射頻放大器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要在線性度、效率、增益和輸出功率之間進(jìn)行權(quán)衡。在這里，我們將探討共射電路能否作為功率放大器使用。
本系列之前的文章討論了小信號(hào)放大器，這類放大器通常是為增益和線性度而設(shè)計(jì)的，而不是為了功率傳輸。如果后續(xù)電路具有純電容性輸入阻抗，那么小信號(hào)放大器可能會(huì)提供特定的電壓或電流增益，而不會(huì)向其實(shí)際負(fù)載傳輸任何顯著的功率。由于小信號(hào)放大器不處理高功率水平，因此功率處理能力和功率效率也不屬于其主要設(shè)計(jì)要求。
在接下來的幾篇文章中，我們將討論一些截然不同的內(nèi)容：射頻功率放大器。功率放大器（PA）位于發(fā)射機(jī)的輸出端，負(fù)責(zé)向天線傳輸射頻功率。我們可以預(yù)計(jì)，功率放大器的峰值交流電流將在200mA或更高范圍內(nèi)——當(dāng)然不是小信號(hào)。
這就引出了功率放大器和小信號(hào)線性放大器之間的一個(gè)重要區(qū)別。功率放大器的交流電流通常與其靜態(tài)偏置電流相當(dāng)。由于功率放大器處理大量交流電流，而大的偏置電流意味著線性度較差，因此我們可以預(yù)計(jì)功率放大器的非線性度會(huì)相當(dāng)高。即使是A類功率放大器——線性度最高的功率放大器類型，也是本文的主要討論對(duì)象——通常也被設(shè)計(jì)為提供等于晶體管偏置電流的峰值交流電流。

我們將從研究功率效率和功率處理能力的問題開始我們對(duì)A類功率放大器的學(xué)習(xí)，這兩個(gè)問題在功率放大器設(shè)計(jì)中都至關(guān)重要。然后，我們將研究是否可以通過使用共射級(jí)作為功率放大器來解決這些問題。在進(jìn)行一些計(jì)算之后，我們將以介紹電感加載的A類功率放大器作為結(jié)尾。

功率效率和功率處理能力
由于功率放大器被設(shè)計(jì)為在輸出端提供大量功率，因此它們是射頻收發(fā)器中功耗最大的部分。例如，如果一個(gè)向天線傳輸30kW功率的功率放大器效率僅為50%，那么放大器本身將消耗30kW的功率。這可能會(huì)帶來相當(dāng)嚴(yán)峻的熱管理問題。

無論功率放大器是向廣播發(fā)射機(jī)的天線傳輸數(shù)十瓦的功率，還是向便攜式通信設(shè)備的天線傳輸幾瓦的功率，效率都是一個(gè)主要問題。即使在低功耗的便攜式應(yīng)用中，低效的功率放大器在產(chǎn)生可用輸出功率方面也效果不佳——事實(shí)上，功率放大器會(huì)浪費(fèi)電池提供的可用功率。使用效率更高的功率放大器，可以延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的使用時(shí)間。

功率放大器設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)來自于其通常處理的大信號(hào)。考慮一個(gè)向50Ω天線傳輸1W射頻功率的便攜式設(shè)備。這要求在天線端提供20V的峰峰值電壓擺幅和200mA的峰值電流?？梢钥闯?，即使在這個(gè)低功耗應(yīng)用中，晶體管也必須處理高電壓和高電流水平，以在輸出端提供所需數(shù)量的射頻功率。

同時(shí)，在更高功率的應(yīng)用中，有源器件必須處理更大的電壓和電流。晶體管在它們可以處理的最大電壓和電流水平以及它們?cè)诓槐粨p壞的情況下可以承受的最大功率方面都是有限的，因此這可能會(huì)帶來問題。

我們來探討一下將共射（或共源）級(jí)用作功率放大器（PA）的可能性。

僅通過使用足夠大的晶體管，我們能否有效地提供大量的輸出功率？假設(shè)圖1所示的共射級(jí)要向50 Ω負(fù)載電阻（RL）提供1 W的功率。

圖1. 共射放大器。

為了使圖1中的電路用作功率放大器（PA），我們顯然需要使用一個(gè)功率晶體管，該晶體管能夠在不損壞的情況下消散幾瓦到幾十瓦之間的任何功率。然而，主要問題仍然是如何最大化電路的輸出功率。

