2.4GHz E類射頻功率放大器的設計

朱啟文+李偉

摘 要 射頻功率放大器是無線發(fā)射機的核心部分，本文在傳統(tǒng)經典射頻功率放大器理論研究的基礎上，采用將經典E類功率放大器的射頻扼流圈看做一般電感，采用新的設計方法，設計出了一款工作于2.4GHz頻段的射頻功率放大器。基于理想的設計方程，采用級聯(lián)反向器驅動級，在TSMC 0.18μm工藝環(huán)境下，設計出的偽差分放大器的飽和輸出功率可達29dBm，PAE為63%。

【關鍵詞】E類功放 2.4GHz 偽差分 飽和輸出功率

1 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，比如WCDMA、TD-SACDMA、CDMA2000等，大大加速了射頻功率放大器的研究和設計。射頻功率放大器是無線通信系統(tǒng)發(fā)射機的核心組成部分，功率放大器的性能指標直接影響整個通信系統(tǒng)的好壞，因此設計性能良好的功率放大器是當前無線通信系統(tǒng)亟待解決的問題。

射頻功率放大器用來輸出大功率給外部負載。功率放大器通常是無線發(fā)射機中功耗最大的模塊，為了降低功耗，延長電池壽命，要求它具有較高的效率。射頻功率放大器可分為傳統(tǒng)功率放大器和開關模式功率放大器，傳統(tǒng)功率放大器擁有良好的線性度，開關模式功率放大器則具有很高的效率。E類功率放大器是一種開關模式的功率放大器，擁有較高的效率，其可應用于手機藍牙系統(tǒng)、物聯(lián)網系統(tǒng)以及未來的可穿戴系統(tǒng)等，E類射頻功率放大器的效率理論上可達到100%。

2 E類功率放大器的原理和理論設計方程推倒

功率放大器實質上是一個能量轉換器，把電源供給的直流能量轉化為交流能量。其轉換能量的能力通常用漏極效率

，其中Pout為輸出功率，Pc為漏級耗散功率。該式表明，要增加漏級效率，就必須減少漏級耗散功率的消耗。當晶體管工作在開關狀態(tài)時，可以有效的減少漏級耗散功率的消耗。因為開關狀態(tài)的晶體管相當于一個開關，當開關閉合時，有電流通過；由于此時的導通電阻極小，晶體管的電壓很小，并且趨向于零。當晶體管斷開時，晶體管電壓雖然有點高，但無電流通過晶體管，從而達到減小耗散功率的目的。E類功率放大器就是按照電壓與電流不重疊出現而設計出來的，使得在任意時刻，電壓與電流的乘積為零，即耗散功率為零。圖1為E類功率放大器的拓撲結構圖。該拓撲機構由Grebennikov在2002年提出，經過10余年的發(fā)展，該放大器以其效率高，可設計性強等優(yōu)點而被廣泛應用。

在該E類拓撲結構圖中，電感L1為電路提供直流偏置，電容C1為外加電容和晶體管寄生電容之和，電感L2和電容C2構成濾波諧振網絡，該諧振網絡諧振頻率為2.4GHz。RL為從晶體管獲得最大功率的最佳匹配負載。E類射頻功率放大器由單個晶體管和負載匹配網絡組成，在激勵信號的作用下，晶體管工作在開關狀態(tài)，當晶體管閉合時，晶體管漏端的電壓由晶體管本身決定，即由其自身的導通電阻決定，當晶體管斷開時，晶體管漏端的電壓波形由其后端的負載網絡的瞬態(tài)響應所決定。圖2為理想E類功率放大器兩端電壓、電流的波形圖。

為了使該功率放大器的效率達到100%，該功率放大器的瞬態(tài)響應網絡應該滿足以下三個條件：

（1）晶體管導通時，晶體管兩端的電壓必須為零，即晶體管的瞬態(tài)響應網絡應在晶體管導通之前，完成電荷的釋放；

（2）當晶體管截止時，晶體管兩端的電壓必須等晶體管完全截止后才開始上升；

（3）晶體管導通時，晶體管兩端電壓的導數為零。只有這樣，流過晶體管的電壓和電流才不會發(fā)生重疊，從而保證其100%的效率。根據以上三點，可以列出微分方程。通過對微分方程進行解析，可以得出E類功率放大器負載網絡各元器件的具體參數，具體的推倒過程文獻[1]已經列出。其各元器件參數的方程為：

