)用中，二者表現(xiàn)還是會(huì)稍有不同。考慮晶體管Knee電壓之后，F(xiàn)類(lèi)和逆F類(lèi)PA的工作區(qū)域如下圖所示，從圖示對(duì)比可以推導(dǎo)出系列F類(lèi)與逆F類(lèi)PA之間性能比較的關(guān)系。以上推導(dǎo)在本文中不再贅述。
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圖：F類(lèi)與逆F類(lèi)PA電壓及電流擺幅關(guān)系比較
圖：J類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路
?與F類(lèi)通過(guò)控制不同次諧波的幅度來(lái)構(gòu)建完美的方波與半正弦波不同，Cripps教授的想法是通過(guò)控制二次諧波的相位，使二次諧波與基波之間形成疊加，減小電壓與電流之間的交疊。
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圖：J類(lèi)PA電壓波形示意圖
?對(duì)J類(lèi)放大器進(jìn)行效率計(jì)算，可以得到J類(lèi)放大器的最大效率為78.5%。
?雖然J類(lèi)PA與B類(lèi)PA的效率相同，但理想B類(lèi)PA需要二次及以上諧波均短路，這在物理上不易實(shí)現(xiàn)。而J類(lèi)PA要求二次諧波處于某一個(gè)虛部值即可，這在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)更容易，并且有較好的寬帶特性。
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。其定義為：功率放大器的最大輸出功率和最大瞬態(tài)工作電流與電壓乘積之比。公式可以表示為：
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?歸一化功率能力指標(biāo)可以反應(yīng)在給定的電壓與電流擺幅的情況下，功率放大器輸出最大功率的大小；也可以反應(yīng)在給定輸出功率的情況下，所需要電壓與電流擺幅的大小。
?對(duì)于A類(lèi)放大器，其歸一化功率輸出能力可計(jì)算為：
?
?同理，可計(jì)算出其他類(lèi)型PA的相對(duì)功率輸出能力。
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圖：不同類(lèi)型PA特性對(duì)比
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射頻PA（Power Amplifier，功率放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)功放）芯片耗電大，可靠性要求高，是無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要組成部分。隨著5G系統(tǒng)頻率和功率進(jìn)一步推高，對(duì)射頻PA的要求也進(jìn)一步增強(qiáng)。為此，我們整理了一期材料：《5G射頻PA架構(gòu)》，專(zhuān)門(mén)討論在5G射頻PA設(shè)計(jì)中所采用的主要架構(gòu)。 ?在以上材料中，我們討論到：PA設(shè)計(jì)中可以依靠“簡(jiǎn)單功率合成”來(lái)進(jìn)行功率的合并，也可以利用“特殊功率合成”，達(dá)到高效率、負(fù)載不敏感等設(shè)計(jì)需求。材料推出去之后，一些朋友發(fā)來(lái)問(wèn)題：提升效率只能依靠架構(gòu)上的改變嗎？一些PA沒(méi)有用到Doherty等復(fù)雜的架構(gòu)，依然取得了不錯(cuò)的效率，是怎么做的呢？ ?這些問(wèn)題沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案可以回答。于是我們想，那就不如把PA在高效率設(shè)計(jì)中的考量討論的再細(xì)節(jié)一些：不止是定性的討論到宏觀架構(gòu)，而是深入到單個(gè)PA設(shè)計(jì)的思考取舍中。 ?在PA設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)考量中，最重要的一個(gè)概念就是PA的“類(lèi)”別了，也即PA的Class。比如我們經(jīng)常提到的Class A、Class AB、Class E及Class F等。不同Class的PA有不同的特點(diǎn)，我們這份材料就以PA的Class為線，討論手機(jī)射頻PA的“高效率（High Efficiency）”設(shè)計(jì)。 ?
