射頻功率放大器。功率放大器 （PA） 出現(xiàn)在發(fā)射器的輸出端，負(fù)責(zé)向天線提供射頻功率。我們可以預(yù)期功率放大器的峰值交流電流在200 mA或更高的范圍內(nèi)，這不是一個(gè)小信號(hào)。

這就引出了功率放大器和線性小信號(hào)放大器之間的重要區(qū)別。PA的交流電流通常與其靜態(tài)偏置電流相當(dāng)。由于PA處理大量的交流電流，而較大的偏置電流意味著不太線性的工作，因此我們可以預(yù)期PA基本上是非線性的。即使是 A 類功率放大器（線性度最高的 PA 類型，也是本文的主要主題）通常也被設(shè)計(jì)為提供與晶體管偏置電流相等的峰值交流電流。

電源效率和功率處理能力

由于PA設(shè)計(jì)用于在輸出端提供大量功率，因此是RF收發(fā)機(jī)中最耗電的模塊。例如，如果向天線提供 30 kW 功率的 PA 效率僅為 50%，則放大器本身將消耗 30 kW。這可能是一個(gè)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的熱管理問(wèn)題。

效率是一個(gè)主要問(wèn)題，無(wú)論P(yáng)A是向廣播發(fā)射機(jī)的天線提供幾萬(wàn)瓦的功率，還是為便攜式通信設(shè)備的天線提供幾瓦的功率。即使在低功耗、便攜式應(yīng)用中，低效率的 PA 在產(chǎn)生可用輸出功率方面也不太有效——事實(shí)上，PA 會(huì)浪費(fèi)電池提供的可用功率。使用更高效的 PA，電池供電的設(shè)備使用時(shí)間可以更長(zhǎng)。

PA設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自功率放大器通常處理的大信號(hào)?？紤]一個(gè)便攜式設(shè)備，它為 50 Ω天線提供 1 W 的射頻功率。這需要通過(guò)天線提供 20 V 的峰峰值電壓擺幅和 200 mA 的峰值電流。如您所見(jiàn)，即使在這種低功耗應(yīng)用中，晶體管也必須處理高電壓和電流水平，才能在輸出端提供所需的射頻功率。 

同時(shí)，在更高功率的應(yīng)用中，有源器件必須處理更大的電壓和電流。晶體管在它們可以處理的最大電壓和電流水平以及它們可以燃燒而不會(huì)損壞的最大功率方面受到限制，因此這可能是有問(wèn)題的。

我們可以將共發(fā)射極放大器用作PA嗎？

讓我們研究一下使用共發(fā)射極（或共源）級(jí)作為PA的可能性。我們能否僅僅通過(guò)使用足夠大的晶體管來(lái)有效地提供大量的輸出功率？假設(shè)圖1所示的共發(fā)射極級(jí)為50 Ω負(fù)載電阻（RL).

圖 1.共發(fā)射極放大器。

為了將圖1中的電路用作PA，我們顯然需要使用能夠耗散幾瓦到幾十瓦的功率晶體管而不會(huì)損壞。然而，首要問(wèn)題仍然是如何最大限度地提高電路的輸出功率。

負(fù)載電壓和電流的乘積決定了輸送的功率。因此，為了實(shí)現(xiàn)最大輸出功率，應(yīng)選擇偏置點(diǎn)以最大限度地提高負(fù)載的電壓和電流擺幅。當(dāng)晶體管偏置在其放大區(qū)域的中間時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大擺幅。為了找到合適的偏置點(diǎn)，我們?yōu)?span style="color:#374151;font-family:S?hne, ui-sans-serif, system-ui, -apple-system, "font-size:16px;">集電極分支編寫(xiě)一個(gè)KVL方程：

