功放与系统——解读功放手册

功放（Power Amplifier, PA）是无线通信系统中的核心组件之一，它的性能直接影响整个系统的效率、线性度和可靠性。在设计无线通信系统时，功放不仅仅是独立的器件，而是与系统的其他部分（如天线、滤波器、调制解调器等）紧密相关。

1. 功放在系统中的作用

功放的主要作用是将低功率信号放大到足够的功率水平，以驱动天线并实现远距离通信。

LOSS=31.4+20logf（MHz）+20logd（km）

在无线通信系统中，功放的作用可以概括为以下几点：

信号放大：将调制器输出的低功率信号放大到所需的发射功率。

阻抗匹配：确保功放与天线之间的阻抗匹配，以最大化功率传输效率。

线性度保障：在放大信号的同时，尽量减少失真，确保信号的完整性。

效率优化：在满足性能要求的前提下，尽可能提高功放的效率，降低系统功耗。               

2. 功放与系统的交互

功放并不是独立工作的，它与系统的其他部分存在复杂的交互关系。

（1）功放与天线             

阻抗匹配：天线与功放之间的阻抗匹配是系统设计的关键。如果匹配不良，会导致反射功率增加，降低功放效率，甚至损坏功放。                         

负载失配：在实际应用中，天线可能会因为环境变化（如靠近金属物体）导致阻抗失配。功放的负载失配能力（如驻波比容忍度）直接影响系统的可靠性。           

辐射效率：功放的输出功率和线性度直接影响天线的辐射效率。如果功放的非线性失真较大，可能会导致信号频谱扩展，干扰其他频段。            

（2）功放与滤波器               

谐波抑制：功放输出的信号通常包含谐波成分，这些谐波可能会干扰其他频段。滤波器的作用是抑制谐波，确保输出信号符合频谱规范。                              

带外噪声：功放的噪声性能会影响系统的接收灵敏度。滤波器可以抑制功放产生的带外噪声，提高系统的信噪比。               

（3）功放与调制解调器              

线性度要求：现代通信系统（如5G）使用复杂的调制方式（如QAM、OFDM），这些调制方式对功放的线性度要求极高。如果功放的线性度不足，会导致信号失真，降低系统的误码率性能。                            

动态范围：调制解调器输出的信号功率可能会动态变化，功放需要具备足够的动态范围来处理这些变化，同时保持高效率。               

（4）功放与电源             

电源效率：功放的效率直接影响系统的整体功耗。高效率功放可以降低电源的负担，延长电池寿命（在移动设备中）。                     

电源噪声：电源的噪声可能会通过功放耦合到射频信号中，影响系统的信噪比。因此，电源设计需要考虑噪声抑制。              

功放手册是做功放设计的必备工具，那手册里面到底说了哪些东西呢？有哪些信息是没有解读到的呢？这是一个NXP的功放管    

1.从首页大家都可以得到以下常规信息：输出功率7w，工作电压为7.5V,频率为：136-941MHz，大信号增益为：15dB,饱和效率为60%左右。

除了这些还有什么？

有个信息很容易被忽略，：负载失配

我们可以看到表格里单列了这一项：在驻波比：65:1的时候，器件性能没有下降。

这个信息很关键，这个关系到我们功放的可靠性，在功放开短路的时候器件会不会有损伤，功放是否要做开短路保护。    

2.上图是功放的极限条件，

结温计算公式：

TJ=TA+RθJC*PD

其中 TJ 为结温，TA 为环境温度，RθJC 为热阻（取自数据表），PD 为功耗 ，从上述表格中的数据我们可以得出

以100MHz频段为例

PD=7/0.69=10

假如我们在高温条件下工作，75°C

 TJ = 75°C + (1.1C/W x 10W) = 86°C 《150°C，符合高低温条件。同时可以根据TJ计算散热器面积以及对热仿真计算。

3.电容

上表是功放的输入、输出和反向电容

输入输出电容大家都知道，功放的输入输出电容大小与功放的工作频率反相关。

我们重点讲一下CRSS-米勒电容    

米勒电容会产生米勒效应，它就是一个电容的负反馈。在驱动前，Crss上是高电压，当驱动波形上升到阈值电压时，MOS管导通，d极电压急剧下降，通过Crss拉低g脚驱动电压，如果驱动功率不足，将在驱动波形的上升沿阈值电压附近留下一个阶梯；就是我们常说的功放爬坡过程中的平台效应，在设计收发切换时要考虑规避平台。

可以通过调整馈电电阻改善问题。

除了米勒效应，CRSS还决定了功放的VBW。

VBW在线性系统里面是比较重要是一个指标，具体就是VBW起到了限制带宽的作用。

VBW：用双音信号测试得到的交调开始急剧恶化时的双音间隔。在双音测试系统里面，定义当在工作频率点，输入双音信号，随着双音间隔的变大，当出现左右两边的IM3的幅度相差3dB的时候，此时，双音间隔就叫做VBW          
解释：功放管在输出端有个CRSS的电容（内部匹配），在靠近输出的地方，由于要馈电，要等效引入一个扼交的电感，具体可以由微带或者是直接绕线电感等效，此时，对于整个系统，由于LC谐振，会在比较低的频率下产生一个谐振点，整个谐振点的频率就是VBW。    

由功放的VBW产生的原因可以采取2个措施来改变VBW，具体就是Cds和L的值，但是Cds是功放内部的匹配改不了，我们只能改变L的值，例如，我们把L的值变小，就可以变大VBW，在实际中，比如我们本来是单电源馈电，我们改成双电源平衡馈电，可以减小L的值，因为2个电感并联就等效于L变小了，VBW就变大了。    

4.功放匹配设计

上图就是功放的匹配设计了，根据表格可以得到功放的输入输出阻抗，通过共轭匹配，对照手册的测试数据调整匹配设计。