PA設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)
?在討論P(yáng)A的類(lèi)別之前，首先將PA設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)做一個(gè)探討。 ?PA是用來(lái)將直流能量轉(zhuǎn)化射頻信號(hào)的器件。PA通常工作在大信號(hào)狀態(tài)，其工作狀態(tài)與偏置點(diǎn)、負(fù)載阻抗、諧波控制、功率的過(guò)驅(qū)動(dòng)等都有關(guān)系，設(shè)計(jì)和分析起來(lái)非常復(fù)雜。 ?盡管一款性能優(yōu)異的PA設(shè)計(jì)復(fù)雜，但PA的評(píng)價(jià)指標(biāo)卻相對(duì)簡(jiǎn)單，最重要的兩個(gè)指標(biāo)就是：線性度，效率。 ?線性度
在現(xiàn)代PA設(shè)計(jì)中，線性度反應(yīng)輸出信號(hào)的失真程度，是一個(gè)重要指標(biāo)。 ?在衡包絡(luò)通信系統(tǒng)中，如FM，F(xiàn)SK，GMSK，信號(hào)包絡(luò)并不承載信息，所以并不需要信號(hào)的線性放大，“線性度”并不是一個(gè)重要指標(biāo)。但在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為了最大化的利用頻譜資源，出現(xiàn)了如高階QAM等非等幅信號(hào)調(diào)制方法，也誕生出了CDMA及OFDM等多工方式，其幅度不再恒定不變，而是承載通信信號(hào)信息。下圖為帶有幅度調(diào)制信號(hào)的OFDM信號(hào)在時(shí)域的波形構(gòu)成。 ?圖：OFDM信號(hào)在時(shí)域的波形構(gòu)成，幅度不再恒定
?在這些信號(hào)中，為了表征信號(hào)幅度變化的大小，信號(hào)“功率峰均比”的概念被引入了進(jìn)來(lái)。峰均比的英文是Peak to Average Power Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)PAPR，是指信號(hào)峰值功率與均值功率的比值。一般線性信號(hào)的PAPR在3~9dB之間。下圖為某典型OFDM信號(hào)能量譜分布，可以看到信號(hào)幅度在0~11.55dB之間呈現(xiàn)概率分布。
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?圖：典型信號(hào)的概率分布
?由于這些高階調(diào)制方式的信號(hào)中的幅度與相位均帶有信息，這時(shí)必須要對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大，才能使幅度信息不失真的進(jìn)行傳遞。若PA本身存在非線性，則PA對(duì)不同大小信號(hào)展現(xiàn)出不同的響應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生非線性失真，使ACLR、EVM等指標(biāo)產(chǎn)生惡化，影響系統(tǒng)的通信能力。
?效率
PA的本質(zhì)是把直流能量轉(zhuǎn)化為大功率的射頻信號(hào)，PA的效率反應(yīng)了轉(zhuǎn)換能力的大小。所以“效率”成為PA設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要指標(biāo)。 ?PA的效率由兩種定義方式，分別為功率轉(zhuǎn)換效率（Efficiency），和功率附加效率（Power Added Efficiency）。 ?功率轉(zhuǎn)換效率的定義是輸出功率與消耗直流之比，通常用η表示，計(jì)算公式為： ?
?PAE的定義將輸入功率也考慮進(jìn)來(lái)，只計(jì)算經(jīng)過(guò)PA后“增加的”功率部分與直流耗散之間的比值，所以被稱(chēng)作功率“附加”效率。PAE的計(jì)算公式為：
?
?當(dāng)PA增益足夠大時(shí)，將遠(yuǎn)大于。比如當(dāng)PA增益為30dB左右時(shí)，只有的千分之一。這時(shí)PAE與功率轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算結(jié)果基本相同。
?PA的效率和線性度之間是一對(duì)折中。在PA設(shè)計(jì)中，不斷的對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化或者取舍。
?效率優(yōu)化的理念
根據(jù)效率定義的公式可以看出，如果直流能量被完全轉(zhuǎn)化為了基波射頻能量，則PA將達(dá)到夢(mèng)寐以求的100%的效率，能量一點(diǎn)也不被浪費(fèi)。
?但這個(gè)100%的效率是不可達(dá)成的，因?yàn)樵趯?shí)際電路中，一定會(huì)有一部分直流能量轉(zhuǎn)換為諧波射頻能量以及直流耗散能量。三種能量與直流能量的關(guān)系如下公式所示：
?
?高效率PA的設(shè)計(jì)理念就是：盡量使得以上公式的后兩項(xiàng)：直流耗散能量、諧波耗散能量，趨近于零。
?-
直流耗散能量（
）趨向于0
直流耗散能量的計(jì)算方法為流過(guò)晶體管的電壓與電流的乘積對(duì)時(shí)間的積分，其公式可以表示為：
?