（1）

其中：

• iC 是總集電極電流

• vCE 表示集電極和發(fā)射極之間的總電壓，包括直流和交流分量。

這個(gè)方程給出了電路的交流負(fù)載線，也在圖2中繪制出來(lái)。任何可能的iC值及其相應(yīng)的vCE都落在交流負(fù)載線上。

圖2.共發(fā)射極電路的交流負(fù)載線

在我們的簡(jiǎn)單例子中，交流和直流負(fù)載線是相同的。這使得確定電壓和電流限制變得容易——當(dāng)晶體管截止（iC = 0）時(shí)，整個(gè)供電電壓因此出現(xiàn)在集電極和發(fā)射極之間（vCE = VCC）。另一方面，對(duì)于一個(gè)飽和的晶體管，在集電極和發(fā)射極之間出現(xiàn)一個(gè)非常小的電壓降（通常為0.1伏）。忽略這個(gè)小電壓降，我們找到了集電極電流的最大值：

（2）

交流負(fù)載線顯示了電路中的電流和電壓限制。通過(guò)將所采用的特定類型晶體管（BJT、FET等）的特征曲線疊加在交流負(fù)載線上，我們可以輕松確定信號(hào)何時(shí)超出晶體管的線性范圍。

為了獲得最大擺幅，我們選擇偏置點(diǎn)（ICQ和VCEQ）位于交流負(fù)載線的中間。ICQ是靜態(tài)集電極電流：

（3）

而VCEQ是靜態(tài)集電極-發(fā)射極電壓：

因此，通過(guò)RL流過(guò)的交流電流的峰值為：

（4）

換句話說(shuō)，在最大輸出功率的情況下，我們可以假設(shè)集電極電流由偏置電流ICQ和幅值為ic,max的正弦電流組成：

（5）

其中 ? 是交流信號(hào)的頻率。

計(jì)算功率效率

傳遞給負(fù)載的功率有兩個(gè)組成部分：來(lái)自偏置電流的直流功率和我們希望最大化的交流功率。由于我們知道集電極的峰值交流電流（ic,max），我們可以計(jì)算傳遞到負(fù)載的交流功率的平均值，如下所示：

（6）

請(qǐng)注意，這是負(fù)載的最大交流功率。當(dāng)沒(méi)有交流信號(hào)時(shí)，將零交流功率傳遞到負(fù)載。

我們可以使用以下方程計(jì)算由供電電壓傳遞的平均功率。方程6幫助我們創(chuàng)建右側(cè)更復(fù)雜版本，這將很快證明是有用的：

（8）

其中T是信號(hào)的周期。

正弦項(xiàng)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零，因此方程8簡(jiǎn)化為：

（9）

ICQ的公式可以在方程3中找到。

最后，使用方程7和9，可以計(jì)算放大器的最大效率：

（10）

這意味著為了將1瓦傳遞到負(fù)載，電源必須提供4瓦。額外的3瓦中的一部分在晶體管中損失；其余部分作為RL中的直流功率丟失。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)的效率可以遠(yuǎn)低于25％。

既然我們知道如何計(jì)算最大效率，讓我們找到最佳負(fù)載。

計(jì)算最佳負(fù)載

綜合考慮方程3和方程4，顯示了晶體管必須在最大輸出功率的情況下與RL之間存在某種關(guān)系。換句話說(shuō)，對(duì)于給定的偏置條件，存在一個(gè)最佳負(fù)載，最大化輸出功率。

基于最大功率傳輸定理，我們可能期望最佳RL取決于晶體管的輸出阻抗。然而，它僅取決于VCC和偏置點(diǎn)。這實(shí)際上是一個(gè)有趣（有時(shí)令人困惑）的點(diǎn)，但它值得更詳細(xì)的解釋，這將等到另一個(gè)時(shí)候?，F(xiàn)在，讓我們考慮圖3中的共發(fā)射極電路。

圖3. 具有12V供電電壓和0.75A靜態(tài)電流的共發(fā)射極放大器。

鑒于VCC = 12 V和ICQ = 0.75 A的供電電壓和靜態(tài)電流，什么數(shù)值的RL會(huì)產(chǎn)生最大的輸出功率？

通過(guò)重寫(xiě)方程3以解出RL，我們得到了最佳負(fù)載電阻的公式。

（11）

對(duì)于上述給定的供電電壓和靜態(tài)電流值，這計(jì)算為：

（12）

圖4顯示了三種不同負(fù)載電阻值的負(fù)載線：RL = 4 Ω、8 Ω和13.33 Ω。這張圖幫助我們可視化對(duì)于給定的靜態(tài)電流，不同的負(fù)載電阻如何產(chǎn)生不同的電壓擺幅，因而產(chǎn)生不同的輸出功率值。