負(fù)載的電壓和電流的乘積決定了所提供的功率。為了實(shí)現(xiàn)最大輸出功率，因此應(yīng)選擇偏置點(diǎn)以最大化負(fù)載的電壓和電流擺幅。當(dāng)晶體管在其有源區(qū)的中間偏置時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大擺幅。為了找到適當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，我們?yōu)榧姌O支路寫一個(gè)KVL方程：

其中：

iC是總集電極電流

vCE表示集電極和發(fā)射極之間的總電壓，包括直流和交流分量。

這個(gè)方程給出了電路的交流負(fù)載線，也在圖2中繪制。iC的任何可能值和相應(yīng)的vCE都落在交流負(fù)載線上。

圖2. 共射電路的交流負(fù)載線。偏置點(diǎn)（ICQ和VCEQ）可在兩條虛線的交點(diǎn)處找到。

在我們的簡(jiǎn)單示例中，交流負(fù)載線和直流負(fù)載線是相同的。這使得確定電壓和電流限制變得容易——當(dāng)晶體管截止（iC = 0）時(shí)，整個(gè)電源電壓因此出現(xiàn)在集電極和發(fā)射極之間（vCE = VCC）。另一方面，對(duì)于飽和晶體管，集電極和發(fā)射極之間會(huì)出現(xiàn)非常小的電壓降（通常為0.1 V）。忽略這個(gè)小的電壓降，我們找到了集電極電流的最大值：

交流負(fù)載線顯示了電路中的電流和電壓限制。通過將所使用的特定類型晶體管（BJT、FET等）的特性曲線疊加在交流負(fù)載線上，我們可以很容易地確定信號(hào)何時(shí)超出晶體管的線性范圍。

為了獲得最大擺幅，我們選擇交流負(fù)載線中間的偏置點(diǎn)（ICQ和VCEQ）。ICQ是靜態(tài)集電極電流：

VCEQ是靜態(tài)集電極-發(fā)射極電壓：

因此，流過RL的峰值交流電流為：

換句話說，在最大輸出功率的情況下，我們可以假設(shè)集電極電流由偏置電流ICQ和幅度為ic,max的正弦電流分量組成：

其中?是交流信號(hào)的頻率。

計(jì)算功率效率

負(fù)載所獲得的功率有兩個(gè)分量：來自偏置電流的直流功率和我們希望最大化的交流功率。由于我們知道集電極的峰值交流電流（ic,max），我們可以計(jì)算出負(fù)載所獲得的交流功率的平均值為：

請(qǐng)注意，這是負(fù)載的最大交流功率。當(dāng)沒有交流信號(hào)時(shí)，負(fù)載所獲得的交流功率為零。

我們可以使用以下方程來計(jì)算電源電壓所提供的平均功率。方程6幫助我們創(chuàng)建了右側(cè)更復(fù)雜的版本，該版本很快就會(huì)證明是有用的：

其中T是信號(hào)的周期。

一個(gè)周期內(nèi)的正弦項(xiàng)的平均值為零，因此方程8簡(jiǎn)化為：

ICQ的公式可以在方程3中找到。

最后，使用方程7和9，可以計(jì)算出放大器的最大效率為：

這意味著為了向負(fù)載提供1 W的功率，電源必須提供4 W的功率。額外的3 W功率部分在晶體管中損失，其余部分作為RL中的直流功率損失。實(shí)際上，可實(shí)現(xiàn)的效率可能遠(yuǎn)低于25%。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道如何計(jì)算最大效率，接下來讓我們找到最佳負(fù)載。

計(jì)算最佳負(fù)載
方程3和方程4共同表明，為了使晶體管實(shí)現(xiàn)最大輸出功率，RL和晶體管的偏置點(diǎn)之間必須存在一定的關(guān)系。換句話說，對(duì)于給定的偏置條件，存在一個(gè)使輸出功率最大化的最佳負(fù)載。