?若使此能量等于零，則時(shí)域表現(xiàn)為二者之間在時(shí)域盡量少的交疊。以上設(shè)計(jì)觀念在高效率PA中經(jīng)常被采用，尤其是在F類(lèi)、E類(lèi)等開(kāi)關(guān)類(lèi)PA設(shè)計(jì)中。
?-
諧波能量（
）趨向于0
?以上公式中，與分別為n次諧波的電壓與電流擺幅幅值，為其相位。
?為了達(dá)到100%的效率，需要控制能量不被諧波能量所消耗。如果有諧波能量，即使直流消耗為0，也無(wú)法達(dá)到100%的效率。一個(gè)典型的例子是當(dāng)PA的電壓與電流均是完美方波的情況下，電壓與電流無(wú)交疊，直流耗散為0。但此時(shí)電壓與電流均存在奇次諧波能量，奇次諧波能量不為0。通過(guò)傅里葉展開(kāi)可計(jì)算，此時(shí)PA的最大效率只有：
?
?即在電壓電流均是完美方波的情況下，諧波部分搶走了近1/5的能量。下圖為此時(shí)電壓與電流的時(shí)域波形，以及能量在頻域的分布。
?圖：電壓與電流均為方波時(shí)，時(shí)域波形與頻域能量分布
?為了減少直流耗散能量、諧波耗散能量這兩大損耗，在高效率PA中不斷要考慮電壓與電流波形之間的關(guān)系，對(duì)波形進(jìn)行塑造，提升PA效率。這種工作在PA設(shè)計(jì)中被稱(chēng)為“波形工程（Waveform Engineering）”。
??PA Class的分類(lèi)?
?為了優(yōu)化PA的線性度和效率，在射頻PA先驅(qū)者過(guò)去100多年的工作中，根據(jù)工作類(lèi)型的不同，將PA分為不同的類(lèi)型（Class）進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 ?射頻PA設(shè)計(jì)中所涉及的主要類(lèi)別有：- A類(lèi)
- B類(lèi)
- AB類(lèi)
- C類(lèi)
- D類(lèi)
- E類(lèi)
- F類(lèi)
- J類(lèi)
線性與開(kāi)關(guān)類(lèi)PA
以上類(lèi)別中，可以根據(jù)工作方式的不同，分為線性PA類(lèi)與開(kāi)關(guān)PA類(lèi)。 ?線性PA類(lèi)是指利用晶體管線性區(qū)特性，實(shí)現(xiàn)功率放大的放大類(lèi)型。在這個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，晶體管的輸入和輸出成大致線性的轉(zhuǎn)移關(guān)系，輸出信號(hào)幅度的大小可以反應(yīng)輸入信號(hào)幅度的大小。 ?需要注意的是，對(duì)于BJT與FET的工作原理不同, 二者 “線性區(qū)域”有不同的稱(chēng)呼方法。在BJT器件中，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為線性放大區(qū)，或線性區(qū)；而在FET器件中，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)作飽和區(qū)。 ?圖：BJT與FET器件用于實(shí)現(xiàn)線性PA的工作區(qū)域
?線性PA的主要類(lèi)型有A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和C類(lèi)等。
?需要說(shuō)明的是，線性PA并不是完全沒(méi)有非線性。對(duì)于除A類(lèi)外的AB類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)線性放大器，因?yàn)椴ㄐ蔚姆峭暾芷趯?dǎo)通，輸出均存在非線性分量。即使對(duì)于全周期導(dǎo)通的A類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，由于晶體管輸入和輸出的非線性轉(zhuǎn)移關(guān)系（指數(shù)或者二次方關(guān)系），輸出也會(huì)出現(xiàn)非線性分量。但這些非線性分量的存在，不影響晶體管工作在線性工作區(qū)的實(shí)質(zhì)，也不影響輸出信號(hào)幅度與輸入信號(hào)幅度呈正向比例的相對(duì)關(guān)系，所以這些PA都屬于線性PA。
?圖：晶體管的轉(zhuǎn)移特性
?因?yàn)槔斫庵庇^，設(shè)計(jì)容易，線性PA是放大器設(shè)計(jì)中的首要選擇。但線性PA很難做到高效率，于是PA設(shè)計(jì)先驅(qū)者開(kāi)始將開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的設(shè)計(jì)理念引入進(jìn)來(lái)。
?開(kāi)關(guān)類(lèi)PA類(lèi)型主要有D類(lèi)、E類(lèi)、F類(lèi)和J類(lèi)等，其特點(diǎn)是晶體管工作在類(lèi)似開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在這些PA設(shè)計(jì)中，對(duì)PA的設(shè)計(jì)考慮不再局限于從A/B/AB/C類(lèi)放大器中偏置的角度討論，而是把輸出端負(fù)載對(duì)波形的調(diào)制影響也考慮進(jìn)來(lái)。
?“高效率”是開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，但其線性度較差。并且，進(jìn)入到高頻之后，由于寄生效應(yīng)的存在，并不能實(shí)現(xiàn)完美的開(kāi)關(guān)特性，諧波控制也變的困難，這些都給開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。圖：用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)PA的工作區(qū)域?
