改善功率放大器的線(xiàn)性方法(方法和技術(shù)來(lái)提高功率放大)
1.有哪些方法和技術(shù)來(lái)提高功率放大
專(zhuān)利名稱(chēng)提高功率放大器線(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構的制作方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種提高功率放大器線(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構。
背景技術(shù)功率放大器是無(wú)線(xiàn)通信系統中一個(gè)關(guān)鍵的組件，其線(xiàn)性度和效率一直是被關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信系統（如WCDMA,CDMA2000）的發(fā)展，線(xiàn)性調制技術(shù)越來(lái)越被廣 泛采用。
功率放大器的線(xiàn)性度對于通信系統能否不失真地傳輸放大數據信號起著(zhù)至關(guān)重要 的作用。功率放大器的線(xiàn)性度越好則經(jīng)過(guò)放大器放大的信號波形越不容易產(chǎn)生畸變與失 真，從而使輸入數據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(gè)研究 的重點(diǎn)。功率放大器的耗能約占由其組成的無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射系統耗能的1/3，提高其效率對于 提高整個(gè)發(fā)射系統的效率具有重要作用。
對于基站、雷達這類(lèi)大功率無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射系統來(lái) 講，提高效率可以減小其損耗的功率，提高發(fā)射系統對能源的利用率；而對手機等利用電池 或者蓄電池供電的發(fā)射系統來(lái)講，提高效率可以使這些設備工作時(shí)間更長(cháng)。考慮到效率及 線(xiàn)性度對功率放大器的重要性，目前，如何使功率放大器在滿(mǎn)足高線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性度，但其會(huì )極大地降低 功率放大器的功率附加效率（PAE）。
包絡(luò )消除與恢復技術(shù)雖然能在改善功率放大器線(xiàn)性度 的同時(shí)，不影響功率放大器的效率，但該技術(shù)所采用的電路結構非常復雜，不利用對電路的 設計，且使電路制造的成本增加。發(fā)明內容本發(fā)明目的是提供一種提高功率放大器線(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構，使 得在不增大功率放大器靜態(tài)功耗的情況下，既增強了功率放大器的諧波抑制，又顯著(zhù)提高 了功率放大器的線(xiàn)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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構， 所述功率放大器設有輸入晶體管及輸出晶體管，它們串疊在一起構成Cascode結構，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(xiàn)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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，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(kāi) 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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，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）結構。
當 然，在其它類(lèi)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 )，達到提高了功率放大器的線(xiàn)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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，所述 Cascode結構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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，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(xiàn)性度及功率附加效率的電路結構中，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結構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(lèi)型功率放大器的線(xiàn)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(shuō)明下面結合附圖及實(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)施例的電路結構示意圖；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(méi)失真，功放能力比較強。
(2)、工作失真，功放能力比較強。
(3)、工作失真嚴重，半波損失，攻放能力強。
2、功率放大器（英文名稱(chēng)：power amplifier），簡(jiǎn)稱(chēng)"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動(dòng)某一負載（例如揚聲器）的放大器。功率放大器在整個(gè)音響系統中起到了"組織、協(xié)調"的樞紐作用，在某種程度上主宰著(zhù)整個(gè)系統能否提供良好的音質(zhì)輸出。
3.線(xiàn)性放大器的線(xiàn)性化
射頻功率放大器的非線(xiàn)性失真會(huì )使其產(chǎn)生新的頻率分量，如對于二階失真會(huì )產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對于三階失真會(huì )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，將會(huì )對發(fā)射的信號造成直接干擾，如果落在通帶外將會(huì )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(xiàn)性化處理，這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問(wèn)題。射頻功放基本線(xiàn)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)生適當的校正。實(shí)現射頻功放線(xiàn)性化的常用技術(shù)有三種：功率回退、預失真、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(lái)提高功放的線(xiàn)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(gè)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內，放大器的輸出功率隨輸入功率線(xiàn)性增加。隨著(zhù)輸入功率的繼續增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區，功率增益開(kāi)始下降，通常把增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)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(gè)分貝，工作在遠小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠離飽和區，進(jìn)入線(xiàn)性工作區，從而改善功率放大器的三階交調系數。一般情況，當基波功率降低1dB時(shí)，三階交調失真改善2dB。
