功率放大器设计与仿真
随着信息产业快速的发展，无线通信系统的要求也是不断地提高。射频功率放大器作为无线通信系统的一个非常重要的组成部分，其作用是将直流电源的直流功率转换为输出信号。现如今设计一个高性能的功率放大器是人们密切关注的课题。
功率放大器都追求低功耗、高效率。作为众多功率放大器当中的一种，E类功率放大器是开关形式的放大器。在理想的情况下，其漏极的效率可以达到100%。论文先介绍了功率放大器的背景与意义，接着介绍了其他功率放大器之间的比较，最后是E类功率放大器的设计与仿真。本文基于MOS管设计了一种高效率E类功率放大器，并且利用AWR软件对功率放大器进行仿真以及对其效率、三阶互调失真和输出功率等进行分析。目标的做到一个效率在85%左右的E类功率放大器。
关键字：E类功率放大器 AWR 高效率
With the rapid development of information industry, requires of a wireless communication system is constantly improving.A very important component of the RF power amplifier of a radio communication system, its role is to convert the DC power to a DC power output signal.Nowadays the design of a high-performance power amplifier is that people pay close attention to the issue.
Today, the pursuit of power amplifiers have low power consumption, high efficiency.As a power amplifier, E power amplifier is a switching amplifier form.In the ideal case, the drain efficiency can reach 100%.Paper first introduces the background and significance of the power amplifier, power amplifier and then introduces the comparison between the other and, finally, the design and simulation of a class E power amplifier.This paper based on a MOS transistor designed high-efficiency Class E power amplifiers,to simulate the amplifier by using the AWR design environment and to analyze its efficiency, third-order intermodulation distortion and output power.Do an efficiency target of around 85% of the Class E power amplifiers.
Key Words: Class E power amplifier; AWR; High efficiency;
2. 功率放大器 查看完整请+Q:351916072获取
在发射机[2]中，信号经过调制以及变频后所得到的信号的功率不足，所以必须要一个放大器将信号提高，得到一定的功率后再由天线向外界发射。功率放大器是发射机的一个核心部分，占了发射机的60%-90%的功耗，这在很大的程度上决定了系统的性能。因此为了提高整个无线通信系统的性能，高效率的功率放大器是非常具意义非凡的。对于放大器的电路设计要考虑器件的模型、电路的结构、匹配网络、设计方法、封装形式等。要对最终的效率以及线性度达到一个平衡。因此放大器的设计可看成是一门艺术，有时往往要在作出取舍，这时有经验的人和没经验的人设计出来的效果就会有很大的区别。
2.1 功率放大器的研究背景及意义
当前无线电技术[3]的不断成熟，直接导致了社会追求小型化、便携化的趋势。在某些设备中都是由电池来供电，但是电池的电量是有限的，这就要求系统的功耗降低。在前面已经说到过放大器占到发射机的很高比例的功耗，所以通过另一种途径即提升效率也是很有效的。如下图2-1为无线通信系统中发射机的结构。
图2-1 无线通信系统发射机结构图
初始的信号经过调制器后与本地振荡器混频，已达到载波的频率，其中带通滤波器的作用是消除多余的谐波分量，最后通过放大器将信号增倍后由天线向外界发送。由此可见，在无线通讯发射系统中放大器这一部分是不可能却少的，不然信号达不到额定的功率注定不能传输出去。
在我们的身边都会有着各种个样的无线电，而这些无线电区别就在于各自不同的频段。对于相邻的频段就会产生干扰，为了追求最小化，就要求控制好待传输的信号频率。然而在电路中一些非线性的器件不可避免的会有失真，干扰有就会随之而来。在发射机当中功率放大器的非线性是普遍的，由此看来对于降低放大器的失真的研究是非常有必要的。再者，放大器的功率在实际当中并非非常高。在基站中有着相当大的一部分能量都会浪费，这是相当可观的。不但浪费还会加速设备的老化，提高修理的成本。对于放大器的效率的探索也是现如今的重点。
2.2 功率放大器的发展状况 F000235
在电子电路当中，最重要的射频功能即信号放大。在19世纪中期就有了雷达，出现了最早的信号放大的应用雷达。在如今，无线电技术的不断发展，让射频放大器是使用场所逐渐增加。在过去的几十年期间，放大器的技术在器件、计算机辅助工具（CAD）、工艺、封装以及应用方面取得了巨大的进步。因为无线领域的普遍使用，让低成本的放大器应用变为现实。