線性類(lèi)PA
線性類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路如下圖所示：圖：線性類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路示意圖
?根據(jù)晶體管導(dǎo)通角的不同，可以將線性PA分為A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)。不同類(lèi)型PA的偏置狀態(tài)與導(dǎo)通角的關(guān)系如下圖所示：
?圖：各類(lèi)線性放大器偏置狀態(tài)與導(dǎo)通角的關(guān)系
?A類(lèi)PA
A類(lèi)PA的晶體管在信號(hào)的全周期導(dǎo)通。其電壓與電流的波形如下圖所示：圖：A類(lèi)PA的電壓與電流波形
?假設(shè)A類(lèi)PA的直流工作點(diǎn)為與，射頻信號(hào)擺幅為與，則根據(jù)PA效率的定義，A類(lèi)PA的效率可表示為：
?
?A類(lèi)PA最大效率在與達(dá)到最大擺幅與時(shí)取得，為50%。
?在輸出功率變小時(shí)，A類(lèi)PA射頻功率變小，但DC功耗不變，使得其效率明顯下降。在輸出功率下降至最大A類(lèi)輸出功率的一半時(shí)，其效率也將下降一半。即在功率回退時(shí)，其效率以2倍/3dB（10倍/10dB）的速度下降。
?圖：A類(lèi)PA功率回退時(shí)的效率特性?
B類(lèi)PA
B類(lèi)PA的直流偏置點(diǎn)放置在晶體管導(dǎo)通開(kāi)啟電壓附近，只有當(dāng)輸入信號(hào)為正向擺幅時(shí)晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通角只有全周期的一半。B類(lèi)PA的電壓與電流波形如下： ?圖：B類(lèi)PA的電壓與電流波形
?雖然輸出電流只有半周期導(dǎo)通，波形出現(xiàn)了強(qiáng)烈的失真，但由于器件仍然工作于線性工作區(qū)域，輸入信號(hào)的幅度仍然基本正比于輸入信號(hào)的幅度，所以B類(lèi)PA仍然是線性類(lèi)PA。
?分別對(duì)基波和DC進(jìn)行積分，可以推導(dǎo)得出導(dǎo)通角為2θ（2θ=φ）的PA最大效率表達(dá)式為：
?
?對(duì)于B類(lèi)PA，2θ=π，則上式推導(dǎo)為：
?
?所以相比于A類(lèi)放大器50%的最高效率，B類(lèi)放大器的最高效率可提高至78.5%。
?AB類(lèi)PA
AB類(lèi)PA是指處于A類(lèi)和B類(lèi)之間的PA類(lèi)型，導(dǎo)通角為在π與2π之間，其電壓與電流波形如下： ?圖：AB類(lèi)PA的電壓與電流波形
?AB類(lèi)PA的效率根據(jù)導(dǎo)通角的不同而不同，處于A類(lèi)的50%與B類(lèi)的78.5%之間。
?C類(lèi)PA
通過(guò)帶有導(dǎo)通角的效率計(jì)算公式可以看到，當(dāng)導(dǎo)通角變小時(shí)，PA的效率提升。在B類(lèi)PA的基礎(chǔ)上繼續(xù)減小導(dǎo)通角，全周期的導(dǎo)通角減少至180度以下時(shí)，就形成了C類(lèi)PA。C類(lèi)PA的電壓與電流波形如下圖所示。 ?圖：C類(lèi)PA的電壓與電流波形
?對(duì)于C類(lèi)PA，將導(dǎo)通角取0為極限，可以得到PA的極限效率可達(dá)100%。
?雖然理論上C類(lèi)PA可以達(dá)到100%的效率，但達(dá)到100%效率時(shí)導(dǎo)通角為0，此時(shí)也無(wú)功率輸出。所以C類(lèi)PA中的100%效率是可望而不可及，無(wú)法為實(shí)際使用的PA設(shè)計(jì)提供有效幫助。
?線性類(lèi)PA比較
由于導(dǎo)通角的不同，A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)及C類(lèi)PA在效率、基頻功率，以及諧波功率上有不同的表現(xiàn)。采用傅里葉變換可以對(duì)幾種不同類(lèi)型的PA進(jìn)行分析，得到幾種類(lèi)型的PA特性如下圖所示[8]： ?圖：不同導(dǎo)通角下PA的能量分布及效率特性
?依靠上圖，可以很好的理解不同類(lèi)型的線性PA的特性關(guān)系，可以看到：
?-
隨著導(dǎo)通角變小，PA效率由50%逐漸提高至100%
-
從A類(lèi)到B類(lèi)的變化中，導(dǎo)通角的變小并沒(méi)有引起基波能量的減小
-
從B類(lèi)到C類(lèi)變化中，基波輸出功率迅速減小
?