功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現，不需要增加任何附加設備，是改善放大器線(xiàn)性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是效率大為降低。另外，當功率回退到一定程度，當三階交調制達到-50dBc以下時(shí)，繼續回退將不再改善放大器的線(xiàn)性度。因此，在線(xiàn)性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。 預失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線(xiàn)性電路用以補償功率放大器的非線(xiàn)性失真。
預失真線(xiàn)性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩定性問(wèn)題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號。預失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細選取的元件封裝成單一模塊，連在信號源與功放之間，就構成預失真線(xiàn)性功放。手持移動(dòng)臺中的功放已采用了預失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。
預失真技術(shù)分為RF預失真和數字基帶預失真兩種基本類(lèi)型。RF預失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現，具有電路結構簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優(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。
數字基帶預失真由于工作頻率低，可以用數字電路實(shí)現，適應性強，而且可以通過(guò)增加采樣頻率和增大量化階數的辦法來(lái)抵消高階互調失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。這種預失真器由一個(gè)矢量增益調節器組成，根據查找表（LUT）的內容來(lái)控制輸入信號的幅度和相位，預失真的大小由查找表的輸入來(lái)控制。矢量增益調節器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線(xiàn)性特性。理想情況下，這時(shí)輸出的互調產(chǎn)物應該與雙音信號通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應調節模塊就是要調節查找表的輸入，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(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過(guò)A/D變換送入自適應調節DSP中，進(jìn)而來(lái)更新查找表。 前饋技術(shù)起源于“反饋”，應該說(shuō)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)驗室提出來(lái)的。除了校準（反饋）是加于輸出之外，概念上完全是“反饋”。
前饋線(xiàn)性放大器通過(guò)耦合器、衰減器、合成器、延時(shí)線(xiàn)、功分器等組成兩個(gè)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(xiàn)性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號外，還有三階交調干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號，通過(guò)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分量。三階交調分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過(guò)環(huán)路2抵消主放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生的交調分量，從而了改善功放的線(xiàn)性度。
前饋技術(shù)既提供了較高校準精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有不穩定和帶寬受限的缺點(diǎn)。當然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的，由于在輸出校準，功率電平較大，校準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(gè)輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統的指標之上。
前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現功率變化、溫度變化及器件老化等均會(huì )造成抵消失靈。為此，在系統中考慮自適應抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內外環(huán)境的變化。
4.放大器的線(xiàn)性輸出功率
假設運放工作電壓是12V，增益是40dB，那么允許的最大輸入時(shí)多少呢？
對于電壓增益40dB，那么設電壓放大倍數為X,20lgX=40,X=100,
就是電壓放大倍數為100，那么允許最大輸入設為Y,Y*100=12V,Y=120mV,
只要你的輸入小于120mV那么就不會(huì )失真~懂啵？
你要查一下你用的運放的增益和電壓~一般的pdf都會(huì )直接給出最大輸入的
至于你說(shuō)的輸出功率~最大的輸出電壓*當時(shí)輸出電流 就是了
就涉及了負載問(wèn)題~只要你的負載和運放匹配~在允許的輸入范圍內~不會(huì )有線(xiàn)性失真~
5.實(shí)驗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(yáng)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(lèi)功放，集電極消耗的最大功率值出現在輸出功率最小的時(shí)候； 乙類(lèi)（或甲乙類(lèi)）功放：其最大值不是在輸出功率最小的時(shí)候，也不是輸出功率最大的時(shí)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(lèi)或甲乙類(lèi)的時(shí)候， 才會(huì )出現“輸出功率是最大.功率損耗也最大”。
而甲類(lèi)功放無(wú)論有無(wú)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(xiàn)性 有什么要求
4,
Class A(A類(lèi)也稱(chēng)甲類(lèi))、Class B(B類(lèi)也稱(chēng)乙類(lèi))、Class AB(AB類(lèi)也稱(chēng)甲乙類(lèi))、Class D(D類(lèi)也稱(chēng)數字類(lèi))。以上都是汽車(chē)上常見(jiàn)的功放器..
