动态电源射频发射机的原理介绍：功放的可变供电电压行为特性

所有放大器实际上都是3端口电路，有两个输入和一个输出。两个输入是普通的RF输入和电源，另外将RF输出作为第三个端口：

虽然我们通常忽略电源VS作为电路的输入端口，但是通过动态电源（DPS，dynamic power supplies）操作，这种忽视已不再实用。允许电源作为第二个输入可视为允许负载线水平移动，如图4-21所示。

图4-21

图4-21 改变电源电压作为第二个输入相当于左右移动负载线，使得与电压轴的交点处于当前电源电压值。

考虑两个输入端口的多级放大器的性能扫描如图4-22所示。这被称为Booth（展位）图，以首先显示此图表的工程师来命名的，以及它在理解放大器在被视为3端口网络时的行为方面的有用性。图4-22中显示了七条曲线，用于展示电源输入的七个不等间距值。

图4-22

图4-22 典型放大器的展位图（Booth chart）（仿真结果）

对于此放大器，图4-22中有三种工作模式，它们是：

1、输出功率取决于输入功率而非电源电压，

2、输出功率取决于电源电压而非输入功率，以及

3、输出功率取决于输入功率和电源电压。

这些工作模式在图4-23中标识为：L模式（输出功率取决于输入功率而非电源电压），C模式（输出功率取决于电源电压而非输入功率）和P模式（输出功率取决于输入功率和电源电压）。在这三种模式之间存在过渡区域，并在在过渡区域共享模式特性。

图4-23

图4-23 识别作为3端口工作的放大器的三种工作模式，电源为第三端口：L模式（虚线椭圆内），C模式（虚线右侧）和P模式（实线下方）。在这些模式之间是过渡区域。

现在，将更详细地分别介绍这三种工作模式中的每一种模式。

L模式特性

L模式是CCS（受控电流源）放大器的传统线性操作。如Booth（展位）图（图4-22）所示，此处RF输出功率与任何特定RF输入功率值所对应，而与电源电压值无关。这是L模式的第一个特征特征。

由于RF输出与电源无关，因此我们从晶体管的特征曲线中了解有源器件的工作原理。利用这种受调节的RF输出功率，晶体管作为电流源工作，晶体管通过负载调节电流。图4-24所示的传统负载线和工作点分析以及图4-25的电路模型适用于理解L模式的工作原理。

图4-24

图4-24 用于L模式操作的有源器件的偏置选择。

图4-24还清楚地显示了放大器晶体管的偏置技术。对于在低电源值下具有最大可用线性输出的放大器，偏置点显示在图4-24的左下角。如果电源电压变化时这种偏置保持不变，那么我们就有一个固定偏置设计，当电源电压很高时，它会从低电源电压的A类操作转换到深AB类操作。如果要使L模式的线性操作具有最大范围，那么偏置点必须随着电源的值一起变化，如图4-24所示沿着标记为“可变偏置”的线变化。这样可以保持PA在所有的电源电压上都在工作在A类模式，但不是恒定的静态电流。

因为晶体管（有源器件）正在调节通过负载的电流，所以电源电压的实际值根本不是关键的。唯一重要的特性是电源电压值需要足够高，以便不在压缩区间中操作放大器。这意味着L模式操作对电源的噪声具有很高的容差度。这是L模式操作的第二个关键特性。测试电源的噪声抑制是一种简单的方法来验证放大器是否在L模式下工作。并且此特性是对称的：当且仅当它在L模式下工作时，放大器才能抑制其电源噪声。

图4-25

图4-25 L模式操作：（a）电路模型; （b）负载电流不随电源变化而变化，仅随输入变化而变化，验证CCS电路模型。

图4-25（b）还显示L模式的工作点已从每个轴中很好地移除。这意味着晶体管的功耗可能会是最高的。

L模式永远不会是高能量效率的。

图4-25（b）中两条特性曲线与两条负载线的交点定义了一条平行四边形。平行侧对应于该电路的调节行为，表明它确实线性地起作用。这似乎是一个陈旧的结果，但这种几何解释对于其余两种工作模式的理解将变得非常重要。

C模式特性

当放大器在C模式下工作时，其具有的敏感度和非灵敏度从L模式反过来了。现在输出功率的灵敏度与电源电压一致，而对输入功率没有敏感性。该工作模式是非线性的。因此，虽然负载线分析方法仍然适用，但是工作点不在中间，而是在每一端，如图4-26所示。放大器晶体管不会调节通过负载的电流。相反，它只会选择电流通过负载。

图4-26

图4-26 C模式操作是（a）在负载线的端点，这些点之间的转换时间最短; （b）负载电流随电源变化而变化很大，并且几乎不随输入变化而变化。

负载电流仅在图4-26中的上部工作点流过。只要输入信号足够大，器件特性曲线与负载线的这种交叉就受电源电压值的强烈支配，并且基本上与输入信号功率值无关。这与图4-22一致。图4-26（a）中四个操作点勾勒出的几何形状是一个梯形。这意味着该C模式电路充当乘法器，而它绝对不是线性放大器。