開(kāi)關(guān)類(lèi)PA
在理想開(kāi)關(guān)類(lèi)PA中，當(dāng)輸入電壓為正，晶體管打開(kāi)，電流通過(guò)晶體管，此時(shí)晶體管兩端電壓為0；當(dāng)電壓為負(fù)，晶體管關(guān)閉，此時(shí)輸出電壓開(kāi)始建立，但流過(guò)晶體管的電流為0。 ?因?yàn)樽鳛殚_(kāi)關(guān)使用的晶體管不消耗功耗，所有的能量都可以轉(zhuǎn)化為射頻能量，所以理論上開(kāi)關(guān)PA可以達(dá)到100%的效率。 ?然而在實(shí)際使用中，由于開(kāi)關(guān)的非理想特性和器件的寄生效應(yīng)，晶體管并不能達(dá)到理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也就造成了電壓與電流的部分交疊，造成效率的損失。另外，如果諧波能量處理不當(dāng)，也會(huì)引起能量損失。 ?為了使開(kāi)關(guān)類(lèi)PA的效率不斷逼近100%，PA設(shè)計(jì)先驅(qū)們采用了多種不同的設(shè)計(jì)分析方法，于是就產(chǎn)生出多種不同的開(kāi)關(guān)PA類(lèi)型。在射頻PA中，最主要的有D類(lèi)、E類(lèi)、F類(lèi)以及J類(lèi)PA。 ?D類(lèi)PA
D類(lèi)PA是1959年由Baxandall教授首先提出[2]，其構(gòu)成為一個(gè)成對(duì)的開(kāi)關(guān)管M1及M2，以及諧振在基波頻率的調(diào)諧負(fù)載。 ?圖：D類(lèi)PA工作原理及波形
?理想情況下，D類(lèi)PA晶體管的電壓與電流無(wú)交疊，使得D類(lèi)PA直流功率耗散為0。
?對(duì)于諧波功率耗散，D類(lèi)PA的輸出電壓波形為方波信號(hào)；由于諧振負(fù)載的存在，輸出電流波形為半正弦波。對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，所有的偶次諧波分量為0；對(duì)半正弦波進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，所有奇次諧波分量為0。諧波分量中電壓與電流交替為0，使得理想D類(lèi)PA的無(wú)諧波功率耗散。
?以上這種電壓與電流分別為方波與半正弦波時(shí)，在諧波功率耗散為0的特性，在高效率PA設(shè)計(jì)中經(jīng)常被使用。
?由于直流功率耗散與諧波功率耗散均為0，所以理想D類(lèi)放大器可以達(dá)到100%的效率。
?D類(lèi)PA也有一系列變形，例如可以將電流構(gòu)建成方波，將電壓構(gòu)建成半正弦波。這種就是電流模式的D類(lèi)放大器。其簡(jiǎn)化電路及波形圖如下圖所示。
?圖：電流模式的D類(lèi)放大器
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E類(lèi)PA
D類(lèi)PA看起來(lái)可以完美實(shí)現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)換效率，但其高度依賴(lài)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的完美切換，在高頻應(yīng)用時(shí)顯得無(wú)能為力：感性的負(fù)載會(huì)使開(kāi)關(guān)“關(guān)不斷”，容性負(fù)載會(huì)使開(kāi)關(guān)“打不開(kāi)”。并且D類(lèi)PA需要的成對(duì)推挽結(jié)構(gòu)，也使得其在部分高頻應(yīng)用時(shí)力不從心。 ?為了使開(kāi)關(guān)類(lèi)PA可以應(yīng)用在高頻頻率，Sokal教授在1975年發(fā)明了E類(lèi)PA[3]。E類(lèi)PA由工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的單端晶體管、負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其架構(gòu)如下圖所示。 ?圖：E類(lèi)放大器框圖
?E類(lèi)PA的架構(gòu)看起來(lái)與普通的A類(lèi)、AB類(lèi)PA并無(wú)大的不同，但設(shè)計(jì)思路卻相差很大。E類(lèi)PA的設(shè)計(jì)理念是：
-
首先將晶體管的偏置和驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行合理設(shè)計(jì)
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然后對(duì)輸出波形提出一系列約束條件，這些約束條件使晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)
-
基于這些約束條件，就可以計(jì)算不同拓?fù)渲衅骷≈担瑥亩瓿稍O(shè)計(jì)
?
