功率放大器基础知识科普分析

在无线通信系统中射频前端是核心组件，连接通信收发器和天线的必经之路。射频前端主要包括功率放大器（PA）、天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer和 Diplexer）和低噪声放大器（LNA）等。

其中功率放大器（PA）是发射器射频前端的主放大器，将来自通信和雷达设备的小功率信号转换为发送到天线的高功率传输信号。功率放大器的目标是在不降低信号质量的情况下，将信号增益提高到高功率水平。今天一起详细了解功率放大器。

01

 基础知识

功率放大器（PA）是大多数射频、微波和毫米波传感、通信、电子战重要部件。许多应用需要天线端口的极端信号功率水平才能达到必要的范围或吞吐量水平。射频功率放大器位于发射机的后端，用于放大射频信号并达到一定的输出功率，然后送给天线发送。

功率放大器必须应对处理各种类型的负载，其中一些可能会导致破坏性反射。因此，功率放大器的设计通常包括保护电路。如果功率水平足够高或工作频率足够高，功率放大器可利用同轴连接器，甚至可利用波导连接器。

高功率放大器，P1dB 7 W， 8.5 GHz - 10.5 GHz， 输入端 SMA，输出端 SMA，增益 36 dB，IP3 47 dBm

功率放大器的关键特性是效率、功率输出、增益和线性。其中

传输效率

为了信号源（电压或电流）获取最大的功率，需要使负载与信号源内阻形成共轭匹配，这时的功率传输效率为50%。电压源的负载电阻越大、电流源的负载电阻越小，内阻上的消耗功率就越小，功率传输效率就越高。

效率

功率放大器向负载输出足够的信号功率，需要消耗大的直流功率，并将直流功率转换为交流功率提供给负载。功率放大器的效率是一个关键指标。

线性度

若信号波形的包络含有信息，功率放大器就应不失真地放大信号，因此功率放大器的线性度就显得十分重要。

GaAs高功率放大器，Psat 7.9 W， 2.6 GHz ~ 4.2 GHz，SMA，增益 19 dB，IP3 47 dBm，NF 9 dB 以上为射频功率放大器的关键特性并不是唯一的关键特性，而是受到所选放大器类别的严重限制。放大器类别是基于放大器输出级如何在基于正弦输入的周期的整个旋转中影响输出信号而进行的区分。

02

分类

功率放大器的电路有很多设计方法，每种电路配置操作和输出特性都互不相同，为了区分不同功率放大器电路的特性和性能，将功率放大器进行分类，其中分配了字母符号以标识操作方法。

设计用于放大模拟信号的功率放大器属于A，B，AB或C类

GaAs中等功率放大器，A/AB 类，Psat 1.5 W， 800 MHz ~ 4.2 GHz，SMA，增益 31 dB，IP3 41 dBm A类、B类、AB类和C类的经典受控导通角放大器（线性放大器）由波形的指定部分上的导通状态的持续时间定义。这些放大器类别中的晶体管要么完全打开，要么完全关闭。这些是最常见的放大器类别，用于优化信号的保真度是最重要的。

设计用于放大脉宽调制（PWM）数字信号的功率放大器属于D，E，F等类别

类别D、E、F、G、S、T和其他，即开关放大器，这类放大器使用脉宽调制（PWM）快速切换，这会导致硬驱动输出进入输出级晶体管的饱和和截止区域。这些切换功能的目标是当晶体管两端有电压时基本上为零电流时进行切换，而当晶体管两端存在电流时进行零电压切换。这些类别可以被配置为最有效的，但代价是信号质量（主要是线性和噪声）和复杂性。由于这些放大器类型的复杂性，它们更常见于高度集成的解决方案中，这些解决方案允许更复杂的偏置和控制电路，并受益于这些类别可实现的高水平效率。

A类放大器

A类放大器是最简单的放大器，在输出级中只使用一个晶体管，晶体管输出偏置在负载线中心的静态点（Q点）周围。通过这种方式，A类放大器可以被偏置，以避免被驱动到截止或饱和，并且可以输出全导通周期。因此，这一类是极其线性的、低失真的和高增益的，但以效率为代价。

在此类放大器中，即使没有输入信号，有源元件（用于放大的电子组件，在这种情况下为晶体管）也一直处于使用状态。在正常配置的情况下，这会产生大量热量并将A类放大器的效率降低到25％，在变压器耦合配置的情况下，效率会降低到50％。

B类放大器

B类放大器有一个互补晶体管的输出级，每个晶体管只输出一半的波形（推挽放大器）。由于这些放大器不需要在Q点附近偏置，因此它们比a类放大器使用更少的直流功率，并且以线性、失真和设计复杂性为代价更高效。

AB类放大器

AB类放大器是一种混合类，其中输出放大器都在波形交叉点附近传导，这消除了交叉失真，这是B类放大器线性性能的主要缺点。这些放大器在射频功率应用中很常见，因为它们比A类更高效，比B类更线性。

GaN功率放大器，18W，1000 MHz~2500 MHz， AB类，L和S波段，效率50%，28V，SMA

C类放大器

C类放大器被偏置，使得输出电流在超过一半的信号周期内为零。这是一种比A类、B类或AB类放大器更有效的方法，但它最容易失真。然而，这些放大器通常用于高频振荡电路，其中C类放大器输出脉冲可以使用LC谐振电路转换为正弦波。

编辑：黄飞