高效率音频功率放大器的设计

本文是基于高效率的音频功率放大器出发，从功放类型的选择，D类功放的构成、PWM调制原理及具体电路的设计等多方面进行了具体的设计分析，并具体制作，设计调试效果理想，是一款很理想的音频功率放大器。

高效率音频功率放大器的设计

以D类放大器的原理为基础,设计了一个高效率音频功率放大器,用于对通频带范围为0.002～20 kHz的音频信号进行功率放大。功率放大部分采用+5 V单电源供电,主要由前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出模块构成。整个功放电压放大倍数1～90倍连续可调,效率可达82.0%。在8Ω负载上,最大输出功率为1.24 W,输出波形几乎无失真。系统可测量放大器输出功率并实时显示出来,精度优于4%。此外,还增加了过流保护的功能,负载短路时自动切断功放电源。该音频功率放大器由于其高效率和低耗电的特点在实际中有很好的应用前景。

基于D类放大的高效率音频功率放大器设计

当前D类放大器芯片的功率形式具有多元化的特点,且被广泛应用在各个领域中,合理分析其原理并研究设计模式具有重要意义。因此本文研究基于D类放大的高效率音频功率放大器整体架构设计,分析设计的措施,提出整体方案设计建议、强化软件系统设计建议和前置放大电路的设计建议,旨在为相关放大器的普及运用提供帮助。

高效率音频功率放大器评述

《高效率音频功率放大器》(D题)的任务是设计一个在5V电源电压工作的音频功率放大器,要求最大正弦波信号输出功率不小于1W,在中、低功率输出(500mW,200mW)时,有尽量高的效率,并要求在尽量低的电源电压下可以工作。其目的是设计一个适于电池供电的、节电的功率放大器。对于这样的题目要求,本题限制使用D类集成功放,因而必须自己设计D类功放。由于高性能功率场效应管的应用已经很普遍了,因此本设计任务的关键部分是开关控制电路的设计,它直接关系到效率、低电压工作特性指标。

基于简易实频技术的宽带高效率功率放大器设计

为了满足5G通信系统对功率放大器带宽和效率的要求,基于CGH40010F晶体管,采用简易实频技术,设计了一款工作在n77频段(3.3 GHz~4.2 GHz)的宽带高效率功率放大器。首先采用负载牵引的方法对各频点的基波最佳阻抗值以及二次谐波阻抗空间进行提取,选择简易实频技术设计宽带匹配网络,在其仿真性能良好的前提下,进行了加工测试。测试结果表明,该功率放大器在3.3 GHz~4.2 GHz频段内,漏极效率为58.1%~64.5%,增益为11.1 dB~12.9 dB,饱和输出功率为39.6 dBm~41.3 dBm。该功率放大器的性能良好,且带宽和效率具有一定的优势,可为后续宽带高效率功率放大器的设计提供参考。

一种V波段高效率5W GaN功率放大器MMIC

基于0.13μm SiC基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,设计了一款V波段GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC采用三级放大拓扑结构以满足增益需求;使用高低阻抗微带传输线进行阻抗匹配,通过威尔金森功分器/合成器完成功率放大器的末端功率合成;通过对晶体管宽长比的设计与多胞晶体管的合成,实现了功率放大器的高功率稳定工作和高效率输出。经过测试,在59~61 GHz频率范围内,在占空比为20%、脉宽为100μs时,该功率放大器MMIC的饱和输出功率达到37 dBm以上,功率附加效率(PAE)大于21.1%,功率增益大于17 dB;连续波测试条件下输出功率大于36.8 dBm, PAE大于21%。该设计在输出功率和PAE上具有一定的优势。

一种双频高效率滤波功率放大器设计

为了解决无线终端难以选择无线工作频率发射信号以及发射机对带外信号抑制不足的难题,设计一种具有二次谐波抑制的双频高效率滤波功率放大器,提出了双功能双频阻抗控制器和双频滤波阻抗变换器的结构及设计方法,通过解析计算方式获取了该结构的全部设计参数.电磁仿真结果表明,工作频率为1.785GHz和2.415GHz的输出功率分别为40.8dBm和40.1dBm,漏极效率分别为62.9%和60.8%,增益分别为10.8dB和10.1dB,在二次谐波频率3.57GHz和4.83GHz的抑制分别达到43.7dBc和69.7dBc.

两个可调节传输零点的双频高效率功率放大器设计

为了解决矿井下多频无线终端中双频功率放大器极易干扰其他终端的难题,提出具有两个可调节传输零点的双频高效率功率放大器设计方法.该双频阻抗变换电路由解析的计算方式获得全部设计参数,同时可通过调节两个自由变量将全部的传输线特性阻抗参数调整到合适范围,另外还将二次谐波控制电路和两个传输零点产生电路融合到双频基波阻抗变换电路中.仿真结果表明,在0.7 GHz和2.6 GHz的最大功率附加效率为81.0%和71.5%;当输入功率分别为25.5 dBm和29.5 dBm时,在0.9 GHz和2.1 GHz两个频率相应的输出功率分别为-0.9dBm和-22.9dBm,从而验证了本文设计方法的有效性.