在技术角度讲：对于放大器而言非线性这方面为设计的不易之处。在二十世纪初期出现射频放大器的线性化方法研究，那时美国人提出了负反馈与前馈技术，随后便在放大器当中获得了运用。到了八十年代有了很多新兴的技术比如自适应前馈等。此外效率增益技术、功率合成技术、宽带技术等这些技术的发展不断的促进放大器的性能能的完善。
2.3功率放大器的主要参数
对于放大器的性能有很多特性可以衡量，其中重要的几个为工作频率、线性度、增益、输出功率、效率等。
2.3.1 工作频率
功率放大器的工作频率并不是随随便便就可以的，每一个国家都会有自己的规定，对于不同的频段都会有自己的用途。其各种指标都会在一个额定的频率范围来定义，我们把这个范围称为工作频率。
2.3.2线性度
对普通的线性放大器而言，在不考虑实际中的因素时其输出和输入是有一个线性的函数关系。然而实际的情况下却并非如此，特别是在很大的信号放大的时候，非线性会带来增益压缩以及其他频率分量等问题。下面为一些表征指标：
（1）1db压缩点
对于放大器而言1db压缩点[5]是非常重要的，代表着其最大的可用输出功率。如下图2-3-1所示，在输入信号相对较小的时候，增益基本不变，放大器可以看成线性的。然而当输入信号不断增加，达到某个点的情况下放大器的增益就会变缓，最后在一定的程度上趋于饱和。我们将线性情况下比实际情况下低1个db的点叫做1db压缩点。一般情况下我们将放大器的增益比线性时要小ldB的地方规定为ldB输出功率的压缩点。输出功率与这个点的下方的距离和线性度成正比，距离越是大那么就会越高，所以ldB压缩点不仅仅说明了功率容量，还可以说明其线性度。
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1. 引言 1
2. 功率放大器 2
2.1 功率放大器的研究背景及意义 2
2.2 功率放大器的发展状况 3
2.3功率放大器的主要参数 3
2.3.1 工作频率 3
2.3.2线性度 3
2.3.3功率增益和增益平坦度 4
2.3.4输出功率 5
2.3.5 效率 5
3. 功率放大器的分类 7
3.1 甲类功率放大器 7
3.2 乙类功率放大器 8
3.3 甲乙类功率放大器 9
3.4 丙类功率放大器 9
3.5 D类功率放大器 10
3.5.1 电流开关型D类功率放大器 10
3.5.2 电压开关型D类功率放大器 11
3.6 E类功率放大器 11
4. E类功率放大器的设计 12
4.1 E类功率放大器的原理 12
4.2 E类射频功率放大器设计步骤 14
4.2.1 器件的选择 14
4.2.2 设计匹配网络 14
5. E类功率放大器的仿真 16
5.1 AWR软件简介 16
5.2 电路仿真与调试 16
5.2.1直流扫描 16
5.2.2电路参数取值与图的绘制 17
5.2.3输出功率随着频率变化的测试 18
5.2.4三阶截点测试 20
5.2.5 效率的仿真 21
结论 23
参考文献 24
致谢 25 查看完整请+Q:351916072获取
功率放大器都追求低功耗、高效率。作为众多功率放大器当中的一种，E类功率放大器是开关形式的放大器。在理想的情况下，其漏极的效率可以达到100%。论文先介绍了功率放大器的背景与意义，接着介绍了其他功率放大器之间的比较，最后是E类功率放大器的设计与仿真。本文基于MOS管设计了一种高效率E类功率放大器，并且利用AWR软件对功率放大器进行仿真以及对其效率、三阶互调失真和输出功率等进行分析。目标的做到一个效率在85%左右的E类功率放大器。
关键字：E类功率放大器 AWR 高效率
With the rapid development of information industry, requires of a wireless communication system is constantly improving.A very important component of the RF power amplifier of a radio communication system, its role is to convert the DC power to a DC power output signal.Nowadays the design of a high-performance power amplifier is that people pay close attention to the issue.
Today, the pursuit of power amplifiers have low power consumption, high efficiency.As a power amplifier, E power amplifier is a switching amplifier form.In the ideal case, the drain efficiency can reach 100%.Paper first introduces the background and significance of the power amplifier, power amplifier and then introduces the comparison between the other and, finally, the design and simulation of a class E power amplifier.This paper based on a MOS transistor designed high-efficiency Class E power amplifiers,to simulate the amplifier by using the AWR design environment and to analyze its efficiency, third-order intermodulation distortion and output power.Do an efficiency target of around 85% of the Class E power amplifiers.