其中，Pout為電路設計者需要功率放大器輸出的功率，QL為串聯(lián)諧振網絡的品質因子。

3 存在的問題和解決的方法

由于功率放大器輸出的是功率，且開關類的功率放大器和一般線性類功率放大器相比，晶體管的狀態(tài)完全不一樣，開關管工作在開關狀態(tài)，所以對于驅動開關管的信號幅度必須足夠大，這樣才能使晶體管充分的開啟和關閉。如圖1所示，開關管一般都是通過一個電感直接接電源，所以為了保證可以充分驅動開關管，前級電路必須可以提供一個從0V到電源電壓的驅動信號。其次，為了使該功率放大器的飽和輸出功率盡量的高，以提高其漏極效率和功率附加效率，本設計采用了偽差分電路設計，使得飽和輸出功率比單端增加了3dB，由于最佳負載是根據理論公式計算出來的，應該用負載牽引法，獲得最佳負載，從而獲得最大輸出功率。

3.1 反相器驅動電路設計

由于驅動電路必須可以提供從0伏到電源電壓的滿擺幅信號，因為在射頻前端中，功率放大器的前級電路是一個上變頻電路，上變頻電路的輸出信號幅度非常微弱，所以必須加驅動電路才能驅動開關管，如果采用一般的放大器電路，很難輸出一個滿擺幅的信號，綜合考慮本設計決定采用反相器級聯(lián)輸出方波信號的方式來解決該題。

圖3為反相器驅動的電路圖，該驅動電路由六個晶體管、兩個電阻、一個電容組成；其中電阻R1、R2用于為第一、第二個反相器提供直流偏置，第三級反相器的輸出端直接接需要驅動的開關管，C1為交流耦合電容。首先調整第一級反相器的參數，使得第一級反相器的靜態(tài)輸出為低電平，然后依次調整第二、第三級反向器的參數，使第二級靜態(tài)輸出為高電平，第三級靜態(tài)輸出為低電平，從而使后端的開關管靜態(tài)偏置在截止狀態(tài)。第一、第二、第三級反相器晶體管的尺寸按一定的比例增加，每一級反相器中PMOS管的寬長比應是NMOS管寬長比的倍數。使得級聯(lián)反相器能夠很好的輸出方波波形，驅動后面的晶體管。

3.2 差分電路設設計

本設計采用了如圖4所示的差分結構電路圖，在該差分結構電路中，各名稱相同的器件均為參數相同的器件，該差分結構電路由兩個參數完全相同的單端電路組成。輸入為差模電壓，任意時刻總是一個管子導通，一個管子截止。所以每一個周期電流兩次釋放到襯底，由此引起的耦合電流的頻率變?yōu)樾盘栴l率的2倍，有利于減小襯底耦合給電路的干擾，其次在相同的電源電壓和輸出功率條件下，每個晶體管在差分結構中比在單端結構中承受的最大電流要小，如果在相同的電源電壓和電流下，差分結構比單端的輸出功率要高。

4 電路仿真結果與分析

5 結束語

E類射頻功率放大器是高效率的功率放大器，一直以來備受關注。本文對E類放大器的原理進行了簡單的介紹，對相關器件參數方程進行了推倒，設計出了功率放大器的驅動電路，采用偽差分的電路結構，提高了功放的飽和輸出功率的功率附加效率。為把E類功率放大器運用于高效率的平臺提供了參考。

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作者簡介

朱啟文（1990-），男，貴州省貴陽市人。現為貴州大學大數據學院在讀碩士研究生。主要研究方向為射頻集成電路方向。

作者單位

貴州大學貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室 貴州省貴陽市 550025

1.貴州大學大數據與信息工程學院 貴州省貴陽市 550025

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