E類(lèi)PA約束條件使作為開(kāi)關(guān)等效的晶體管在合適的時(shí)間進(jìn)行off到on的切換，從而減小開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中帶來(lái)的充放電損耗。Sokal教授提出E類(lèi)PA設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要約束條件：
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當(dāng)開(kāi)關(guān)從off到on轉(zhuǎn)換的瞬間，漏極電壓為零（Zero voltage switching，簡(jiǎn)稱(chēng)為ZVS）
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當(dāng)開(kāi)關(guān)從off到on轉(zhuǎn)換的瞬間，漏端電壓波形的斜率為零（Zero voltage derivative switching，簡(jiǎn)稱(chēng)ZVDS）
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圖：E類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化電路，以及波形示意圖
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F類(lèi)PA
F類(lèi)PA的發(fā)明源自對(duì)過(guò)激勵(lì)的B類(lèi)PA的研究。 ?在線性PA分析中，B類(lèi)放大器的最大效率為78.5%，但如果對(duì)其進(jìn)行過(guò)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，其電壓、電流波形出現(xiàn)削峰，形成類(lèi)似方波的波形，這時(shí)電壓電流交疊變少，從而效率得到提高。 ?圖：理想過(guò)激勵(lì)下B類(lèi)放大器的電流與電壓波形
?過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)放大器雖然有更高的效率，但由于電壓電流均都包含奇次和偶次諧波，有部分能量仍然消耗在了諧波上，所以效率無(wú)法達(dá)到100%。通過(guò)計(jì)算，過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)放大器可以達(dá)到88.6%的效率。這就是為何有些B類(lèi)放大器能看到高于理論值78.5%的峰值效率的原因。
?基于對(duì)過(guò)驅(qū)動(dòng)的B類(lèi)PA的研究，D. M. Snider教授于1967年提出F類(lèi)PA的概念[4]，隨后F.H. Raab等教授將F類(lèi)PA的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更進(jìn)一步闡述[5][6][7]。
?F類(lèi)PA通過(guò)對(duì)諧波阻抗的控制，使奇次諧波阻抗為開(kāi)路，偶次諧波阻抗短路，于是得到方形的電壓波形，和半正弦的電流波形。由于二者分別只含有奇次和偶次諧波，諧波消耗為0，在理想情況下可得到100%的效率。下圖為理想F類(lèi)PA的電壓電流波形。
?圖：理想F類(lèi)PA的電流及電壓波形
?在實(shí)際應(yīng)用中，由于諧波頻率高，無(wú)法對(duì)各次諧波阻抗均進(jìn)行完美控制，這在一定程度上惡化了F類(lèi)PA的實(shí)際應(yīng)用效果。下圖為對(duì)3次諧波進(jìn)行控制的F類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路[5]。
?圖：典型的F類(lèi)PA電路
?同理，也可以將電流構(gòu)造成方波，電壓構(gòu)造成半正弦波，同樣可以達(dá)到理論上100%的效率，這樣就形成了逆F類(lèi)PA的設(shè)計(jì)。逆F類(lèi)PA設(shè)計(jì)的條件與F類(lèi)放大器相反：偶次諧波阻抗需要設(shè)計(jì)成開(kāi)路，奇次諧波阻抗需要設(shè)計(jì)成短路。
?圖：理想逆F類(lèi)PA漏極電流及電壓波形
?雖然F類(lèi)和逆F類(lèi)在理論上都可以達(dá)到100%的峰值效率，但在實(shí)際應(yīng)用中，二者表現(xiàn)還是會(huì)稍有不同。考慮晶體管Knee電壓之后，F(xiàn)類(lèi)和逆F類(lèi)PA的工作區(qū)域如下圖所示，從圖示對(duì)比可以推導(dǎo)出系列F類(lèi)與逆F類(lèi)PA之間性能比較的關(guān)系。以上推導(dǎo)在本文中不再贅述。
?圖：F類(lèi)與逆F類(lèi)PA電壓及電流擺幅關(guān)系比較?
