基于Volterra级数的功率放大器偏置电路优化设计_柴仁磊.pdf

文章编号：1009 444X（2022）04 0378 05基于 Volterra 级数的功率放大器偏置电路优化设计柴仁磊，肖曼琳，蔡丽媛（上海工程技术大学 城市轨道交通学院,上海 201620）摘要：以 Volterra 级数为理论基础，根据 AB 类功率放大器的特点，采用混合 型等效电路对共射放大电路进行建模.对功放中的非线性元件进行具体描述与分析，从而获得放大器电路的系统行为模型.提出一种基于 Volterra 级数和基尔霍夫电流定律(KCL)的优化设计方法，快速找出最佳偏置参数.设计一个工作频率在 850 MHz 的射频放大器，并计算出工作在兼顾放大器效率和 线 性 的 最 佳 输 入 偏 置 大 小 为 6，此 时 输 出 的 P1dB 为 23.4dBm（1 mW 为 基 准 功 率）.Multisim 电路仿真证明了理论分析结果.关键词：共射放大电路；Volterra 级数；行为模型；偏置电路；电路仿真中图分类号：TN722.75 文献标志码：ABias circuit optimization design of power amplifierbased on Volterra seriesCHAIRenlei，XIAOManlin，CAILiyuan（School of Urban Railway Transportation,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China）Abstract：Based on the Volterra series,a hybrid type equivalent circuit was used to model the common-emitter amplification circuit according to the characteristics of the Class AB power amplifier.The nonlinearcomponents in the amplifier were described and analyzed to obtain a model of the system behavior of theamplifier circuit.An optimized design method was proposed based on Volterra series and Kirchhoffs currentlaw(KCL)to find the optimal bias parameters quickly.A RF amplifier operating at 850 MHz was designed andthe optimal input bias size for operation taking into account both the efficiency and linearity of the amplifierwas calculated to be 6 ohms,and the output P1dB was 23.4dBm(the reference power is 1 mW).Multisimcircuit simulation proves the results of the theoretical analysis.Key words：common-emitter amplification circuit；Volterra series；behavioral model；bias circuit；circuitsimulation.现代无线通信传输系统对无线射频和高功率信号放大器的线性程度提出更高的技术要求.怎样设计开发出具有比较优异的附加效率以及失真少的功率放大器是研究的主要方向.传统的线性解决方法是使输入功率维持在线性区域，不进入饱和区，但这会对附加效率有很大 收稿日期：2022 05 08作者简介：柴仁磊（1995 ），男，在读硕士，研究方向为功率放大器线性化分析.E-mail：通信作者：肖曼琳（1981 ），女，讲师，博士，研究方向为信号检测和通信系统.E-mail： 第 36 卷 第 4 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol.36 No.42022 年 12 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEDec.2022影响，影响其经济性.现有的线性化新技术是在电路中增加新模块，例如预失真技术是在放大器前端增加一个与晶体管失真曲线相反的模块，但这难免会使设计电路更加困难.本研究针对使用范围相当广泛的 AB 类射频功率放大器，设计一种较为简便的电路匹配，改善输出的失真.AB 类放大方式适用于信号工作在不同点的最大频率电流变化，在各种功率放大器（PowerAmplifier,PA）中，表现最突出的是当信号输入端的功率电流变化增加时，流经功率放大二极管的平均电流和输出功率电流也随之增加.因此 AB 类型的 PA 可以在大功率小信号作为输入的工作情况下，保证工作点的电流低，提高工作效率；在采用这种大功率进出输入的工作情况下，工作点温度明显升高，提升了工作线性1 2.为有效改善 AB 类 PA 的工作性能，有必要深入研究各不同工作点之间温度的转化变动及规律.需要注意的是，AB 类 PA 在同一信号工作点的工况下，放大器随输入功率发生变化会自动产生不同的自偏置放电效应3 4.Volterra 级数法是一种高效的非线性分析方法.它能够进行频域化分析，很好地契合了工程科学技术的研究领域.本研究从电路理论层面详细阐述了偏置电路与功放线性度的关系.着重从共射放大电路的等效模型出发，对其进行 Volterra 级数的建模与求解.