高效率、低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放

功率放大器類型

● A類、B類和C類功率放大器

A類功率放大器的信號有一個偏置點，當輸入信號幅度改變時，器件消耗的平均電流并不改變。圖1中，M1可以看作是幅度為IDC的電流源。

圖1 A類功率放大器的結(jié)構(gòu)圖

A類功率放大器的效率最大值為50%。工作在線性區(qū)會使A類CMOS功率放大器的實際效率降低到40％以下。這意味著工作電壓確定后，為了保持高效，A類功率放大器的偏置電流必須隨著輸出功率的改變而改變。由于A類功率放大器的偏置點不隨輸入信號的改變而改變，所以在注重增益和線性度的應(yīng)用中，此類功率放大器是最佳結(jié)構(gòu)。B類和C類功率放大器與A類相比，可以實現(xiàn)更高效率，但通常輸出功率較低，并且有較大失真。

● D類、E類和F類功率放大器

D類、E類和F類CMOS功率放大器通過工作在線性區(qū)來優(yōu)化效率和輸出功率，這些功率放大器通常被稱作“開關(guān)模式”功率放大器。因為這些功率放大器可以在低工作電壓下實現(xiàn)高效率，所以被廣泛用于ISM頻段的收發(fā)裝置。如圖2所示，在開關(guān)模式功率放大器中，輸出級電路由大信號方波驅(qū)動。

圖2 開關(guān)模式功率放大器的結(jié)構(gòu)圖

從圖2還可以看出，輸出級晶體管含有豐富的諧波成分。這些諧波成分取決于驅(qū)動信號的占空比和幅度、場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻和功率放大器的負載電阻。D類功率放大器通過改變輸入信號的占空比改變輸出功率，這就是脈寬調(diào)制模式（PWM）。D類功率放大器通常用于輸出功率連續(xù)變化的音頻領(lǐng)域。

對于E類功率放大器，輸入信號的占空比恒定不變。匹配網(wǎng)絡(luò)用于最小化輸出級開關(guān)導(dǎo)通時的漏極電壓。通過最小化輸出級開關(guān)的導(dǎo)通壓降，可以降低開關(guān)管的損耗，提高系統(tǒng)的整體效率。F類功率放大器與E類功率放大器相似，但設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)時要特別注意諧波阻抗，以實現(xiàn)最高效率。因為要考慮諧波電阻，F(xiàn)類功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一般更復(fù)雜。

開關(guān)模式功率放大器

所有Maxim的CMOS ISM頻段收發(fā)器都提供漏極開路的功放輸出。在整個300～450MHz頻段內(nèi)，占空比固定在25％。用戶根據(jù)所要求的輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3是開關(guān)模式功率放大器輸出級的簡單模型。圖中，R _sw是場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，C _pa是等效的器件寄生電容總和，C _pkg是封裝電容，C _board是板上電容，Z _pa是C _pa、C _pkg、C _board三電阻串連后再同R _sw并聯(lián)所得。表1則是Maxim ISM頻段主要收發(fā)器件的開關(guān)電阻和電容值。其中，開關(guān)導(dǎo)通電阻的典型值對應(yīng)于V _DD=2.7V的工作電壓；另外，板上寄生電容受布線影響很大。

圖3 開關(guān)模式功率放大器的簡化模型

E類、F類功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計可以參照文獻2、3、4?？紤]到本文篇幅，這里只提及兩點：首先，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必需使功率放大器的效率最高；其次，輸出級導(dǎo)通壓降較低時，功率放大器的效率最高。

開關(guān)模式功率放大器的仿真

在許多低成本ISM頻段應(yīng)用中，系統(tǒng)工程師可能受設(shè)計周期、費用、系統(tǒng)復(fù)雜度的限制而無法對匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。小尺寸（高Q值）、價格便宜的天線在發(fā)射較高頻率時通常有較高效率，但是射頻調(diào)整電路限制了發(fā)射信號的諧波成分，所以匹配網(wǎng)絡(luò)對諧波分量的抑制尤為重要。考慮到這些因素，我們在分析功率放大器時假定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過優(yōu)化，輸出電壓為正弦信號。

如圖4所示，假設(shè)功率放大器的負載電阻為RL，輸出電壓可低至0.1V，功率放大器的效率表示為

（3）

如果電源電壓V _DD=3V，開關(guān)導(dǎo)通電阻R _sw=22W，負載電阻R_L=400W，功率放大器的效率為80％，輸出功率為10.2dBm。可利用SPICE建立開關(guān)模式功率放大器的理想模型，其中，阻值為11W或22W的理想電阻與Q值為10的并聯(lián)諧振腔連接。圖5是仿真原理圖，圖6為仿真結(jié)果。

圖5 仿真原理圖

圖6所示，開關(guān)模式的功率放大器最顯著的優(yōu)勢之一就是在保證卓越的直流/射頻轉(zhuǎn)換效率的同時，通過改變負載電阻，可以在寬范圍內(nèi)改變輸出功率。另外，具有較小開關(guān)導(dǎo)通電阻的開關(guān)模式功率放大器的輸出功率較大，效率較高。它的缺點是需要更大的電流對開關(guān)管進行充放電。

圖6 輸出功率隨負載電變化的仿真結(jié)果

圖7 開關(guān)模式功率放大器效率和失諧關(guān)系

在一個開關(guān)電阻驅(qū)動的簡單并聯(lián)諧振電路中，要實現(xiàn)最大效率，就要使功率放大器在工作頻率下的視在負載的虛部最小。如果網(wǎng)絡(luò)失諧，功率放大器的效率將顯著下降。圖7說明Q=5和Q=10時，匹配網(wǎng)絡(luò)失諧后的結(jié)果。如圖7所示，漏極電流的最小值發(fā)生在諧振頻率點。這一事實可以用于驗證現(xiàn)有匹配網(wǎng)絡(luò)是否已針對特定工作頻率實現(xiàn)了最優(yōu)化。同時要注意SPICE仿真時的假設(shè)：開關(guān)電阻的打開和閉合都是瞬間完成的；在開關(guān)打開和閉合的過程中，開關(guān)的寄生電容并不隨之改變；諧振電感和電容沒有寄生阻抗。這些方面的影響使實際的開關(guān)模式功率放大器的性能低于理想情況下的水平。在特殊的應(yīng)用中，通常采用迭代的方法實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。