如下图所示,这些模式分别对应 A 类、AB 类和 B 类功率放大器在标记 m2、m3 和 m4 所示的静态电压-电流点时的晶体管偏置。
您也可以从 I-V 波形的角度来考虑这些操作类型。下图显示在 2 Ghz 基频条件下 A 类、AB 类、B 类和 C 类的内部 I-V 波形仿真结果。采用 Keysight ADS 和适用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施这些仿真。
我们来检验一下这些内部 I‑V 波形的预期值和细微差别。
A 类:我们预期电流和电压本质上都是正弦波形,此时信号电平达到电流或电压波形(或者两者)均在 I‑V “足球场”局限区域内的边缘出现削波时的点。这与上图所示的波形是一致的,电流和电压波形都是正弦曲线。由于电流在正弦波周期的整个 360‑ 度范围内导电(非零),A 类有时被描述为具有 360 度的“导通角”。
B 类:对于非削波信号,我们预计电压波形是完整的正弦波,电流波形是半整流的正弦波。对于 B 类,因为在夹断电压位置会立刻偏置,我们预计电流在正弦波的半个周期内都为非零,或者导电。因此,B 类的导通角为 180 度。从上图中,我们可以看出电流呈现半正弦曲线,在半个周期内的 0 A 位置削波。在电压波形中可以看到一些非正弦失真。
AB 类:这种偏置正好设置在夹断点以上,所以电流在电压的超过一半正弦波周期内都导电。对于 AB 类,导通角介于 180 度和 360 度之间。仿真 AB 类波形显示为失真极小的正弦电压和半正弦电流。可以看出,电流在超过半个周期内都导电。
C 类: 偏置正好设置在夹断点以下,所以电流在不到一半的电压正弦波周期内导电。对于 C 类,导通角小于 180 度。此类型一般用在 Doherty 放大器峰值一侧的设备中。从仿真波形中可以看出,电流的导电范围明显不到一半正弦波周期,电压出现失真,并且在摆幅的低压部分开始出现削波。
功率放大器的其他两个工作类型是 F 类和 J 类,它们适用于更高级的工作模式,这些模式以实现更高效率为主要目标:
F 类: 电压实际上通过在适当的相位和振幅中反映第三次谐波,借此按平方计算,使电流/电压重叠进一步最小化。该设备在 B 类偏置点上偏置,且匹配网络中使用了谐波调谐。如果处理得当,可以实现大幅增强功率附加效率 (PAE) 的功率放大器设计。
J 类:J 类代表一系列工作模式,通过使用具有重要的反应组件的基本负载,以及可以通过设备输出电容实现的反应谐波终端来实现。设备在 B 类或 AB 类的偏置点偏置。如果处理得当,可以实现在合理的带宽内大幅增强功率附加效率 (PAE) 的功率放大器设计。
内部和外部端口的“意外结果(gotchas)”
之前的图显示了理想的 PA 类的波形。但有一点要注意的是:在不同的位置进行有效的 I‑V 波形仿真,例如在内部或外部端口,会产生不同的效果。
为了进一步说明内部和外部端口之间的差异,下图采用仿真 GaN HEMT 模型的一个较小的设备“芯片”格式来说明动态负载线路图示例,显示了当输入信号完成整个周期的摆动时,内部(红色)和外部(蓝色)RF I-V 波形的轨迹。请注意外部周期是如何超越 I‑V 曲线的极限的,以及由于外部寄生效应而导致负电流波动。
下图以 F 类放大器设计为例,重点说明了内部和外部 I‑V 波形之间的差异:
在这个例子中,我使用了 NI AWR 设计环境,以及在以前的 PA 类示例中使用的相同 QPD0060 GaN 设备模型。
然后我调谐了第三谐波负载条件,使其“按平方计算”内部电压波形,由此产生了图示的 F 类的波形。
从 I-V 波形的角度来看,这个示例表明,内部波形遵循了正弦输入信号的预期趋势,获得了合理偏置且匹配的功率放大器 - 但外部波形却没有。
右下方的图清楚表明,外部波形因封装设备的寄生电容和电感而扭曲失真。
采用“波形工程”,对 F 类功率放大器设计示例进行微调
但是,如果您的内部波形不能反映您的工作类型所需的 I‑V 波形呢?可进行谐波调谐。
所有的 Modelithics Qorvo GaN 库模型都允许电路设计人员在调整或优化负载匹配电路时监测内部电压和电流波形,直到获得所需的波形。有时候这称之为功率放大器设计的“波形工程”法。
为了演示这种波形工程概念,下一张图显示了进行谐波调谐前后对内部 I‑V 波形实施功率扫描的结果。与上一节中所示的 F 类初始波形图相比,我调整了基本负载阻抗,将效率优化到 71.5%。比较底部的两个图时,注意以下几点: