高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放

　　系統設計需要考慮射頻鏈路的預算、天線(xiàn)設計、電池壽命及射頻調整電路等諸多因素，另外，還會(huì )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(hù)在保證高效率的同時(shí)，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(shí)不需要修正電路，而是簡(jiǎn)單地改變功率放大器的負載阻抗。

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

功率放大器類(lèi)型

A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)功率放大器

　　A類(lèi)功率放大器的信號有一個(gè)偏置點(diǎn)，當輸入信號幅度改變時(shí)，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的輸出阻抗為：

　　因此，A類(lèi)功率放大器的效率最大值為50% [1]。假設，在保證偏置電流為IDC的同時(shí)，M1漏極電壓擺幅最低可以到地電位。工作在線(xiàn)性電阻區會(huì )使A類(lèi)CMOS功率放大器的實(shí)際效率降低到40%以下。這意味著(zhù)工作電壓確定后，為了保持高效，A類(lèi)功率放大器的偏置電流必須隨著(zhù)輸出功率的改變而改變。由于A(yíng)類(lèi)功率放大器的偏置點(diǎn)不隨輸入信號的改變而改變，所以在注重增益的線(xiàn)性度的應用中，此類(lèi)功率放大器是最佳結構。

B類(lèi)和C類(lèi)功率放大器與A類(lèi)相比，可以實(shí)現更高效率，但通常輸出功率較低，并且有較大失真。

A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)功率放大器的共同特點(diǎn)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(xiàn)性電阻區。

D類(lèi)、E類(lèi)和F類(lèi)功率放大器

　　與A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)功率放大器相反，D類(lèi)、E類(lèi)和F類(lèi)CMOS功率放大器通過(guò)工作在線(xiàn)性電阻區來(lái)優(yōu)化效率和輸出功率。這些功率放大器通常被稱(chēng)作“開(kāi)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(shí)現高效率，所以被廣泛用于ISM頻段的收發(fā)裝置。圖2所示，在開(kāi)關(guān)模式的功率放大器中，輸出級電路由大信號方波驅動(dòng)。

　　可以把輸出級晶體管看作一個(gè)按照設定頻率、占空比進(jìn)行開(kāi)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動(dòng)信號的占空比和幅度、場(chǎng)效應管的導通電阻和功率放大器的負載電阻。在D類(lèi)功率放大器中，通過(guò)改變輸入信號的占空比改變輸出功率，即脈寬調制模式(PWM)。D類(lèi)功率放大器通常用于輸出功率連續變化的音頻領(lǐng)域。

　　對于E類(lèi)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(kāi)關(guān)導通時(shí)的漏極電壓。通過(guò)最小化輸出級開(kāi)關(guān)的導通壓降，可以降低開(kāi)關(guān)管的損耗，提高PA的整體效率。

　　F類(lèi)功率放大器與E類(lèi)功率放大器相似，但設計匹配網(wǎng)絡(luò )時(shí)要特別注意諧波阻抗，以實(shí)現最高效率。因為要考慮諧波電阻，F類(lèi)功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò )設計一般更復雜。

開(kāi)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(kāi)路的功放輸出。在整個(gè)300MHz到450MHz頻段內，占空比固定在25%。用戶(hù)根據所要求的輸出功率、電流損耗和諧波參數來(lái)設計匹配網(wǎng)絡(luò )。

圖3是開(kāi)關(guān)模式功率放大器輸出級的簡(jiǎn)單模型。

圖中，Rsw是場(chǎng)效應管的導通電阻，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 ISM頻段主要收發(fā)器件的開(kāi)關(guān)電阻和電容值。

　　注意：開(kāi)關(guān)導通電阻的典型值對應于VDD = 2.7V的工作電壓；另外，板上寄生電容受布線(xiàn)影響很大。E類(lèi)、F類(lèi)功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò )的設計可以參照文獻[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(diǎn)：首先，匹配網(wǎng)絡(luò )的設計必需使功率放大器的效率最高；其次，輸出級導通壓降較低時(shí)，功率放大器的效率最高。

開(kāi)關(guān)模式功率放大器的仿真

　　在許多低成本ISM頻段應用中，系統工程師可能受設計周期、費用、系統復雜度的限制而無(wú)法對匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化。小尺寸(高Q值)、價(jià)格便宜的天線(xiàn)在發(fā)射較高頻率時(shí)通常有較高效率，但是射頻調整電路限制了發(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?？紤]到這些因素，我們在分析功率放大器時(shí)假定輸出匹配網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，輸出電壓為正弦信號。如圖4所示。

　　假設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：

　　如果電源電壓VDD = 3V，開(kāi)關(guān)導通電阻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。當然，電壓波形、開(kāi)關(guān)導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(kāi)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為仿真結果。

　　圖6所示，開(kāi)關(guān)模式的功率放大器最顯著(zhù)的優(yōu)勢之一就是在保證卓越的直流－射頻轉換效率的同時(shí)，通過(guò)改變負載電阻，可以在寬范圍內改變輸出功率。另外，具有較小開(kāi)關(guān)導通電阻的開(kāi)關(guān)模式功率放大器其輸出的功率較大，效率較高。較低開(kāi)關(guān)導通電阻的功率放大器的缺點(diǎn)是，需要更大的電流對開(kāi)關(guān)器件的寄生電容進(jìn)行充放電。

　　如上所述，為了提高效率，開(kāi)關(guān)放大器的導通必須最小電壓附近打開(kāi)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)電阻驅動(dòng)的簡(jiǎn)單并聯(lián)諧振電路中，要實(shí)現最大效率，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(zhù)下降。圖7說(shuō)明Q=10和Q=5時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò )失諧后的結果。

　　如圖7所示，漏極電流的最小值發(fā)生在諧振頻率點(diǎn)。這一事實(shí)可以用于驗證現有匹配網(wǎng)絡(luò )是否已針對特定工作頻率實(shí)現了最優(yōu)化。同時(shí)要注意的是，SPICE仿真時(shí)假設：開(kāi)關(guān)電阻的打開(kāi)和閉合都是瞬間完成的；在開(kāi)關(guān)打開(kāi)和閉合的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的寄生電容并不隨之改變；諧振電感和電容沒(méi)有寄生阻抗。這些方面的影響使實(shí)際的開(kāi)關(guān)模式功率放大器的性能低于理想情況下的水平。在特殊的應用中，通常采用迭代的方法實(shí)現匹配網(wǎng)絡(luò )的最優(yōu)化。

結論

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

　　開(kāi)關(guān)功率放大器通過(guò)工作在線(xiàn)性電阻區實(shí)現低工作電壓下效率和輸出功率間的優(yōu)化。這一點(diǎn)不同于A(yíng)類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)功率放大器。

　　所有Maxim的CMOS ISM頻段開(kāi)關(guān)模式功率放大器都提供漏極開(kāi)路輸出。用戶(hù)根據所需輸出功率、電流損耗和諧波參數來(lái)設計匹配網(wǎng)絡(luò )。這種靈活性使用戶(hù)在保證高效率的同時(shí),可以調節射頻功率和電流損耗。

　　為了最大化開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率，開(kāi)關(guān)必須在漏極電壓最低時(shí)打開(kāi)，要實(shí)現最大效率，就要使開(kāi)關(guān)模式功率放大器在工作頻率下所呈現的負載的虛部最小 (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(huì )出現在諧振頻率處。這一事實(shí)可以用于驗證現有匹配網(wǎng)絡(luò )是否已針對特定工作頻率和負載實(shí)現了最優(yōu)化。