Key Words: Class E power amplifier; AWR; High efficiency;
2. 功率放大器 查看完整请+Q:351916072获取
在发射机[2]中，信号经过调制以及变频后所得到的信号的功率不足，所以必须要一个放大器将信号提高，得到一定的功率后再由天线向外界发射。功率放大器是发射机的一个核心部分，占了发射机的60%-90%的功耗，这在很大的程度上决定了系统的性能。因此为了提高整个无线通信系统的性能，高效率的功率放大器是非常具意义非凡的。对于放大器的电路设计要考虑器件的模型、电路的结构、匹配网络、设计方法、封装形式等。要对最终的效率以及线性度达到一个平衡。因此放大器的设计可看成是一门艺术，有时往往要在作出取舍，这时有经验的人和没经验的人设计出来的效果就会有很大的区别。
2.1 功率放大器的研究背景及意义
当前无线电技术[3]的不断成熟，直接导致了社会追求小型化、便携化的趋势。在某些设备中都是由电池来供电，但是电池的电量是有限的，这就要求系统的功耗降低。在前面已经说到过放大器占到发射机的很高比例的功耗，所以通过另一种途径即提升效率也是很有效的。如下图2-1为无线通信系统中发射机的结构。
图2-1 无线通信系统发射机结构图
初始的信号经过调制器后与本地振荡器混频，已达到载波的频率，其中带通滤波器的作用是消除多余的谐波分量，最后通过放大器将信号增倍后由天线向外界发送。由此可见，在无线通讯发射系统中放大器这一部分是不可能却少的，不然信号达不到额定的功率注定不能传输出去。
在我们的身边都会有着各种个样的无线电，而这些无线电区别就在于各自不同的频段。对于相邻的频段就会产生干扰，为了追求最小化，就要求控制好待传输的信号频率。然而在电路中一些非线性的器件不可避免的会有失真，干扰有就会随之而来。在发射机当中功率放大器的非线性是普遍的，由此看来对于降低放大器的失真的研究是非常有必要的。再者，放大器的功率在实际当中并非非常高。在基站中有着相当大的一部分能量都会浪费，这是相当可观的。不但浪费还会加速设备的老化，提高修理的成本。对于放大器的效率的探索也是现如今的重点。
2.2 功率放大器的发展状况 F000235
在电子电路当中，最重要的射频功能即信号放大。在19世纪中期就有了雷达，出现了最早的信号放大的应用雷达。在如今，无线电技术的不断发展，让射频放大器是使用场所逐渐增加。在过去的几十年期间，放大器的技术在器件、计算机辅助工具（CAD）、工艺、封装以及应用方面取得了巨大的进步。因为无线领域的普遍使用，让低成本的放大器应用变为现实。
在技术角度讲：对于放大器而言非线性这方面为设计的不易之处。在二十世纪初期出现射频放大器的线性化方法研究，那时美国人提出了负反馈与前馈技术，随后便在放大器当中获得了运用。到了八十年代有了很多新兴的技术比如自适应前馈等。此外效率增益技术、功率合成技术、宽带技术等这些技术的发展不断的促进放大器的性能能的完善。
2.3功率放大器的主要参数
对于放大器的性能有很多特性可以衡量，其中重要的几个为工作频率、线性度、增益、输出功率、效率等。
2.3.1 工作频率
功率放大器的工作频率并不是随随便便就可以的，每一个国家都会有自己的规定，对于不同的频段都会有自己的用途。其各种指标都会在一个额定的频率范围来定义，我们把这个范围称为工作频率。
2.3.2线性度
对普通的线性放大器而言，在不考虑实际中的因素时其输出和输入是有一个线性的函数关系。然而实际的情况下却并非如此，特别是在很大的信号放大的时候，非线性会带来增益压缩以及其他频率分量等问题。下面为一些表征指标：
（1）1db压缩点
对于放大器而言1db压缩点[5]是非常重要的，代表着其最大的可用输出功率。如下图2-3-1所示，在输入信号相对较小的时候，增益基本不变，放大器可以看成线性的。然而当输入信号不断增加，达到某个点的情况下放大器的增益就会变缓，最后在一定的程度上趋于饱和。我们将线性情况下比实际情况下低1个db的点叫做1db压缩点。一般情况下我们将放大器的增益比线性时要小ldB的地方规定为ldB输出功率的压缩点。输出功率与这个点的下方的距离和线性度成正比，距离越是大那么就会越高，所以ldB压缩点不仅仅说明了功率容量，还可以说明其线性度。
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1. 引言 1
2. 功率放大器 2
2.1 功率放大器的研究背景及意义 2
2.2 功率放大器的发展状况 3
2.3功率放大器的主要参数 3
2.3.1 工作频率 3
2.3.2线性度 3
2.3.3功率增益和增益平坦度 4
2.3.4输出功率 5
2.3.5 效率 5
3. 功率放大器的分类 7
3.1 甲类功率放大器 7
3.2 乙类功率放大器 8
3.3 甲乙类功率放大器 9
3.4 丙类功率放大器 9
3.5 D类功率放大器 10
3.5.1 电流开关型D类功率放大器 10
3.5.2 电压开关型D类功率放大器 11
3.6 E类功率放大器 11
4. E类功率放大器的设计 12
4.1 E类功率放大器的原理 12
4.2 E类射频功率放大器设计步骤 14
4.2.1 器件的选择 14
4.2.2 设计匹配网络 14
5. E类功率放大器的仿真 16
5.1 AWR软件简介 16
5.2 电路仿真与调试 16
5.2.1直流扫描 16
5.2.2电路参数取值与图的绘制 17
5.2.3输出功率随着频率变化的测试 18
5.2.4三阶截点测试 20
5.2.5 效率的仿真 21
结论 23
参考文献 24
致谢 25 查看完整请+Q:351916072获取
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