放大器是一種把“某物”變大的裝置。它就像一個放大鏡。這放大了什么?它通常放大(放大)電流或電壓或功率如下圖所示。

功率放大器的基本作用

射頻功率放大器的類型

這些天似乎越來越難找到應用/產(chǎn)品使用放大器作為一個單獨的組件(離散組件)，因此我發(fā)現(xiàn)很難找到這樣的工程師誰有處理離散放大器的經(jīng)驗。在大多數(shù)產(chǎn)品中，特別是移動通信產(chǎn)品中(e。大多數(shù)放大器(尤其是接收鏈放大器)集成到各種射頻集成電路中。少數(shù)情況之一，你仍然可以看到一個離散放大器(如(a)~(e))將發(fā)射機鏈的最后階段功率放大器。你不能把這個功率放大器集成到射頻集成電路的原因是它產(chǎn)生了太多的熱量。

在其他一些應用中，你仍然可以看到離散放大器(或一個模塊，其中一對離散放大器是主要組成部分，如(f)~(k))將是一個系統(tǒng)，需要非常高的功率傳輸（比如電信轉發(fā)器，移動通信系統(tǒng)的各種基站)。

最近，即使是這樣的大功率放大器也開始裝備各種控制電路和接口，比如以太網(wǎng))，可以安裝在位于高塔頂面的天線旁邊(比如基站)。這種放大器(實際上，我可以稱它為一個放大器系統(tǒng))被稱為遠程無線電頭。

理想與實際放大器

理想的放大器功能非常簡單。如果你用數(shù)學表達式來表示這個函數(shù)，它看起來會更簡單。理想的函數(shù)是實現(xiàn)一些最簡單的數(shù)學函數(shù)(f(x) = a x，其中a > 1)用下圖中的藍色直線表示。

然而，正如我所知，正如你所知，正如每個人所經(jīng)歷的，沒有什么像理論一樣。在現(xiàn)實中，放大的特征用紅色表示。在這條曲線中，在某些部分你會看到一條非常接近理想操作的直線，但是從某些點上行為會偏離理想操作。從數(shù)學上講，這條非理想(非線性)曲線可以用多項式表示，如下圖所示。

理想與實際放大器典型特性對比

為什么會出現(xiàn)非線性問題?

那么你的問題將會是“為什么這些非線性的部分很重要?”，“它會引起任何問題嗎?”這個問題很容易用你在高中學的簡單數(shù)學來解釋。假設我們有一個放大器，它具有如下圖所示的g(x)特性，你把一個非常簡單的信號表示為cos(f t)，通過幾個數(shù)學步驟，你可以得到如下的表達式。(如果你不擅長數(shù)學，或者懶得像我一樣計算，那就試試WolframAlpha吧，一個幫你計算一切的網(wǎng)站)。重要的不是計算過程(你總是可以讓軟件來做)。更重要的是理解如何解釋結果。從結果中，可以看到輸入信號中不存在的幾個不同的頻率(cos(f0 t))。這意味著放大器的非線性的主要問題是它產(chǎn)生了許多額外的頻率，我們不希望有。

如果你喜歡圖形表達式，而不喜歡像我這樣枯燥的數(shù)學表達式，你可以試試。圖的第一行顯示了放大器的理想工作狀態(tài)，最后一行顯示了放大器的二階和三階多項式(非線性部分)的結果，這里你可以看到在輸入信號中不存在的兩個額外的頻率峰值。第二行和第三行顯示了單獨的二級和三級圖，僅供您理解。

基波和諧波圖示

如果你輸入一個復合信號(在這個例子中是一個由兩個頻率組成的信號)，由于放大器的非線性特性，你會得到如下所示的更復雜的結果。當然，我用這個軟件來解這個方程-:)，我不想花半個小時自己來解這個方程-:)。這個結果意味著什么?簡單! ! !你有許多你不想要的額外頻率!!

額外頻率的產(chǎn)生過程

如果我把這個數(shù)學表達式作圖，就會得到下面的結果。如果你正在測試一個真正的放大器，重要的是要在頻域準確定位由這種非線性產(chǎn)生的尖峰。如果你用頻譜分析儀或網(wǎng)絡分析儀測量放大器的特性，你會看到很多沒有輸入到放大器的其他峰值。有些峰值是由非線性產(chǎn)生的，有些峰值是由其他原因造成的。因此，理解這種非線性特性的影響將幫助你找出頻率域中那些不需要的峰值的來源。

額外頻率產(chǎn)生過程的圖示

如果放大器的輸入信號是非常窄的帶寬或連續(xù)波信號，就會出現(xiàn)上述放大器非線性的問題。然而，你會有更多的情況下，你把調(diào)制寬帶信號作為輸入放大器，在這種情況下，最明顯的非線性造成的副作用將是差的ACLR/ACPR。

如何表示非線性度?

一般來說，“非線性特性”在放大器中不是很好，這是我們想要避免的，但永遠不能完全消除。在大多數(shù)情況下，如果有我們不喜歡的東西，并試圖盡可能多地刪除它，我們做一些'指標'那些屬性，并把它們放在數(shù)據(jù)表(規(guī)范表)。

你可以猜到，我們在放大器的規(guī)格中有一些指標，它代表了放大器的非線性特性。最常見的指標是IP3(三階截點)和1 dB壓縮點。

現(xiàn)在你可能有一個問題----如何避免非線性效應?

沒有辦法完全消除這個問題，但是有各種方法可以減少這個問題。據(jù)我所知，有一些常見的技術如下所示。

你能想到的第一種方法是把一個放大器替換成另一個有更寬的線性區(qū)域的放大器，如圖所示。但它通常需要額外的成本，在某些情況下，這些組件根本不存在。

另一種方法是將信號電平移至稍低的功率區(qū)域，使其工作在放大器特性曲線的線性區(qū)域。但是，當信號的幅度太大(回退量很大)，并且沒有太多的移位空間時，這種方法就不適用了。

另一種方法是讓放大器產(chǎn)生所有那些臟的尖峰，然后用額外的濾波器過濾掉那些不需要的尖峰。這種方法還需要額外的成本，在某些情況下，你可能會發(fā)現(xiàn)很難找到合適的過濾器，可以處理如此高的功率(放大信號)。

另一種方法是最近發(fā)展起來的，并在一些高級應用中得到了應用。這是一種叫做預失真的技術。它是一種智能的、先進的技術，但如何找到合適的預失真算法是一項復雜的工作。

預失真

增益和效率

如前所述，放大器是一種使小的輸入信號(能量)變成大的輸出信號(能量)的裝置。這意味著放大器為輸入信號提供了大量的能量。那么放大器從哪里獲得能量呢?它由外部能源提供，標記為“Vdd”，如下圖所示。對于你的手機來說，這個Vdd會連接到電池上，在一個像基站這樣的大系統(tǒng)中，這個部分最終會連接到外部電源線上。

增益表示放大器對輸入信號的放大程度，即輸入信號與輸出信號功率之比。

效率這一術語指的是放大器實現(xiàn)所需振幅的能量有多小。例如，當你要放大A和B的增益相等時。放大器A的增益達到3v, 100毫安，而B的增益達到4.2V, 200毫安。你可以說放大器A比放大器b更有效率。放大器效率低意味著在放大過程中會浪費更多的能量。浪費掉的能源將何去何從?它以熱的形式釋放。

功率放大器增益的定義

審核編輯：湯梓紅