圖4. 三種不同負(fù)載電阻值的負(fù)載線：RL = 4 Ω（紫色）、RL = 8 Ω（藍(lán)色）和RL = 13.33 Ω（橙色）。

結(jié)果如下：

• 當(dāng)RL = 4 Ω時(shí)，我們觀察到ICQ = 0.75 A時(shí)，VCEQ = 9 V。在這種情況下，峰峰擺幅為6 V（與RL = 8 Ω相比為一半）。

• 最佳值RL = 8 Ω導(dǎo)致DC集電極-發(fā)射極電壓為VCEQ = 6 V，位于負(fù)載線的中間。

• RL = 13.33 Ω導(dǎo)致VCEQ = 2 V，再次產(chǎn)生小于最佳值的峰峰擺幅。

在這篇文章的計(jì)算部分，我們首先問(wèn)的是是否可以使用簡(jiǎn)單的共發(fā)射極級(jí)別高效地傳遞大量輸出功率。似乎答案是否定的。但為什么呢？

共發(fā)射極的缺點(diǎn)

使用簡(jiǎn)單的共發(fā)射極級(jí)別，偏置電流總是流經(jīng)負(fù)載。因此，在負(fù)載中總是會(huì)浪費(fèi)相當(dāng)于RLICQ2的直流功率，僅用于偏置晶體管。使用方程7，可以驗(yàn)證這個(gè)直流功率是我們可以傳遞給負(fù)載的最大交流功率的兩倍。

這是電路效率差的一個(gè)原因。此外，我們計(jì)算的是最大可能的效率。如果交流信號(hào)低于最大擺幅，效率將進(jìn)一步降低。

電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于給定的供電電壓，它提供了相對(duì)較小的電壓擺幅。例如，考慮將1瓦的射頻功率傳遞到50Ω天線的問(wèn)題。正如我們上面提到的，這需要通過(guò)天線提供20伏的峰峰電壓擺幅和200毫安的峰值電流。

正如圖2中的交流負(fù)載線所示，最大峰值擺幅等于VCC。因此，我們需要一個(gè)大于20伏的供電電壓才能向天線提供1瓦的功率！許多便攜設(shè)備使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)的供電電壓。

感性負(fù)載的A類功率放大器

圖5顯示了更實(shí)用的A類放大器的基本圖。通過(guò)使用電感和隔直電容，這個(gè)放大器規(guī)避了一些上述問(wèn)題。

圖5. 感性負(fù)載A類放大器的基本圖。

讓我們檢查上述模型的標(biāo)記部分。

• RL 是電阻器，代表我們希望傳遞功率的實(shí)際負(fù)載。

• L1 是電感器，足夠大，以在感興趣的頻率上充當(dāng)交流開(kāi)路——我們稱這樣的電感器為“射頻電感”。

• VCC 是供電電壓。正如我們將在下一篇文章中看到的，感性負(fù)載級(jí)可以具有對(duì)稱的電壓擺幅，其值是VCC的兩倍。

• Req 是最大化輸出功率的最佳負(fù)載。

• C1 是電容器，它阻止直流電流，但在感興趣的頻率上作為交流短路。

• 匹配網(wǎng)絡(luò)用于將RL變換為Req。由于匹配網(wǎng)絡(luò)幾乎總是使用（電感器或者電容器）實(shí)現(xiàn)，傳遞到匹配網(wǎng)絡(luò)輸入的功率會(huì)在RL中耗散。為了防止RL中的任何直流耗散，集電極通過(guò)C1連接到匹配網(wǎng)絡(luò)。正如上面提到的，C1用于阻止直流電流。

在這個(gè)系列的下一篇文章中，我們將更深入地討論感性負(fù)載的A類放大器。