借用 Multisim 仿真软件对建模分析出的结论进行有效性验证，从而提供一种可以改善线性度的设计思路，达到改善功率放大器自身的线性程度的目的5.1 偏置电路与功放线性度 1.1 功放线性度指标在众多放大设备中，常见的元件大多具有非线性，其主要功能通过放大电路工作而实现，如谐波混频器等.一个理想的 PA 是绝对线性的，即输出信号的放大倍数不会随着输入功率的变化而产生任何畸变，但现实工业中并不存在这样完美的放大器，即输出信号的放大倍数会随着输入信号的改变而发生失真，这就是非线性.幅度失真 AMAM 是一种泛指信号输入和信号输出功率之间的非线性失真关系.理想的线性G0GP1dB功率增益称为信号的增益.但当输入功率不断增大时，输出的非线性也会随之愈发突出.如图 1所示，当增益下降至比较小信号的增益少 1 dB时，此时输出功率统称为 P1dB 或6 7，它是衡量系统非线性的一个重要指标.G,PoutPinAM-AM1 dBG0GP1 dB图 1 AMAM 与P1dBFig.1 A diagram of AMAM and P1dB 1.2 偏置电路对功放线性度的影响将每个 PA 按其所有工作点的特征划分为静止工作点和动态工作点.静态偏置工作点主要电压由输电放大器外部的两个静态偏置控制电路的电压决定.放大电路动态工作点是 2 个分量之和，会产生一个直流谐波分量，该直流信号余弦波会在这个动态直流分量上相互叠加，构成 PA 的一个特殊的动态工作点.可以清楚地观测出，PA 中各种动态下的每个工作点都可能随着放大器输入大小的细微浮动而发生改变8 9.RbRbicRbRbRbRb共射发射电路结构的动态放大器如图 2 所示.输入端偏置电阻的作用是：作为 PN 结实现晶体管内部充电放电的重要因素，其通过改变电流流经基本区域的大小，使各种不同动态电路接触点和静态放大器的工作性能发生明显变化.过大会在输入端产生干扰现象，使流经基极的 上升速度低于理想速度，导致放大器偏离工作状态.趋近于无穷大时，基区电流大小不变，所以它在工作时将保持电流恒定.过小时，输出误差会导致单个输入输出信号在偏置输入电路中输出损耗太多，使多个输出输入信号同时流经晶体管时不能支撑电路维持在最佳工作状态，抑制了整个放大器各工作点的精度提升，同时损失了整个放大器的输出增益.当减小到 PA 极限，即 0 时，无任何输入自动投入输送到整个放大输出管.综上可知，无论趋近于无穷大或者无穷小，都将抑制工作点的上移.因此，设计时需对偏置电阻参数做相应优化，精确选定工作点.第 4 期柴仁磊 等：基于 Volterra 级数的功率放大器偏置电路优化设计 379 2 等效电路分析及其非线性 Volterra级数建模 2.1 Volterra 级数Volterra 级数的本质是用一个泛函序列来逼近一个连续泛函，在工程科学技术研究领域有较好应用10.vs假设非线性系统的输入为，公式为vs=Qq=1Eqejqt（1）Vo则非线性系统的输出可表示为vo(t)=k=1Vo,k(t)（2）Vo,kk式中：为系统的 阶响应，公式为Vo,k(t)=Qq1=1Qqk=1Eq1EqkGk(q1,qk)ej(q1+qk)t（3）Gk(q1,qk)k式中：为系统的 阶传递函数11.2.2 共射放大电路的等效模型对任何一个正常工作情况下的晶体管放大器来说，当输入高频信号的放大频率倍数增加至一个等频范围时，它的最佳信号放大频率倍数总和比在低频工作时增加更多，且放大频率倍数增加的范围越高时，最佳信号的放大频率倍数就越低.所以当一个频率不断地继续放大至某一特定频率数时，晶体管有可能逐渐丧失频率放大作用，这是因为根据晶体管内部载入电流子的频率运动变化规律，它们主要通过基区内部发射结电路进行能量扩散，通过内部集电结电路进行能量收集后再将其传递反馈给外部电路，其中基区发射结、集电结两个新的 PN 发射结都具有发射电容扩散效应(两个 PN 发射结同样具有相同的发射电容).虽然该结的电容容量非常小，但在高频条件下工作时却可能呈现出比较低的电磁阻抗，部分载流子不按上述规律进行运动，使发射结的输出效率及集电结的接收效率下降12.晶体管共用的射频和混合高频 参数等效高频电路，是目前分析晶体管高频等效电路时比较常见的参数等效高频电路.其中电子元件分别映射管中可能发生的特殊电子物理学运动及其变化，采用此电路可同时进行多种物理矢量仿真.混合 模型从晶体管的物理结构出发，对晶体内部制作工艺及物理架构进行了考量，其中繁复的相互影响可以运用参数元件 R、C 和受控源来统一描述概括.本研究设计一个工作频率在 850 MHz的单级共射结构放大器，采用异质结双极晶体管（HBT）结构.PA 等效物理模型如图 3 所示.vsRsRbvirberbbCbeirbeicbevbeCbcigmgmZoicCin图 3 共射极放大器非线性等效模型Fig.3 Nonlinear equivalent model of common-emitter amplifier rbebeCbebeCbcbcrbbgmvsRsZoCinRbrbe、gm、Cbe图中元件定义如下：1)为结电阻；为结电容；2)为结电容；3)为基极体电阻；为跨导；4)为源电压；为电源内阻；5)为负载阻抗；6)为输入端隔直电容，为偏置电阻13.非线性元件有 3 个：.rbe上的电流依赖于 BE 结电压可以由泰勒级数展开表示为irbe=g1vbe+g2vbe2+g3vbe3（4）gmrbe由跨导产生的电流为流经电流的倍，为电流放大倍数.公式为igm=g1vbe+g2vbe2+g3vbe3（5）Cbe上的电荷可以展开表示为qcbe=Cbe1vbe+Cbe2vbe2+Cbe3vbe3（6）2.3 电路非线性 Volterra 级数的求解基于图 3 中 Volterra 级数混合 型等效电路模型，由基尔霍夫电流定律可得电路方程为 VsRsRbVbVccZoicCinoutputOutputmatch图 2 共射极放大器Fig.2 Common-emitter amplifier 380 上 海 工 程 技 术 大