F类/逆F类功率放大器效率分析

随着无线通讯系统的迅速发展，对高效率射频功率放大器的需求逐渐增加。如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为提高效率，研究人员将大量精力专注于放大器的工作模式上，例如D类，E类，F类和逆F类功率放大器。F类和逆F类两种模式的高效率功率放大器在近几年成为研究焦点。文献中采用F类工作模式效率达到75%，文献中采用逆F类工作模式效率达到80%。两者均采用GaN功率管CGH400 10，其1 dB压缩点输出功率约为10 W，不能满足大输出功率的要求。

针对1 dB压缩点输出功率为45 W的功率管CGH40045进行设计，分别设计出F类和逆F类两款功率放大器，对两种模式的功率放大器漏极效率进行比较，并对两款功放的效率差异从理论和仿真两方面做出了定量分析。

1 理论分析

图1为F类和逆F类功率放大器漏极输出端理想电压和电流的时域波形。F类功放的漏极端电流为半正弦波，电压为方波;相反的逆F类功放的漏极端电流为方波，电压为半正弦波。两者相反的漏极电压和电流波形对放大器的效率会产生不同的影响，以下是在理想情况下分别计算两种放大器工作效率，两种波形都可以通过傅里叶级数展开式展开，从而可以方便地对直流信号、基波信号和各次谐波信号进行分析。

首先分析F类功率放大器，将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开，各变量如图1所示。

根据傅里叶展开式分别计算出直流信号的功率和基波信号的功率，从而求出F类功率放大器的效率，其中，Ron为晶体管导通内阻。

分析逆F类功率放大器，将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开，各变量如图1所示。

根据F类计算效率的方法，同理可得逆F类功率放大器的效率

从式(5)和式(10)可以看出，当V0=V0’时，两种模式的功率放大器的效率因电流imax和i’max的不同而产生差异。如果晶体管的导通电阻Ron为零，则两种模式功率放大器的效率都将达到100%。然而现实中的功率管，都存在一定的导通内阻，当Ron存在时，两种模式的功率放大器的效率会产生怎样的差异。

为研究这种差异，需要有相同的输出功率和相同的偏置点，即P1=P1’，V0=V0’。由式(4)和式(9)可以列出一个关于i’max的方程，解此方程可以得到

　　

再将此结果带到式(10)，可得到一个η’关于imax的函数表达式。在此，假设V0=28 V，imax=6 A，将值代入式(5)和式(10)中，利用Matlab绘出η和η’关于Ron的变化曲线，如图2所示。由图可以看出，随着Ron的增加，逆F类功率放大器比F类功率放大器有着更好的效率，并且针对每个Ron的值，对两种模式效率的差异给出了定量的计算结果。

随着无线通讯系统的迅速发展，对高效率射频功率放大器的需求逐渐增加。如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为提高效率，研究人员将大量精力专注于放大器的工作模式上，例如D类，E类，F类和逆F类功率放大器。F类和逆F类两种模式的高效率功率放大器在近几年成为研究焦点。文献中采用F类工作模式效率达到75%，文献中采用逆F类工作模式效率达到80%。两者均采用GaN功率管CGH400 10，其1 dB压缩点输出功率约为10 W，不能满足大输出功率的要求。

针对1 dB压缩点输出功率为45 W的功率管CGH40045进行设计，分别设计出F类和逆F类两款功率放大器，对两种模式的功率放大器漏极效率进行比较，并对两款功放的效率差异从理论和仿真两方面做出了定量分析。

1 理论分析

图1为F类和逆F类功率放大器漏极输出端理想电压和电流的时域波形。F类功放的漏极端电流为半正弦波，电压为方波;相反的逆F类功放的漏极端电流为方波，电压为半正弦波。两者相反的漏极电压和电流波形对放大器的效率会产生不同的影响，以下是在理想情况下分别计算两种放大器工作效率，两种波形都可以通过傅里叶级数展开式展开，从而可以方便地对直流信号、基波信号和各次谐波信号进行分析。

首先分析F类功率放大器，将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开，各变量如图1所示。

根据傅里叶展开式分别计算出直流信号的功率和基波信号的功率，从而求出F类功率放大器的效率，其中，Ron为晶体管导通内阻。

分析逆F类功率放大器，将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开，各变量如图1所示。

根据F类计算效率的方法，同理可得逆F类功率放大器的效率

从式(5)和式(10)可以看出，当V0=V0’时，两种模式的功率放大器的效率因电流imax和i’max的不同而产生差异。如果晶体管的导通电阻Ron为零，则两种模式功率放大