相对于L模式，C模式分析需要采用与图4-25（a）中不同的电路模型。 C模式工作的适当电路模型如图4-27所示。

图4-27

图4-27 C模式操作的电路模型。

通过将欧姆定律应用于图4-27所示的串联电路来控制负载电流。对于电源电压值明显大于晶体管中存在的任何电压偏移的设计条件，以及负载电阻远大于晶体管导通电阻的设计条件，负载电流根本不再取决于晶体管特性，而是只取决于关于负载电阻设计和电源电压值等外部特性。

P模式特性

P模式之所以如此命名，是因为输出功率是电源电压值和输入RF功率的乘积。仅在电源电压值非常低时才会出现。为了对输入功率和电源电压变化都敏感，晶体管不可能作为电流源工作。类似地，晶体管不能作为开关操作。相反，在P模式下，晶体管作为受输入控制的可变电阻工作，如图4-28所示。

图4-28

图4-28 P模式下的器件操作，通过可变电阻器件操作实现对电源和输入电源的灵敏度。

观察图4-28中四个操作点所绘制出来的几何图形，我们再次观察到它是一个梯形。如同在C模式一样，这意味着在P模式下工作的放大器实际上是一个乘法器。在P模式中，梯形的边不是沿电压轴（晶体管截止的位置）或沿着最小沟道电阻线。所有操作都在中间区域。对于FET器件，该操作完全在“深三极管区域（deep triode region）”内，其中器件操作是可变电阻。相应的P模式电路模型如图4-29所示。

图4-29

图4-29 P模式操作的电路模型。

由于P模式输出包络取决于输入包络和电源电压，因此P模式是包络跟踪（ET）发射机产生失真的主要原因。这会强制要求在ET设计中的任何电源电压变化都具有不足以使PA进入P模式的低电压值。本质上，在低包络值时，ET发射机必须保持电源恒定并返回到双端口器件的特性，但这不一定是L模式操作。

另一方面，P模式是用于直接极性（DP，direct polar）发射机中的极好的非常低级别的功率控制方法。

FET的P模式仅在“深三极（deep triode）”工作区内工作时发生，这意味着与偏置上的增强电压相比，漏极电压非常小。为了在数学上说明这是如何工作的，如图4-28所示，我们从经典的工作在三极区域的FET模型开始：

当VDS<<（VGS - VTh）时，VDS项可以忽略，将“深三极（deep triode）”运算的近似值保留为：

（4.17）中的VGSVDS项是P模式命名由来的乘法乘积。当RF信号应用于控制端口时，VGS变为时变。因此，ID也是随时间变化的，因此我们最终得到：

（4.18）的第一项是输入信号的幅度调制。如果输入信号已经是包络变化的，那么这是一种主要的失真机制。该数学形式还描述了可变增益放大器，清楚地显示了为什么会出现“增益崩溃（gain collapse）”现象，因为在该工作区域中，漏极电流变得直接与电源电压成正比。第二项是基带（包络）频率的时变偏置。它可以通过高通或带通滤波轻松移除。

系统级性能在这些模式之间变化很大，特别是在L模式下存在电源噪声的抗扰度，C模式中完全缺乏电源噪声抗扰度，或者P模式的信号失真会大大增加。 了解这些模式的存在，它们的特性以及晶体管器件特性的表现对于动态电源（DPS，dynamic power supplies）发射机开发项目的及时成功非常重要。

本头条号后面会陆续讲解介绍动态电源射频发射机的的基本结构以及工作行为和原理，敬请关注。

（完）

射频功放原理是什么？

射频功放（Radio Frequency Power Amplifier，简称RF PA）是一种用于放大射频信号功率的电子设备。它的主要作用是将低功率的射频信号放大到较高的功率水平，以便在无线通信、雷达、卫星通信等领域中传输和传播。

射频功放的工作原理基于晶体管的放大特性。常见的射频功放使用的晶体管有双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。这里以双极型晶体管为例进行说明。

射频功放的输入端接收到低功率的射频信号，通过输入匹配网络将信号传输到晶体管的基极。当射频信号施加到基极时，晶体管的放大特性会使得电流从集电极流向发射极，从而放大了射频信号的功率。晶体管的放大倍数可以通过控制基极电流的大小来调节。

为了保证射频功放的稳定性和线性度，通常还会在输出端加入输出匹配网络，以匹配负载阻抗并提高功放的效率。此外，射频功放还需要考虑功放的线性度、效率、带宽等因素，以满足实际应用的需求。

需要注意的是，射频功放在工作过程中会产生一定的热量，因此通常需要进行散热设计，以保证功放的稳定性和可靠性。

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