改善功率放大器的線性方法(方法和技術(shù)來提高功率放大)
1.有哪些方法和技術(shù)來提高功率放大
專利名稱提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)的制作方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)功率放大器是無線通信系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的組件，其線性度和效率一直是被關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著第三代移動通信系統(tǒng)（如WCDMA,CDMA2000）的發(fā)展，線性調(diào)制技術(shù)越來越被廣 泛采用。
功率放大器的線性度對于通信系統(tǒng)能否不失真地傳輸放大數(shù)據(jù)信號起著至關(guān)重要 的作用。功率放大器的線性度越好則經(jīng)過放大器放大的信號波形越不容易產(chǎn)生畸變與失 真，從而使輸入數(shù)據(jù)信號得到理想地放大并輸出。
另外，功率放大器的效率也是另一個研究 的重點(diǎn)。功率放大器的耗能約占由其組成的無線通信發(fā)射系統(tǒng)耗能的1/3，提高其效率對于 提高整個發(fā)射系統(tǒng)的效率具有重要作用。
對于基站、雷達(dá)這類大功率無線通信發(fā)射系統(tǒng)來 講，提高效率可以減小其損耗的功率，提高發(fā)射系統(tǒng)對能源的利用率；而對手機(jī)等利用電池 或者蓄電池供電的發(fā)射系統(tǒng)來講，提高效率可以使這些設(shè)備工作時間更長?？紤]到效率及 線性度對功率放大器的重要性，目前，如何使功率放大器在滿足高線性度要求的情況下?lián)?有較高的效率成為研究的重點(diǎn)。
目前提高功率放大器線性度主要的幾種方法包括前饋技術(shù)、反饋技術(shù)以及包絡(luò)消 除與恢復(fù)技術(shù)等。前饋及反饋技術(shù)雖能有效提高功率放大器的線性度，但其會極大地降低 功率放大器的功率附加效率（PAE）。
包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)雖然能在改善功率放大器線性度 的同時，不影響功率放大器的效率，但該技術(shù)所采用的電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不利用對電路的 設(shè)計(jì)，且使電路制造的成本增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)，使 得在不增大功率放大器靜態(tài)功耗的情況下，既增強(qiáng)了功率放大器的諧波抑制，又顯著提高 了功率放大器的線性度與功率附加效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)， 所述功率放大器設(shè)有輸入晶體管及輸出晶體管，它們串疊在一起構(gòu)成Cascode結(jié)構(gòu)，所述 輸出晶體管的集電極與地之間連接有抑制二次諧波信號輸出的二次諧波串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，所 述輸出晶體管的集電極與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)之間連接有將三次諧波信號反射回集電極的三次 諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。利用諧振網(wǎng)絡(luò)對諧波信號進(jìn)行控制，從而抑制諧波信號輸出，提高功率 放大器的線性度與功率附加效率。
進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述二 次諧波串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接于所述輸出晶體管的集電極和地之間的第四電容和第 二電感；即二次諧波串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接輸出晶體管的集電極、輸出端接地，它將集 電極輸出的二次諧波信號短路到地。進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述三次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)連接于所述輸出晶體管的集電極和功率放大器的輸出端口 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)之前的第五電容和第三電感；即三次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接輸出晶 體管的集電極、輸出端連接功放電路的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它對集電極輸出的三次諧波信號開 路，將三次諧波信號反射回集電極。
在上述三次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)和功率放大電路的輸出端之間設(shè)有輸出端隔直電 容與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述功 率放大器電路為包括共射輸入晶體管和共基輸出晶體管的Cascode （共射共基）結(jié)構(gòu)。
當(dāng) 然，在其它類型的功率放大器電路中，在輸出晶體管的集電極和輸出端口之間也可以連接 上述二次諧波串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)和三次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到提高了功率放大器的線性度與 功率附加效率的目的。進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述 Cascode結(jié)構(gòu)的輸出晶體管的基極和地之間連接有二次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，即所述二次諧 波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入端接輸出晶體管的基極，輸出端接地，它提高了基頻信號的增益，抑 制了二次諧波信號。