V波段2W高效率GaN功率放大器MMIC的研制

由于氮化镓(GaN)具有高功率密度特性,因此GaN功率放大器在毫米波领域得到快速发展,其性能不断提升。基于此,采用0.13μm GaN工艺,研制了一款V波段高效率的GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC),对0.13μm GaN工艺和器件进行阐述。对功率放大器设计和制作进行研究,包括功率放大器的架构、电路实现以及功率合成和版图实现,并对功率放大器进行测试和结果分析,包括小信号特性和大信号特性。该功率放大器在40 GHz~75 GHz频段内,其饱和输出功率大于2 W,附加效率大于15%,功率增益大于18 dB,可广泛应用于毫米波雷达和通信领域。

基于阶跃式匹配结构与谐波控制技术高效宽带GaN HEMT射频功率放大器设计

针对射频功率放大器存在的效率及带宽问题,文中设计了一款高效宽带GaN HEMT功率放大器(power amplifier,PA),采用阶跃式匹配结构实现其输入输出匹配网络设计,结合典型的十字型谐波控制技术实现了二、三次谐波的控制,极大地提高了输出效率。以GaN HEMT晶体管为核心器件,通过设置合适的偏置网络和匹配网络结构实现了电路设计。仿真结果表明,在2.3~2.9 GHz内其输出功率(P_(out))为41~42.1 dBm,增益(Gain)达12~13.1 dB、漏极效率(drain efficiency,DE)达69.1%~77.7%、功率附加效率(power added efficiency,PAE)达67.1%-74.3%。

大功率高效率星载固态功率放大器研究

针对卫星系统对于微波大功率放大器的需求,研制了L频段200 W高效率固态功率放大器,对其设计方法和关键技术进行了详细论述。应用低温共烧多层陶瓷技术,实现了射频电路的高集成和小型化;基于第三代半导体器件,应用波形赋形及线性补偿技术,提升了射频电路的功率和效率;采用移相全桥拓扑,研制了高效率、大功率二次电源。在1.45~1.55 GHz的频带范围内,固放整机输出功率大于200 W,效率高于60%,3阶交调优于18 dBc,同时具备30 dB增益可调,360°内步进5.6°的相位可调能力。试验结果表明,该固放为目前国内星载领域连续波功率和效率最高的单机。

基于谐波控制网络的双频高效率功率放大器

提出了一种基于寄生网络的双频高效率阻抗型连续J类功率放大器,采用多根带枝节微带线结构来控制双波段基波匹配和二次谐波抑制,实现了基于晶体管电流源平面的双频基波匹配和二次谐波控制网络的简化,且将晶体管漏极处的最优复阻抗转换为实阻抗,便于双频匹配,最后通过双频输入输出阻抗匹配网络达到良好的传输效果,并进行了加工测试。测试结果表明,在漏极直流电压为28 V,栅极电压为-2.53 V的偏置条件下,该功率放大器在2.4 GHz和3.5 GHz两个工作频率下的小信号增益为15.4 dB和12.7 dB,大信号参数方面实现了40.4 dBm和39.5 dBm输出饱和功率,两个频率的峰值效率分别为63.7%和60.3%。

基于紧凑型微带谐振单元的大功率高效率小型化功率放大器

介绍了大功率高效率功率放大器(功放)在实际设计时面临的晶体管寄生效应问题,并通过引入晶体管封装寄生模型对本征端阻抗进行等效迁移,进而提高了输出匹配网络设计的便捷性。提出一种基于紧凑型微带谐振单元的电路设计方法及其传输线拓扑结构,其中,紧凑型微带谐振单元的作用是提供功放在三次谐波所需的开路点,从而通过调谐传输线满足相应阻抗条件。其优点还包括:基波频率下插入损耗低、效率高;实际物理尺寸小,可满足小型化需求。为了更好地验证上述理论,基于10 W GaN HEMT CGH40010F晶体管和大功率高效率E/F开关类功放在2.2 GHz的工作频率下进行了具体的电路设计。仿真结果表明,该款功放的最大功率附加效率可达78.4%,最大输出功率可达40.1 dBm,功率增益为12.1 dB。

C波段高效率小型化GaN 150W功率放大器载片设计

介绍了一种C波段高效率GaN功率放大器的设计流程。该功率放大器为满足小型化尺寸要求,采用高介电常数的钛酸锆陶瓷实现功分器匹配电路,通过无源集总元件(integrated passive device,IPD)技术,创新性地将栅极匹配电容和二次谐波匹配网络集成在同一芯片尺寸内,采用Lange电桥合成构成平衡结构的小型化功率放大器载片。整个功率放大器在15.0 mm×9.2 mm×2.0 mm的载体内实现。测试结果显示,在工作电压36 V、输入功率40 dBm、脉宽1 ms、占空比30%条件下,4.4 GHz~5.0 GHz频带内饱和输出功率在145~166 W,功率增益在10~10.6 dB,功率附加效率大于56%,最高功率附加效率达到59.3%。