1、純甲類(lèi)功率放大器
純甲類(lèi)功率放大器又稱(chēng)為A類(lèi)功率放大器（Class A），它是一種完全的線(xiàn)性放大形式的放大器。在純甲類(lèi)功率放大器工作時(shí)，晶體管的正負通道不論有或沒(méi)有信號都處于常開(kāi)狀態(tài)，這就意味著(zhù)更多的功率消耗為熱量，但失真率極低。純甲類(lèi)功率放大器在汽車(chē)音響的應用中比較少見(jiàn)，像意大利的Sinfoni高級系列才有這類(lèi)功率放大器。這是因為純甲類(lèi)功率放大器的效率非常低，通常只有20-30%，但音響發(fā)燒友們對它的聲音表現津津樂(lè )道。
2、乙類(lèi)功率放大器
乙類(lèi)功率放大器，也稱(chēng)為B類(lèi)功率放大器（Class B），它也被稱(chēng)為線(xiàn)性放大器，但是它的工作原理與純甲類(lèi)功率放大器完全不同。B類(lèi)功放在工作時(shí)，晶體管的正負通道通常是處于關(guān)閉的狀態(tài)除非有信號輸入，也就是說(shuō)，在正相的信號過(guò)來(lái)時(shí)只有正相通道工作，而負相通道關(guān)閉，兩個(gè)通道絕不會(huì )同時(shí)工作，因此在沒(méi)有信號的部分，完全沒(méi)有功率損失。但是在正負通道開(kāi)啟關(guān)閉的時(shí)候，常常會(huì )產(chǎn)生跨越失真，特別是在低電平的情況下，所以B類(lèi)功率放大器不是真正意義上的高保真功率放大器。在實(shí)際的應用中，其實(shí)早期許多的汽車(chē)音響功放都是B類(lèi)功放，因為它的效率比較高。
3、甲乙類(lèi)功率放大器
甲乙類(lèi)功率放大器也稱(chēng)為AB類(lèi)功率放大器（Class AB），它是兼容A類(lèi)與B類(lèi)功放的優(yōu)勢的一種設計。當沒(méi)有信號或信號非常小時(shí)，晶體管的正負通道都常開(kāi)，這時(shí)功率有所損耗，但沒(méi)有A類(lèi)功放嚴重。當信號是正相時(shí)，負相通道在信號變強前還是常開(kāi)的，但信號轉強則負通道關(guān)閉。當信號是負相時(shí)，正負通道的工作剛好相反。AB類(lèi)功率放大器的缺陷在于會(huì )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(yíng)類(lèi)和B類(lèi)功放，AB類(lèi)功放也是目前汽車(chē)音響中應用最為廣泛的設計。
4、D類(lèi)功率放大器
D類(lèi)放大器與上述A,B或AB類(lèi)放大器不同，其工作原理基于開(kāi)關(guān)晶體管，可在極短的時(shí)間內完全導通或完全截止。兩只晶體管不會(huì )在同一時(shí)刻導通，因此產(chǎn)生的熱量很少。這種類(lèi)型的放大器效率極高（90%左右），在理想情況下可達100%，而相比之下AB類(lèi)放大器僅能達到78.5%。不過(guò)另一方面，開(kāi)關(guān)工作模式也增加了輸出信號的失真。D類(lèi)放大器的電路共分為三級：輸入開(kāi)關(guān)級、功率放大級以及輸出濾波級。D類(lèi)放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調制（PWM）模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉換為高頻開(kāi)關(guān)信號，通過(guò)一個(gè)比較器將音頻信號與高頻三角波進(jìn)行比較，當反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出為低電平；當反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出為高電平。
在D類(lèi)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(chǎng)效應管（MOSFET）替代雙極型晶體管（BJT），這是由于前者具有更快的響應時(shí)間，因而適用于高頻工作模式。D類(lèi)放大器需要兩只MOSFET，它們在非常短的時(shí)間內可完全工作在導通或截止狀態(tài)下。當一只MOSFET完全導通時(shí)，其管壓降很低；而當MOSFET完全截止時(shí)，通過(guò)管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導通和截止狀態(tài)的開(kāi)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(lèi)放大器不需要很大的散熱器。
7.改善電路功率因數的意義是什么
改善電路功率因數的意義是效益越好，發(fā)電設備越能充分利用。改善電路功率因數方法如下：
1）提高自然功率因數。自然功率因數是在沒(méi)有任何補償情況下，用電設備的功率因數。
提高自然功率因數的方法：合理選擇異步電機；避免變壓器空載運行；合理安排和調整工藝流程，改善機電設備的運行狀況；在生產(chǎn)工藝允許條件下，采用同步電動(dòng)機代替異步電動(dòng)機。
(2)采用人工補償無(wú)功功率。裝用無(wú)功功率補償設備進(jìn)行人工補償，電力用戶(hù)常用的無(wú)功功率補償設備是電力電容器。
提高功率因數的途徑主要在于如何減少電力系統中各個(gè)部分所需的無(wú)功功率，特別是減少負荷取用的。
無(wú)功功率，使電力系統在輸送一定的有功功率時(shí)，可降低其中通過(guò)的無(wú)功電流。
擴展資料
電網(wǎng)中的電力負荷如電動(dòng)機、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負荷，這些電感性的設備在運行過(guò)程中不僅需要向電力系統吸收有功功率，還同時(shí)吸收無(wú)功功率。
因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補償設備后，將可以提供補償感性負荷所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源側向感性負荷提供及由線(xiàn)路輸送的無(wú)功功率。
由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸配電線(xiàn)路中變壓器及母線(xiàn)因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這就是無(wú)功補償的效益。
無(wú)功補償的主要目的就是提升補償系統的功率因數。因為供電局發(fā)出來(lái)的電是以kVA或者M(jìn)VA來(lái)計算的，但是收費卻是以kW，也就是實(shí)際所做的有用功來(lái)收費，兩者之間有一個(gè)無(wú)效功率的差值，一般而言就是以kvar為單位的無(wú)功功率。
大部分的無(wú)效功都是電感性，也就是一般所謂的電動(dòng)機、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無(wú)效功都是電感性，電容性的非常少見(jiàn)，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。
參考資料來(lái)源：百度百科-功率因數