進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述二 次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)連接在輸出晶體管的基極和地之間的第二電容和基頻串聯(lián) 諧振網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步的，在上述提高功率放大器線性度及功率附加效率的電路結(jié)構(gòu)中，所述基 頻串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接的第一電感和第三電容。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明在Cascode結(jié)構(gòu)功率放大器輸出晶體管集電極依次連接的二次諧波串 聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)與三次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，可用于提高其它類型功率放大器的線性度與功率附 加效率。2.本發(fā)明的Cascode電路在輸出晶體管的基極連接二次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，提高 了 Cascode電路對基頻信號的增益并抑制Cascode電路對二次諧波信號的增益。
3.本發(fā)明的Cascode電路在輸出晶體管的基極所連接的二次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò) 可用于抑制Η次諧波信號。附圖說明下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例二次諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)作用示意圖；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例的輸出晶體管。
2.功率放大器有哪三種工作方式
1、功率放大器的三種工作方式：
(1)、工作沒失真，功放能力比較強(qiáng)。
(2)、工作失真，功放能力比較強(qiáng)。
(3)、工作失真嚴(yán)重，半波損失，攻放能力強(qiáng)。
2、功率放大器（英文名稱：power amplifier），簡稱"功放"，是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動某一負(fù)載（例如揚(yáng)聲器）的放大器。功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了"組織、協(xié)調(diào)"的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。
3.線性放大器的線性化
射頻功率放大器的非線性失真會使其產(chǎn)生新的頻率分量，如對于二階失真會產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對于三階失真會產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。這些新的頻率分量如落在通帶內(nèi)，將會對發(fā)射的信號造成直接干擾，如果落在通帶外將會干擾其他頻道的信號。為此要對射頻功率放大器的進(jìn)行線性化處理，這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問題。射頻功放基本線性化技術(shù)的原理與方法不外乎是以輸入RF信號包絡(luò)的振幅和相位作為參考，與輸出信號比較，進(jìn)而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男Ｕ?。?shí)現(xiàn)射頻功放線性化的常用技術(shù)有三種：功率回退、預(yù)失真、前饋。 這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來提高功放的線性度。
功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)（放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區(qū)，功率增益開始下降，通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表示。）向后回退6-10個分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。一般情況，當(dāng)基波功率降低1dB時，三階交調(diào)失真改善2dB。
功率回退法簡單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是效率大為降低。另外，當(dāng)功率回退到一定程度，當(dāng)三階交調(diào)制達(dá)到-50dBc以下時，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場合，完全靠功率回退是不夠的。 預(yù)失真就是在功率放大器前增加一個非線性電路用以補(bǔ)償功率放大器的非線性失真。
