功率放大器簡介

射頻發射機中，如圖 4-1 所示，功率放大器為發射端最後一個元件，其主要 是將調變後的較小的信號輸入至放大器，數位訊號經由基頻調變，再由升頻器將 中頻(Intermediate Frequency)訊號轉升至射頻(Radio Frequency)，此時必頇使用功 率放大器來提升訊號功率送至天線發射。

Baseband

Local Oscillator Antenna

PA

Up mixer RF

圖 4-1 E band 發射機系統架構圖

功率放大器在發射機(Transmitter)中提供足夠的訊號功率，最後達到系統規格 的功率再將功率輸出，此功率是一個非常大的大訊號，因此在功率放大器模擬時，

不將在使用小訊號分析，必頇使用大訊號參數作為考量重點，理想的寬頻放大器 條件是在工作頻寬內，要有穩定的增益以及非常良好的輸入輸出阻抗匹配(Input

& Output Matching)。

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 增益(Gain)

增益定義為放大器之輸出功率比上輸入功率之比值 G = 10log₁₀𝑃_𝑜𝑢𝑡

𝑃_𝑖𝑛 ^(4.1)

小訊號增益為放大器的放大指數，理想放大器當輸入功率很小，近似理 想放大器，此時的功率增益稱為小訊號增益。

 頻率範圍 (Frequency Range)

功率放大器的工作頻段，通常在規格頻段內增益維持平坦。

 輸出功率與 P_1dB增益壓縮點 (P_1dB Compression Point) 信號功率輸出定義為

P_𝑜𝑢𝑡 = 𝑙𝑜𝑔𝑃_{𝑂𝑈𝑇,𝑚𝑊}

1 𝑚𝑊 (𝑑𝐵𝑚) ^(4.2) 由於主動元件在一定大小的輸入功率放大信號時，會產生非線性的 特性關係，放大器的增益隨著輸入功率的增大而逐漸減小，亦即輸出信 號的功率並非是可以無止境的增大，故定義放大器的線性工作範圍上限，

當輸出的增益比小信號線性增益小 1dB 時的輸出功率值作為上限，此時 稱之為 1dB 增益壓縮點(P_1dB Compression Point)，

 阻抗匹配(Impedance Matching)

放大器輸入輸出與各級電路之中必頇做良好的阻抗匹配，使訊號以最大 功率進入放大器並傳送至下電路。

 失真 (Distortion)

諧波失真（Harmonic Distortion），為功率放大器放大主訊號之外，也將 各次諧波項訊號放大了，此現象容易干擾其他頻帶信號，因此在各無線通訊 系統規範上均有明確的規定，必頇遵守，以及減少失真項放大。

互調失真(Intermodulation Distortion ,IMD)，理想的放大器是當輸入兩個 不同頻率的訊號時，

只會輸出兩個振幅放大且頻率不變之訊號，但由於放大器的非線性效應，會

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造成不同頻率的信號產生交互調變作用，然而其中有兩項調變訊號為(2𝑓₁− 𝑓₂)和 (2𝑓₂ − 𝑓₁)會影響主頻訊號頻譜，因為在於這兩項調變項離主頻訊號相當的近，使 用濾波器也相當難以消除。若失真過於嚴重，則三 階交互調便失真將會干擾其 他頻道，相對的別的頻道也會干擾自己。若要求相當高規格的調變系統，例如 QPSK，則三階交互調變失真會使得位元錯誤率上升，因此必頇抑制三階交互調 變失真為設計電路重要考量之一。

三階交互調變失真定義關係式為

𝑃_𝐼𝑃3(𝑑𝐵𝑚) ≅ 𝑃_1𝑑𝐵(𝑑𝐵𝑚) + 10.6𝑑𝐵 ^(4.3) ≅ 𝑃_𝑓1(𝑑𝐵𝑚) +1

2∙ 𝛿

為了表示三階交互調便失真之大小，定義出交會點(intercept point: IP)，主要 考量三階交會點，三階截斷點為基頻信號功率和三階互調失真信號功率的虛擬延 長線的交點

𝐼𝑃₃的定義為假設主訊號增益和三次交互調便失真增益的直線部分延伸相交 之點，即為三階交互調便交會點。

 效率(Efficiency)

效率主要辦別此電路設計上的直流功率轉換成輸出的射頻訊號功率之轉 換率，由於在設計功率放大器上，希望直流功率能完全轉換成輸出的交流訊 號功率，但實際上大部分能量將會轉換成熱能或其他功率上的損耗，因此在 設計電路上考量效率提升，效率提升也有助於減少功率上的損耗過多。功率 放大器之效率定義為:

𝜂_𝑡 = 𝑃_𝑜𝑢𝑡

𝑃_𝐷𝐶 + 𝑃_𝑖𝑛 ^(4.5)

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