新聞中心

EEPW首頁 > 模擬技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放

高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放

——
作者: 時間:2007-07-23 來源:Maxim 收藏

  系統(tǒng)設(shè)計需要考慮射頻鏈路的預(yù)算、天線設(shè)計、電池壽命及射頻調(diào)整電路等諸多因素,另外,還會涉及到輸出功率與發(fā)送器電流消耗的折中。Maxim低廉的收發(fā)芯片(如:MAX1472/MAX7044/MAX1479/MAX7030/MAX7031/MAX7032)集成了獨特的功率放大器,允許用戶在保證高效率的同時,合理控制輸出功率和發(fā)送器電流損耗,這種折中控制是提高電池壽命的關(guān)鍵。Maxim器件在折中選擇輸出功率與共耗時不需要修正電路,而是簡單地改變功率放大器的負載阻抗。

  以下分析了不同類型的功率放大器,給出了Maxim收發(fā)芯片的仿真結(jié)果。

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(dāng)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。

 

  放大器最大輸出功率對應(yīng)的輸出阻抗為:

 

  因此,A類功率放大器的效率最大值為50% [1]。假設(shè),在保證偏置電流為IDC的同時,M1漏極電壓擺幅最低可以到地電位。工作在線性電阻區(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,所以在注重增益的線性度的應(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。

A類、B類和C類功率放大器的共同特點是有源器件被視作電壓控制電流源,并且不希望其工作在線性電阻區(qū)。

D類、E類和F類功率放大器

  與A類、B類和C類功率放大器相反,D類、E類和F類CMOS功率放大器通過工作在線性電阻區(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,所以被廣泛用于頻段的收發(fā)裝置。圖2所示,在開關(guān)模式的功率放大器中,輸出級電路由大信號方波驅(qū)動。

 

  可以把輸出級晶體管看作一個按照設(shè)定頻率、占空比進行開關(guān)操作的電阻。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。在D類功率放大器中,通過改變輸入信號的占空比改變輸出功率,即脈寬調(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PA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 頻段收發(fā)器都提供漏極開路的功放輸出。在整個300MHz到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,Rsw是場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻,Cpa是等效的器件寄生電容總和,Cpkg是封裝電容,Cboard是板上電容。表1列出了Maxim 頻段主要收發(fā)器件的開關(guān)電阻和電容值。

 

  注意:開關(guān)導(dǎo)通電阻的典型值對應(yīng)于VDD = 2.7V的工作電壓;另外,板上寄生電容受布線影響很大。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],讀者可以利用這些資料作為技術(shù)背景??紤]到本文篇幅,這里只能提及兩點: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:

 

  如果電壓VDD = 3V,開關(guān)導(dǎo)通電阻Rsw = 22Ω,負載電阻RL = 400Ω,功率放大器的效率為80%,輸出功率為10.2dBm。當(dāng)然,電壓波形、開關(guān)導(dǎo)通電阻和負載電阻都是相關(guān)的,上式并不能精確計算效率??衫肧PICE建立開關(guān)模式功率放大器的理想模型,阻值為11Ω或22Ω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)模式功率放大器其輸出的功率較大,效率較高。較低開關(guān)導(dǎo)通電阻的功率放大器的缺點是,需要更大的電流對開關(guān)器件的寄生電容進行充放電。

  如上所述,為了提高效率,開關(guān)放大器的導(dǎo)通必須最小電壓附近打開。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(包括元件的寄生電容、封裝和印刷電路板上的寄生電容)。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=10和Q=5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。同時要注意的是,SPICE仿真時假設(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。

結(jié)論

  綜上所述,Maxim在ISM頻段的開關(guān)模式功率放大器的重要特點是:

  開關(guān)功率放大器通過工作在線性電阻區(qū)實現(xiàn)低工作電壓下效率和輸出功率間的優(yōu)化。這一點不同于A類、B類和C類功率放大器。

  所有Maxim的CMOS ISM頻段開關(guān)模式功率放大器都提供漏極開路輸出。用戶根據(jù)所需輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。這種靈活性使用戶在保證高效率的同時,可以調(diào)節(jié)射頻功率和電流損耗。

  為了最大化開關(guān)模式功率放大器的效率,開關(guān)必須在漏極電壓最低時打開,要實現(xiàn)最大效率,就要使開關(guān)模式功率放大器在工作頻率下所呈現(xiàn)的負載的虛部最小 (包括元件的寄生電容、封裝和板上寄生電容)。

  與功率放大器的負載相關(guān),漏極電流的最小值會出現(xiàn)在諧振頻率處。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和負載實現(xiàn)了最優(yōu)化。



評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