預(yù)失真線性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號。預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個仔細(xì)選取的元件封裝成單一模塊，連在信號源與功放之間，就構(gòu)成預(yù)失真線性功放。手持移動臺中的功放已采用了預(yù)失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調(diào)產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。
預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種基本類型。RF預(yù)失真一般采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。
數(shù)字基帶預(yù)失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過增加采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。這種預(yù)失真器由一個矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表（LUT）的內(nèi)容來控制輸入信號的幅度和相位，預(yù)失真的大小由查找表的輸入來控制。矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個與功放相反的非線性特性。理想情況下，這時輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與雙音信號通過功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。注意到輸入信號的包絡(luò)也是查找表的一個輸入，反饋路徑來取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過A/D變換送入自適應(yīng)調(diào)節(jié)DSP中，進(jìn)而來更新查找表。 前饋技術(shù)起源于“反饋”，應(yīng)該說它并不是什么新技術(shù)，早在二三十年代就由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出來的。除了校準(zhǔn)（反饋）是加于輸出之外，概念上完全是“反饋”。
前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、延時線、功分器等組成兩個環(huán)路。射頻信號輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器，由于其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號外，還有三階交調(diào)干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號，通過環(huán)路1抵消放大器的主載頻信號，使其只剩下反相的三階交調(diào)分量。三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過環(huán)路2抵消主放大器非線性產(chǎn)生的交調(diào)分量，從而了改善功放的線性度。
前饋技術(shù)既提供了較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。當(dāng)然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來的，由于在輸出校準(zhǔn)，功率電平較大，校準(zhǔn)信號需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上。
前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會造成抵消失靈。為此，在系統(tǒng)中考慮自適應(yīng)抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。
4.放大器的線性輸出功率
假設(shè)運(yùn)放工作電壓是12V，增益是40dB，那么允許的最大輸入時多少呢？
對于電壓增益40dB，那么設(shè)電壓放大倍數(shù)為X,20lgX=40,X=100,
就是電壓放大倍數(shù)為100，那么允許最大輸入設(shè)為Y,Y*100=12V,Y=120mV,
只要你的輸入小于120mV那么就不會失真~懂啵？
你要查一下你用的運(yùn)放的增益和電壓~一般的pdf都會直接給出最大輸入的
至于你說的輸出功率~最大的輸出電壓*當(dāng)時輸出電流 就是了
就涉及了負(fù)載問題~只要你的負(fù)載和運(yùn)放匹配~在允許的輸入范圍內(nèi)~不會有線性失真~
5.實(shí)驗(yàn)中如果要提高功率放大器的輸出功率,可用什么方法解決
首先要搞清楚：“功率損耗”是指晶體功放管集電極耗散功率么？（或電子管的 陽極功耗），如果是這樣，則不一定是“輸出功率是最大.功率損耗也最大”。
如甲類功放，集電極消耗的最大功率值出現(xiàn)在輸出功率最小的時候； 乙類（或甲乙類）功放：其最大值不是在輸出功率最小的時候，也不是輸出功率最大的時候。 若“功率損耗”指的是電源功率消耗，則功放電路只能是乙類或甲乙類的時候， 才會出現(xiàn)“輸出功率是最大.功率損耗也最大”。
而甲類功放無論有無功率輸出，電源的消耗始終是相同的。
6.高峰均比對功放的線性 有什么要求
4,
Class A(A類也稱甲類)、Class B(B類也稱乙類)、Class AB(AB類也稱甲乙類)、Class D(D類也稱數(shù)字類)。以上都是汽車上常見的功放器..
1、純甲類功率放大器
純甲類功率放大器又稱為A類功率放大器（Class A），它是一種完全的線性放大形式的放大器。在純甲類功率放大器工作時，晶體管的正負(fù)通道不論有或沒有信號都處于常開狀態(tài)，這就意味著更多的功率消耗為熱量，但失真率極低。純甲類功率放大器在汽車音響的應(yīng)用中比較少見，像意大利的Sinfoni高級系列才有這類功率放大器。這是因?yàn)榧兗最惞β史糯笃鞯男史浅５?，通常只?0-30%，但音響發(fā)燒友們對它的聲音表現(xiàn)津津樂道。