根據(jù)最大功率傳輸定理，我們可能會(huì)認(rèn)為最佳RL取決于晶體管的輸出阻抗。然而，它僅取決于VCC和偏置點(diǎn)。這實(shí)際上是一個(gè)有趣（有時(shí)令人困惑）的觀點(diǎn)，但它值得更詳細(xì)的解釋，這將留待以后進(jìn)行。現(xiàn)在，讓我們考慮圖3中的共射電路。

圖3. 電源電壓為12 V，靜態(tài)電流為0.75 A的共射放大器。

給定電源電壓VCC = 12 V和靜態(tài)電流ICQ = 0.75 A，RL的什么值將產(chǎn)生最高的輸出功率？

我們通過重寫方程3來求解RL，從而得到最佳負(fù)載電阻的公式。

對(duì)于上面給出的電源電壓和靜態(tài)電流值，這可以計(jì)算出：

結(jié)果：

當(dāng)RL = 4 Ω時(shí)，我們觀察到在VCEQ = 9 V時(shí)實(shí)現(xiàn)了ICQ = 0.75 A。在這種情況下，峰峰值擺幅為6 V（是RL = 8 Ω時(shí)擺幅的一半）。
最佳值RL = 8 Ω導(dǎo)致集電極-發(fā)射極直流電壓VCEQ = 6 V，該電壓位于負(fù)載線的中間。
RL = 13.33 Ω導(dǎo)致VCEQ = 2 V，這再次產(chǎn)生了小于最佳值的峰峰值擺幅。
我們?cè)诒疚牡挠?jì)算部分開始時(shí)問道，是否可以使用簡(jiǎn)單的共射級(jí)來有效地提供大量的輸出功率?？磥泶鸢甘恰胺瘛?。但這是為什么呢？

共射級(jí)的缺點(diǎn)

使用簡(jiǎn)單的共射級(jí)時(shí)，偏置電流始終流過負(fù)載。因此，總有等于RLICQ2的直流功率在負(fù)載中被浪費(fèi)，僅用于偏置晶體管。使用方程7，您可以驗(yàn)證這個(gè)直流功率是我們可以向負(fù)載提供的最大交流功率的兩倍。

這是電路效率低的原因之一。此外，我們計(jì)算的是最大可能效率。如果交流信號(hào)低于最大擺幅，效率將進(jìn)一步下降。

該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于給定的電源電壓，它提供的電壓擺幅相對(duì)較小。例如，考慮向50 Ω天線提供1 W射頻功率的問題。正如我們上面提到的，這需要提供20 V的峰峰值電壓擺幅和通過天線的200 mA峰值電流。

如圖2所示的交流負(fù)載線所示，最大峰峰值擺幅等于VCC。因此，我們需要大于20 V的電源電壓才能向天線提供1 W的功率！許多便攜式設(shè)備使用的電源電壓要小得多。

電感加載的甲類功率放大器

圖5顯示了更實(shí)用的甲類放大器的基本電路圖。該放大器通過使用感性負(fù)載和直流阻斷電容器來規(guī)避上述一些問題。

讓我們來檢查上述模型的各個(gè)標(biāo)注部分。

RL是電阻。它代表我們希望向其提供功率的實(shí)際負(fù)載。
L1是電感。它足夠大，可以在感興趣的頻率下充當(dāng)交流開路——我們將這種電感稱為“射頻扼流圈”。
VCC是電源電壓。我們將在下一篇文章中看到，電感加載級(jí)可以具有對(duì)稱的電壓擺幅，該擺幅是VCC值的兩倍。
Req是使輸出功率最大化的最佳負(fù)載。
C1是電容器。它阻斷直流電流，但在感興趣的頻率下充當(dāng)交流短路。
使用匹配網(wǎng)絡(luò)將RL轉(zhuǎn)換為Req。由于匹配網(wǎng)絡(luò)幾乎總是使用反應(yīng)性元件（電感器和電容器）來實(shí)現(xiàn)，因此輸送到匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端的功率會(huì)在RL中消散。為了防止RL中的任何直流消散，集電極通過C1連接到匹配網(wǎng)絡(luò)。如上所述，C1用于阻斷直流電流。