射频基础知识：功放的复数负载阻抗介绍

功率放大器是通信系统的核心部件，可为信号长距离传输提供所需功率。但多种因素会影响其性能，其中放大器所接的“负载”是至关重要的因素之一。在本文中，我们将深入讲解功率放大器中“复数负载阻抗”的概念，分析其对放大器性能与效率的影响，以及优化这类负载的方法。

一、晶体管的寄生电容

晶体管作为功率放大器的核心有源元件，本身存在寄生电容，用符号Cds表示。该寄生电容存在于晶体管的漏极与源极之间。在低频应用中，Cds的影响通常可忽略，但在高频场景下，其影响会显著增强，进而对放大器性能产生不利作用。

二、寄生电容的影响

晶体管中Cds的存在可能引发以下问题：

- 输出功率下降：寄生电容会使负载中产生电抗分量，导致电压摆幅减小，最终造成放大器输出功率降低。

- 效率下降：Cds引入的电抗分量还会使电压与电流之间产生相位差，从而降低放大器的工作效率。

三、复数负载的优化

为减轻Cds的不利影响，我们采用“复数负载”作为最优负载，以抵消该电容的作用。复数负载同时具备电阻分量与电抗分量，其表达式为：

其中：

- Ropt代表最优电阻性负载（即最优纯电阻负载）。

- jX代表电抗性分量，该分量既可以是电感性的，也可以是电容性的j为虚数单位，用于表示电抗与电阻的相位差异，是复阻抗的典型表示形式）。

三、电感（L₀）的作用

在负载网络中引入电感L₀，是为了抵消寄生电容C𝑑𝑠的影响。这个电感会与电容（指C𝑑𝑠）产生谐振，能在特定频率下有效抵消掉电抗分量。通过这种调谐，负载两端的电压摆幅会增大，进而提升放大器的输出功率和效率。

四、电压与电流的关系

当存在C𝑑𝑠和复负载时，电压与电流之间的关系十分关键。随着C𝑑𝑠的增大，它会影响电压的幅值和相位，导致输出功率降低、效率下降。在这种情况下，电压波形和电流波形会出现相位差，且幅值都会减小。

五、复数负载的详细分析

对复数负载的详细分析涉及以下公式及相关考量：

1、负载网络的阻抗：2、网络的导纳（Y）：

其中：Y为导纳，R为电阻分量，L为电感分量，ω为角频率。

3、最优负载电阻：

在此，由于增加了电感，推导出的Ropt大于R。

六、实际应用

在功率放大器的设计和优化过程中，理解并把控负载阻抗对于实现高性能和高效率至关重要。在此，我们通过一个详细示例来展示为功率放大器确定最优复负载的相关步骤，其中要考虑寄生元件以及期望的工作频率。

问题：

已知某功率放大器的以下参数：输出功率Pout=1W，电源电压VDD=4V，寄生电容Cp=5pF，工作频率（F）=1GHz

我们需要求出：

1. 最大电流Imax

2. 负载阻抗ZL=RLopt+jX

3. 负载的电阻分量RL

求解过程

步骤1：最大电流计算

首先，我们计算晶体管两端的峰值电压Vmax。对于B类放大器，该电压可近似为电源电压的两倍：

输出功率的计算公式为：

步骤2：最优电阻性负载计算

接下来，我们利用计算得到的峰值电压和电流来确定最优电阻性负载

步骤3：电感性分量的计算

总阻抗ZL包含一个用于抵消寄生电容的电抗性分量。在工作频率下，与 Cp发生谐振所需的电感L可通过以下方式计算：

步骤4：品质因数Q与负载阻抗

电感器的品质因数Qp由下式给出：

利用品质因数，我们可以推导出等效串联电阻RS和电感LS：

总结

最后总结一下：

优化功率放大器的负载对提升其性能和效率至关重要。通过精心设计复负载 —— 既考虑寄生电容的影响，又引入合适的电抗分量 —— 我们能显著提高放大器的输出功率与效率。其中，利用电感抵消寄生电容的影响，是实现这一优化的关键策略。

对于从事高频放大器设计的工程师而言，理解并应用这些原理必不可少，这能确保所设计的通信系统具备稳定性能与高效表现。