2、乙類功率放大器
乙類功率放大器，也稱為B類功率放大器（Class B），它也被稱為線性放大器，但是它的工作原理與純甲類功率放大器完全不同。B類功放在工作時，晶體管的正負(fù)通道通常是處于關(guān)閉的狀態(tài)除非有信號輸入，也就是說，在正相的信號過來時只有正相通道工作，而負(fù)相通道關(guān)閉，兩個通道絕不會同時工作，因此在沒有信號的部分，完全沒有功率損失。但是在正負(fù)通道開啟關(guān)閉的時候，常常會產(chǎn)生跨越失真，特別是在低電平的情況下，所以B類功率放大器不是真正意義上的高保真功率放大器。在實(shí)際的應(yīng)用中，其實(shí)早期許多的汽車音響功放都是B類功放，因?yàn)樗男时容^高。
3、甲乙類功率放大器
甲乙類功率放大器也稱為AB類功率放大器（Class AB），它是兼容A類與B類功放的優(yōu)勢的一種設(shè)計(jì)。當(dāng)沒有信號或信號非常小時，晶體管的正負(fù)通道都常開，這時功率有所損耗，但沒有A類功放嚴(yán)重。當(dāng)信號是正相時，負(fù)相通道在信號變強(qiáng)前還是常開的，但信號轉(zhuǎn)強(qiáng)則負(fù)通道關(guān)閉。當(dāng)信號是負(fù)相時，正負(fù)通道的工作剛好相反。AB類功率放大器的缺陷在于會產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)的交越失真，但是相對于它的效率比以及保真度而言，都優(yōu)于A類和B類功放，AB類功放也是目前汽車音響中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)。
4、D類功率放大器
D類放大器與上述A,B或AB類放大器不同，其工作原理基于開關(guān)晶體管，可在極短的時間內(nèi)完全導(dǎo)通或完全截止。兩只晶體管不會在同一時刻導(dǎo)通，因此產(chǎn)生的熱量很少。這種類型的放大器效率極高（90%左右），在理想情況下可達(dá)100%，而相比之下AB類放大器僅能達(dá)到78.5%。不過另一方面，開關(guān)工作模式也增加了輸出信號的失真。D類放大器的電路共分為三級：輸入開關(guān)級、功率放大級以及輸出濾波級。D類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制（PWM）模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)信號，通過一個比較器將音頻信號與高頻三角波進(jìn)行比較，當(dāng)反相端電壓高于同相端電壓時，輸出為低電平；當(dāng)反相端電壓低于同相端電壓時，輸出為高電平。
在D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場效應(yīng)管（MOSFET）替代雙極型晶體管（BJT），這是由于前者具有更快的響應(yīng)時間，因而適用于高頻工作模式。D類放大器需要兩只MOSFET，它們在非常短的時間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。當(dāng)一只MOSFET完全導(dǎo)通時，其管壓降很低；而當(dāng)MOSFET完全截止時，通過管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)速度非常快，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以D類放大器不需要很大的散熱器。
7.改善電路功率因數(shù)的意義是什么
改善電路功率因數(shù)的意義是效益越好，發(fā)電設(shè)備越能充分利用。改善電路功率因數(shù)方法如下：
1）提高自然功率因數(shù)。自然功率因數(shù)是在沒有任何補(bǔ)償情況下，用電設(shè)備的功率因數(shù)。
提高自然功率因數(shù)的方法：合理選擇異步電機(jī)；避免變壓器空載運(yùn)行；合理安排和調(diào)整工藝流程，改善機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況；在生產(chǎn)工藝允許條件下，采用同步電動機(jī)代替異步電動機(jī)。
(2)采用人工補(bǔ)償無功功率。裝用無功功率補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行人工補(bǔ)償，電力用戶常用的無功功率補(bǔ)償設(shè)備是電力電容器。
提高功率因數(shù)的途徑主要在于如何減少電力系統(tǒng)中各個部分所需的無功功率，特別是減少負(fù)荷取用的。
無功功率，使電力系統(tǒng)在輸送一定的有功功率時，可降低其中通過的無功電流。
擴(kuò)展資料
電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時吸收無功功率。
因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無功功率。
由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補(bǔ)償?shù)男б妗?
無功補(bǔ)償?shù)闹饕康木褪翘嵘a(bǔ)償系統(tǒng)的功率因數(shù)。因?yàn)楣╇娋职l(fā)出來的電是以kVA或者M(jìn)VA來計(jì)算的，但是收費(fèi)卻是以kW，也就是實(shí)際所做的有用功來收費(fèi)，兩者之間有一個無效功率的差值，一般而言就是以kvar為單位的無功功率。
大部分的無效功都是電感性，也就是一般所謂的電動機(jī)、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無效功都是電感性，電容性的非常少見，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數(shù)。
參考資料來源：百度百科-功率因數(shù)