P波段高效率CaN功率放大器内匹配技术研究

受波长限制,P波段GaN功率放大器一般采用外电路匹配的结构形式,无法满足装备小型化和轻量化的需求。为解决大波长功率器件的小型化、宽带宽和高效率难题,采用无源电感、电容、功分器等一体集成的GaAs无源电路匹配技术和高介电常数印制电路板(printed circuit board,PCB)与芯片电容的异构集成技术,大幅提高输入输出匹配电路的带宽与集成度,实现了50Ω端口阻抗匹配,解决了P波段放大器内匹配技术难题。所研制P波段GaN内匹配放大器集成封装于内腔尺寸为13.6 mm×13.6 mm的金属陶瓷管壳内,在0.38 GHz~0.70 GHz频带内、工作电压28 V、工作脉宽100μs、占空比10%的工作条件下,带内输出功率大于120 W,功率增益13.1~13.8 dB,附加效率为76%~82%的性能指标。

基于谐波控制的Doherty功率放大器设计

功率放大器是无线通信里面重要的射频前端电路。为满足现代无线通信对功率放大器高效率的要求,首先基于谐波控制理论分析,设计了一种新型谐波控制电路,此新型谐波控制电路可对功率管产生的封装寄生参数进行补偿,也可对二次谐波、三次谐波进行谐波控制,提高了Doherty功率放大器效率。随后,针对传统Doherty功率放大器限制带宽的问题,提出了采用后匹配结构的方式设计Doherty功率放大器,提高了Doherty功率放大器的带宽。最后,采用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计一款Doherty功率放大器并进行测试。在1.85~2.15 GHz工作频带内,Doherty功率放大器输出功率可达到44.3~44.8 dBm,增益为12~15 dB,输出漏极效率(DE)大于75%,6 dB回退效率大于60%。结果表明,提出的Doherty功率放大器在效率方面具有显著优势。

L波段F类高效率载片式功率放大器设计

为解决传统F类功率放大器受晶体管输出电容和输出电感影响,导致调谐匹配网络结构复杂的问题,提出了一种紧凑型的输出调谐匹配电路结构。通过分析基波匹配电路的阻抗特性,在谐波频率处可将其等效为一段有限的到地电抗。在设计谐波匹配电路时,将该电抗元件与谐波匹配电路进行协同设计,避免引入多余的元件来消除基波匹配网络对谐波匹配网络的影响,减小了功放的整体面积。最后,仅引入一个LC串联谐振网络,实现对输出二次\\三次谐波的控制以提高输出效率。基于该电路结构,采用0.25μm GaN HEMT管芯设计了一款L波段高效率功率放大器,并且使用内匹配技术在7 mm×8 mm铜-钼-铜载片上实现。实测结果表明,在漏源电压28 V、10%占空比的脉冲输入的工作条件下,该功率放大器在1.18~1.42 GHz频带内实现饱和输出功率48.1~48.4 dBm,功率附加效率61%~63%,功率增益大于26 dB。该结构在提高效率的同时,降低了电路复杂度。

基于谐波抑制的小型化高效率功率放大器设计

针对传统VHF波段功率放大器存在的体积大、效率低、谐波干扰严重等问题,利用集总参数元件设计了一款工作于该波段的小型化、高功率、高效率功率放大器。通过在功率放大器的输出匹配电路中引入多级LC谐振网络,实现了对谐波分量的有效抑制,提高了功率放大器的线性度和效率,也改善了电磁兼容性。实物测试结果表明,该功率放大器的饱和输出功率约为44.9 dBm,饱和功率增益为14 dB,功率附加效率为62%,性能优良,具有较好的实际工程应用价值,可广泛应用于航空、航天等领域。

2-6 GHz小型化、高效率GaN功率放大器

基于GaN功率放大器小型化、轻薄化的发展趋势,选用陶瓷方形扁平无引脚(CQFN)管壳封装,设计了一种2~6GHz宽频带、小尺寸、高效率的功率放大器,并阐述了设计方法和研制过程。随着器件功率密度的不断升高,散热问题成为设计中不可忽略的因素,分别采用热仿真分析及红外热成像测试方法,得到功率放大器芯片的最高温度为198.61℃,能满足散热需求。功率放大器尺寸为7.0mm×7.0mm×1.2mm,在连续波测试条件下,漏极电压为28V,工作频带为2~6GHz,饱和输出功率大于40.5dBm,功率增益大于23dB,功率附加效率大于35%,测试结果均满足实际需求。

C波段高效率内匹配功率放大器设计

阐述了一款内匹配功率放大器的设计过程和测试结果。该放大器工作在5~5.8 GHz,采用氮化镓HEMT工艺,在28 V漏极供电电压下实现了48 dBm输出功率和55%功率附加效率。同时,该内匹配放大器将栅极和漏极偏置电路设计在芯片内部,无需在外部设计偏置电路,在保证功放性能的同时实现了小型化。该设计充分体现了GaN内匹配电路的高功率、高效率、小型化的优势。