F类/逆F类功率放大器效率分析

2012-10-29 12:11:41来源: 互联网 关键字:F类  逆F类  功率放大器  效率

随着无线通讯系统的迅速发展,对高效率射频功率放大器的需求逐渐增加。如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为提高效率,研究人员将大量精力专注于放大器的工作模式上,例如D类,E类,F类逆F类功率放大器。F类和逆F类两种模式的高效率功率放大器在近几年成为研究焦点。文献中采用F类工作模式效率达到75%,文献中采用逆F类工作模式效率达到80%。两者均采用GaN功率管CGH400 10,其1 dB压缩点输出功率约为10 W,不能满足大输出功率的要求。

  针对1 dB压缩点输出功率为45 W的功率管CGH40045进行设计,分别设计出F类和逆F类两款功率放大器,对两种模式的功率放大器漏极效率进行比较,并对两款功放的效率差异从理论和仿真两方面做出了定量分析。

  1 理论分析

  图1为F类和逆F类功率放大器漏极输出端理想电压和电流的时域波形。F类功放的漏极端电流为半正弦波,电压为方波;相反的逆F类功放的漏极端电流为方波,电压为半正弦波。两者相反的漏极电压和电流波形对放大器的效率会产生不同的影响,以下是在理想情况下分别计算两种放大器工作效率,两种波形都可以通过傅里叶级数展开式展开,从而可以方便地对直流信号、基波信号和各次谐波信号进行分析。

  

 

  首先分析F类功率放大器,将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开,各变量如图1所示。

  

 

  根据傅里叶展开式分别计算出直流信号的功率和基波信号的功率,从而求出F类功率放大器的效率,其中,Ron为晶体管导通内阻。

  

 

  分析逆F类功率放大器,将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开,各变量如图1所示。

  

 

  根据F类计算效率的方法,同理可得逆F类功率放大器的效率

  

 

  从式(5)和式(10)可以看出,当V0=V0’时,两种模式的功率放大器的效率因电流imax和i’max的不同而产生差异。如果晶体管的导通电阻Ron为零,则两种模式功率放大器的效率都将达到100%。然而现实中的功率管,都存在一定的导通内阻,当Ron存在时,两种模式的功率放大器的效率会产生怎样的差异。

  为研究这种差异,需要有相同的输出功率和相同的偏置点,即P1=P1’,V0=V0’。由式(4)和式(9)可以列出一个关于i’max的方程,解此方程可以得到

  

 

  再将此结果带到式(10),可得到一个η’关于imax的函数表达式。在此,假设V0=28 V,imax=6 A,将值代入式(5)和式(10)中,利用Matlab绘出η和η’关于Ron的变化曲线,如图2所示。由图可以看出,随着Ron的增加,逆F类功率放大器比F类功率放大器有着更好的效率,并且针对每个Ron的值,对两种模式效率的差异给出了定量的计算结果。

  

2 方案设计

  为在功率管漏极端获得图1所示的两种模式放大器的所需波形,需要对漏极输出端的所有谐波阻抗进行控制。通过式(1)和式(2)可以看出,要实现F类功率放大器需要的方波电压和半正弦波电流,需要在漏极端实现电压的奇次谐波叠加,电流的偶次谐波叠加。同理,通过式(6)和式(7)可以看出,要实现逆F类功率放大器需要的半正弦波电压和方波电流,需要在漏极端实现电压的偶次谐波叠加,电流的奇次谐波叠加,可以通过在输出端加入整形电路实现。F类功率放大器的输出端电路要满足式(12),逆F类功率放大器的输出端电路要满足式(13)。

  

 

  然而,在现实应用中对所有谐波进行控制显然不可能,一般在工程应用中,只要控制好二次和三次谐波即可。控制更多的谐波就会增加电路的复杂性,也不会对性能有明显提高。F类输出端整形电路如图3所示,逆F类输出端整形电路如图4所示,通过整形二、三次谐波阻抗分别满足F类与逆F类功率放大器的阻抗要求。采用电磁仿真软件对功率管和整形电路整体进行负载牵引设计,找出在输出端基波的最优输出阻抗值。通过后端的附加匹配网络将整体电路匹配到50Ω标准阻抗。

  

 

  3 仿真结果分析

  根据上述电路结构分别设计F类和逆F类功率放大器,功率管采用Cree公司的45 W GaN功率管CGH40045,其导通电阻Ron=0.3 Ω。为对两种功率放大器效率做出客观真实的比较,各方面参数应尽量保持一致,基板均采用Rogers公司的R05870,基板厚度为0.79 mm。工作偏置点选为VDS=28 V,VGS=-2.5 V,工作频率1.5 GHz。

  图5和图6为F类功率放大器与逆F类功率放大器增益和输出功率随输入功率变化的曲线。图5为两者的增益图,从图中可以看出,两者的增益基本相等,线性区增益约为16.5 dBm。图6为两者的输出功率,从图中可以看出,两者的输出功率变化曲线基本吻合,最大输出功率约为55 W,在P1dB点处输出功率约为45W。

  

 

  在增益和输出功率相等的前提下,进行漏极效率的比较,图7为F类功率放大器和逆F类功率放大器,工作在1.5 GHz时的漏极效率随输入功率变化的曲线。由图中曲线可以看出,逆F类功率放大器在输入40 dBm时,漏极效率达到最大值91.8%,同时F类功率放大器的漏极效率为89.3%。从图2可以看出,当Ron为0.3 Ω时,逆F类效率为96%,F类效率为93.6%。由于现实中无法实现理想的方波和半正弦波信号,因此仿真结果与计算结果有一定差异,但两种模式之间的效率差异基本相等,证实了理论计算和仿真是一致的。

  

 

  4 结束语

  通过理论计算得出,在相同的工作偏置点和输出功率下,因为功率管导通电阻的存在,逆F类功率放大器比F类功率放大器有更高的效率,并且随着导通电阻Ron的增加,这种差异也随之扩大。而针对GaN功率管CGH40045,分别设计了工作频率在1.5 GHz的逆F类功率放大器和F类功率放大器,仿真结果与理论分析一致。

关键字:F类  逆F类  功率放大器  效率

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1029/article_17217.html
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