浅析开关类功率放大器研究现状

王测天 童 伟 吕继平 邬海峰* 林 倩

1.成都嘉纳海威科技有限责任公司 四川 成都 610073

2.青海民族大学 青海 西宁 810007

1 引言

随着环保意识的提升，节能减排收到持续关注，因此无线通信系统的节能技术成为运营商需要面对的核心问题。作为通信系统的重要部分，移动基站的节能理念已经成为业界共识。功率放大器(PA)是基站中最重要的组成部分，也是最耗能的模块，因此提升PA效率是实现绿色基站的关键。随着5G通信技术的成熟，PA不断面临着带宽和效率指标的挑战，开关类功放(SMPA)因其高效率特性成为了业内关注焦点。

根据PA不同的工作方式，可以将其分为不同种类。传统的线性PA分为A、B、AB和C类，它们以不同的导通角来区分，并且线性度较高，但是效率较低。典型SMPA分为D、D-1、E、E-1、F、F-1类，以及衍生出了J类、连续F等类。理想状态下典型SMPA的晶体管工作于开关状态，其电压和电流不存在重叠，功率耗散为零，由此可以达到理论上100%的效率。同时，效率和线性度往往是一对两难兼顾的指标，由于SMPA的晶体管往往工作于饱和区，线性度较差，所以它更适合于调制对线性度要求较弱的恒包络信号。

2 SMPA研究现状分析

早在1958年D类功放就出现了，其结构与推挽B类功放很相似，可分为电压型和电流型。电压型D类PA采用晶体管固有的输出电容充放电，其在高频下晶体管的开关延时不可忽略，电压和电流的重叠也不可避免。由于晶体管输出电容是主要的损耗因素，这就使得该类功放更适用于低频MHz频段。电流型D类功放是在2001年由Kobayashi等人首次提出并实现的[1]，它可在高频时实现高效率，这主要是因为其输出端采用并联的储能电路代替串联滤波网络，晶体管输出电容被并入输出电路匹配网络中，使得晶体管输出电容不再是主要耗能因素，故电流型D类功放可工作于1GHz甚至更高的频率。虽然D类功放有很多优点，但在更高频条件下，推挽管功率合成的传输线变压器会很难实现，加上晶体管导通电阻和串联谐振元件的损耗，故D类功放在高频领域并不适用，通常用于音频放大作用。

由于D类功放并不适用于高频领域。针对这个问题，在1975年由N.O.Sokal提出了E类功率放大器[2]。通过对开关的电压波形整形，使开关在导通的瞬间，开关上的电压和电压变化的斜率都近似为0，功放管的漏极电压和电流波形不出现交叠，从而使功放管的能耗为0。但是，E类功放对晶体管的要求十分苛刻，由于其漏极峰值电压约为电源电压的3.6倍，故其对功放管的耐压性能要求很高，由此限制了E类功放的实际电路设计。在2005年，由T.Mury提出了一种新的E类功放对偶结构，即逆E类功率放大器[3]。这种结构的漏极峰值电压较低，约为电源电压的2.9倍，由此便降低了对功放管耐压性的要求。

F类功率放大器其实是B类功率放大器的演变，是B类功放的一种深度调谐类型。它使用输出滤波器对晶体管漏端电压谐波或者电流谐波的成分进行控制，调整晶体管漏端的电压波形或者电流波形，漏极电压波形近似方波，电流近似为半正弦波，使得它们没有重叠区，从而减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。同时F类功放不需要开关驱动信号，在实际应用中有比E类功放高10%的效率和更低的电源电压，从而使低功耗高效率成为了现实。正是由于这些因素，F类功放在无线系统应用中变得非常流行。逆F类功率放大器，是F类功放电流电压波形的变换，即漏极电压波形近似半正弦，电流近似为方波。

J类放大器最早源于2001年F.H.Raab在一篇论文[4]中的想法，随后由S.C.Cripps在2006年首次提出了J类功率放大器的概念[5]。J类功率放大器是将功放管偏置在深度AB类接近B类放大器的状态。同时，通过调整电路的结构单元使得晶体管的基频输出阻抗为复阻抗，并且二次谐波输出阻抗为纯电抗性。由于其接近B类状态，其二次以上的谐波可以被Cds电容短路。而且，在基频与二次谐波的共同作用下，J类功放的电压输出呈现出良好的半正弦波形。由于J类功放的基频输出阻抗为复阻抗，这就使漏极交流电压可以免受膝点电压影响，从而避免了跨导骤减带来的非线性现象。

同J类功放相比较，连续F类功放最早源于2010年V.Carrubb在第40届欧洲微波会议中发表的一篇论文[6]中的想法，随后又在2011年发表了第一个宽带高效的连续F类的论文[7]。对宽带J类功放和F类功放的共同研究推进了连续F类放大器的发展。其核心问题就是通过设计优化基波负载阻抗的电抗虚部，同时改变输出电路二次谐波阻抗相位响应模式，从而得到类似于典型F类放大器模式的设计方法。

3 总结

就目前的研究状态来看，业界对于D、E、F类功放的研发较为成熟，然而Doherty技术仍然是目前高效、高线性功放的首选方案。各大晶体管生产商及基站架构设计公司的研发重点会明显趋向于高效率、高线性度、宽带的SMPA，如J类功放等。在未来通信领域的发展中，绿色基站已经成为一种趋势。而开关类功放由于其高效宽带等突出优点，必定会在各种“绿色基站”的解决方案中发挥重要的作用。