J類(lèi)PA
J類(lèi)PA是Cripps教授于2006年提出的一種高效PA設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)思路仍然是利用諧波阻抗的控制，實(shí)現(xiàn)電壓與電流交疊部分的減少，從而減少直流損耗，提升PA效率。下圖為Cripps教授提出的J類(lèi)PA的簡(jiǎn)化電路圖 [8]。 ?圖：J類(lèi)PA簡(jiǎn)化電路
?與F類(lèi)通過(guò)控制不同次諧波的幅度來(lái)構(gòu)建完美的方波與半正弦波不同，Cripps教授的想法是通過(guò)控制二次諧波的相位，使二次諧波與基波之間形成疊加，減小電壓與電流之間的交疊。
?圖：J類(lèi)PA電壓波形示意圖
?對(duì)J類(lèi)放大器進(jìn)行效率計(jì)算，可以得到J類(lèi)放大器的最大效率為78.5%。
?雖然J類(lèi)PA與B類(lèi)PA的效率相同，但理想B類(lèi)PA需要二次及以上諧波均短路，這在物理上不易實(shí)現(xiàn)。而J類(lèi)PA要求二次諧波處于某一個(gè)虛部值即可，這在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)更容易，并且有較好的寬帶特性。
?不同類(lèi)型PA的比較?
?相對(duì)功率輸出力
在PA設(shè)計(jì)中，評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)時(shí)，除了效率、功率指標(biāo)，還有一個(gè)重要指標(biāo)，稱(chēng)為“歸一化功率輸出能力”，英文為Normalized Output Power Capability，一般簡(jiǎn)寫(xiě)為。其定義為：功率放大器的最大輸出功率和最大瞬態(tài)工作電流與電壓乘積之比。公式可以表示為：
?
?歸一化功率能力指標(biāo)可以反應(yīng)在給定的電壓與電流擺幅的情況下，功率放大器輸出最大功率的大小；也可以反應(yīng)在給定輸出功率的情況下，所需要電壓與電流擺幅的大小。
?對(duì)于A類(lèi)放大器，其歸一化功率輸出能力可計(jì)算為：
?
?同理，可計(jì)算出其他類(lèi)型PA的相對(duì)功率輸出能力。
?不同類(lèi)型PA性能對(duì)比
將以上討論到的PA特性進(jìn)行總結(jié)，得到性能對(duì)比如下圖所示。 ?圖：不同類(lèi)型PA特性對(duì)比
???總?結(jié)??
?在很多人看來(lái)，PA設(shè)計(jì)像是“黑魔法”，難以捉摸。 ?說(shuō)PA設(shè)計(jì)是“黑魔法”，是因?yàn)樵诤芏鄷r(shí)候，PA的狀態(tài)看起來(lái)是不受控的。甚至有時(shí)PA的性能已經(jīng)出來(lái)了，Designer都說(shuō)不清它是怎么工作的。 ?PA雖然看起來(lái)這么的不可控，但它并不是“魔法”，它也是嚴(yán)格遵循物理規(guī)律的。在過(guò)去100多年發(fā)展中，PA設(shè)計(jì)的先驅(qū)和專(zhuān)家們不斷想辦法對(duì)它進(jìn)行理解?！安煌腃lass”分類(lèi)，是先驅(qū)專(zhuān)家們總結(jié)出理解PA特性的經(jīng)典方法，在高效率PA設(shè)計(jì)中得到有效使用。 ?本文對(duì)常見(jiàn)射頻PA的類(lèi)別進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，希望對(duì)大家在高效率PA的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有所幫助。 ? 審核編輯 ：李倩?
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