一種2.65GHz高效電流模式D類(lèi)功效放大器設計

　　引言

　　功率放大器(PA)的效率是整個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊系統效率最重要的影響因素，傳統的線(xiàn)性PA(包括A類(lèi)，B類(lèi)，AB類(lèi)和C類(lèi))具有良好的線(xiàn)性度，但效率卻非常低，造成了大量的能量損耗，這不僅增加了無(wú)線(xiàn)通訊系統的成本，并且給整個(gè)系統的散熱帶來(lái)了巨大的困難;而開(kāi)關(guān)類(lèi)功率放大器(SMPA)由于具有很高的效率，已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通訊行業(yè)的研究焦點(diǎn)。

　　在SMPA中，驅動(dòng)電壓幅度足夠強(過(guò)驅動(dòng))，使得輸出晶體管相當于受控的開(kāi)關(guān)，在完全導通(晶體管工作于線(xiàn)性區)和完全截止(晶體管工作于截止區)之間瞬時(shí)切換，在理想情況下，開(kāi)關(guān)上的電壓和電流沒(méi)有交疊，可以達到100%的效率[1]。然而在實(shí)際電路中，由于寄生阻抗和有限的開(kāi)關(guān)速度，晶體管并不是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，SMPA的效率會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而快速地下降。D類(lèi)PA作為最早被報道的SMPA已經(jīng)廣泛地應用于音頻領(lǐng)域。傳統的VMCD PA在每個(gè)信號周期內，晶體管漏極電容(Cds)的放電會(huì )造成了1/2CV2的能量損耗(V為晶體管導通瞬間時(shí)的初始漏極電壓)[2-3]，頻率越高，其造成的能量損耗越大，因此傳統的VMCD PA在高頻時(shí)無(wú)法實(shí)現較高的效率，其很少應用在射頻領(lǐng)域。E類(lèi)PA通過(guò)實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，在開(kāi)關(guān)導通的瞬間，晶體管上的電壓為零從而避免了電容放電造成的能量損耗[4]。然而不確定的占空比、非線(xiàn)性的電容和其他的寄生阻抗都會(huì )降低E類(lèi)PA的效率。

　　CMCD PA的出現提供了另一種實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)的方法，其漏極電壓為半正弦波，在晶體管導通和關(guān)閉的瞬間，晶體管上的電壓為零，避免了漏極電容放電造成的能量損耗。CMCD PA的出現使高頻D類(lèi)PA的實(shí)現成為可能，近些年許多高效率的射頻CMCD PA被報道出來(lái)[5-8]，其中頻率最高的達到了2.6GHz[7]。本文設計了一個(gè)工作在2.65GHz的高效CMCD PA，其EM仿真功率附加效率(PAE)達到了73%，輸出功率在10W以上。

　　1 D類(lèi) PA基本原理

　　圖1(a)所示是VMCD PA 的基本結構，兩個(gè)晶體管偏置于近似B類(lèi)的工作狀態(tài)且輸入信號相位相差為180°，因此兩個(gè)晶體管各導通半個(gè)周期。晶體管輸出端接一個(gè)串聯(lián)的LC濾波器，其諧振頻率為信號的中心頻率。串聯(lián)LC濾波器使得PA的輸出電流為標準正弦波形，圖1(b)所示是VMCD PA的理想電壓電流波形，每個(gè)晶體管的漏極電流為半正弦波，漏極電壓為方波，晶體管的漏極電流電壓波形不存在交疊，其效率為100%。實(shí)際電路中，晶體管的輸出電容Cds的放電會(huì )對漏電壓產(chǎn)生影響，使其無(wú)法成為標準的方波。在每個(gè)信號周期內電容放電造成的能量損耗為1/2CV2，頻率越高，能量損耗越高，因此VMCD PA在音頻頻段內較為流行，在射頻領(lǐng)域則很難保證高效率。

　　圖2(a)為CMCD PA的電路原理圖，這里將串聯(lián)LC濾波器換為并聯(lián)LC濾波器，并聯(lián)LC濾波器使得輸出電壓為標準的正弦波，圖2(b)為晶體管理想的電流和電壓波形，每個(gè)晶體管的漏極電壓為半正弦波，漏極電流為方波，晶體管的漏極電流電壓不存在交疊，其效率為100%。

　　相比VMCD PA，在開(kāi)關(guān)導通和關(guān)閉的瞬間，CMCD PA晶體管兩端電壓為零，避免了漏極電容放電所造成的能量損耗，實(shí)現了零電壓開(kāi)關(guān)，同時(shí)晶體管的漏極寄生電容，也可看作是并聯(lián)諧振器的一部分，從而減少了晶體管寄生電容對效率的影響。在高頻率時(shí)，CMCD PA相比VMCD PA具有更高的效率，并且VMCD PA通常需要輔助器件或者抽頭式變壓器才能正常工作，而CMCD PA可以通過(guò)巴倫結構實(shí)現。CMCD PA的出現使高頻D類(lèi)PA的實(shí)現成為可能。

　　通過(guò)上述分析，我們發(fā)現CMCD PA晶體管的漏極電流電壓波形與F-1類(lèi)PA一致，因此我們也可以將CMCD PA看作兩個(gè)push-pull結構的F-1類(lèi)PA[8]。F-1類(lèi)PA使用輸出濾波器對晶體管漏端電壓和電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體管漏端的電壓波形或者電流波形，使得它們沒(méi)有重疊區，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高PA的效率[1]。理想狀態(tài)下，F-1類(lèi)PA晶體管漏極電壓波中只含基波分量和偶次諧波分量，電流波只含基波分量和奇次諧波分量，漏極諧波輸出阻抗需要滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

　　其中，Z1為輸出電路基頻阻抗，Zn為輸出電路n次諧波阻抗，Zopt為基頻最佳輸出阻抗。在設計CMCD PA時(shí)我們可以借鑒F-1類(lèi)PA的設計方法，通過(guò)諧波匹配電路實(shí)現上述輸出阻抗，從而調節晶體管的漏極電壓和電流波形，提高CMCD PA的效率。