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E类射频功率放大器分析作者：佚名来源：嵌入式公社发布时间：2010-7-81 引言 作为发射器的最后一级，功率放大器供给负载所需要的、额定的不失真功率以控制负载工作，使得信号通过天线发送出去，同时减少误码。它不要求最大的功率放大倍数，而是要求获得最大的、不失真（或者失真但合乎要求）的输出功率。由于移动通信的普及，提高手机的功率效率、降低电源消耗、减小体积重量、延长通话时间成为开发移动电话急需解决的技术问题。在系统的功耗中发射机占了绝大部分，其末级的功率放大器又是最关键的部件，存在着较大的功率损耗。对于不同类型的发射机，末级功率放大器占整个系统功耗的60% 90%，制约了系统性能。因此，需要设计一种高效率功放，这对于常规的电子设备，例如中继通信站等，提高效率，降低电源损耗、降低维护成本也有重要的意义。 本文研究了一个用0.6m CMOS工艺实现的功率放大器， E型功率放大器具有很高的效率，它工作在开关状态，电路结构简单，理想功率效率为 100%，适应于恒包络信号的放大，例如FM和GMSK等通信系统。 2 工作原理 下面用图1所示的原理图进行说明E型功率放大器的工作机理。当输入电压Vin大于开启电压时，晶体管工作在可变电阻区，漏源之间有很小的电阻，假设为r on，这相当于开关闭合；如果输入电压V in小于开启电压时，MOS管处于截至状态，没有电流流过漏级，这相当开关断开，因此电路原型可以用图2所示的模型表示，电容 C为MOS管的结电容或者外接电容。当开关闭合时，如图3所示，有 Vdd-Vd=L(d IL/dt)，由于ron 很小，所以Vd很小，近似为零。所以 VddL(dIL/d t)，解之得到：lL(V dd/L)t+ IL0，IL0是电感电流的初始值，可以看出当开关闭合后电流随时间线性增长。在开关闭合时，如果电容不能充分放电，就要损耗1/2CVd2的能量，所以电容必须能够在输入电压变化的瞬间充分放电，也即当dVd /dt=0时，Vd=0。一个信号由无数个谐波分量组成，利用 L1和C1组成的滤波器从 Vd的各次谐波中选择等于输入电压频率的基波分量，这也就对信号进行了相位或者频率的调制，在功率放大以后传送到负载上。电路中的参数随输入变化的关系如图5 所示。由于ron很小，所以在开关闭合的时候， ron上的电压远远小于电源电压V dd，它不会显著地影响输出回路中的电流，因此负载的输出功率基本上不受晶体管特性的影响。电路中每个节点的电压值都和电源的电压成正比，所以传送到负载上的功率也就和Vdd2成正比，同样 ron消耗的功率也和Vdd 2成正比，所以效率=PRL / (Pron+PRL)在一定的范围内为一定值，同时通过调整电压可以保证一定的输出功率。 3 存在的问题及解决措施 虽然图1所示的电路在形式上简单，但是本身带有很多的问题。例如，作为开关使用的晶体管工作在可变电阻区，由于本身固有电阻 ron的存在，Ids= (Vgs-VT) Vds-(Vds2 /2)，0VdsVgs -VT，Ids为漏极电流， Vgs是栅源电压，VT是器件的开启电压，是MOS晶体管的跨导系数。其中=( /tox)(W/L)； 为沟道中电子的有效表面迁移率；是栅绝缘层的介电常数； tox是栅绝缘层的厚度；W是沟道宽度； L是沟道长度。为了减少电阻ron的损耗，它的宽长比要尽量的大。晶体管的输入电容C =WL/tox一般都是通过感性负载耦合掉，超过一定的宽长比后，需要耦合的电感值就会太小，很难用CMOS工艺精确实现，而且大的栅漏电容 Cgd会引起输出端到输入端的强反馈，这导致了输入和输出之间的耦合。最后，单端输出电路每个周期都要向地或者硅衬底泄放一次大的电流，这可能会引起衬底耦合电流的频率和输入、输出信号的频率相同，从而在输出端产生了错误的信号? 3.1 差分结构 采用如图6的差分结构可以解决衬底耦合的影响。在差分结构中，输入端为差模电压。任意时刻，一个晶体管导通工作在可变电阻区，另一个工作在截止区，所以电流在一个周期中泄放到地或者衬底两次，由此而引起的耦合电流的频率为信号频率的两倍，这就消除了衬底耦合对信号的干扰。在同样的电源电压和输出功率条件下， Vd+只需为单端电压的1/2，因此通过差分结构中的每个晶体管的电流要比单端的小得多，所以在不增加开关消耗全部功率条件下，可以使用尺寸较小的开关晶体管。3.2 交叉耦合结构 为了减小由于电阻ron 引起的损耗，引入了如图7所示的交叉耦合反馈结构。交叉耦合反馈使得晶体管可以在尽量短的时间内完成开和关状态的变化，功能如图8所示。假设 Vin+为正的高电压、V in-为负电压，Vin +高于开启电压VT， M1工作在可变电阻区，所以Vd+ 的电压为零点几伏，接近零；由于Vin -低于M4的开启电压， M4截止，Vd+作为M3的输入电压，其数值小于M3的开启电压，M3截止，因此加速了M4进入截止区；同时由于V d-的电压接近于Vdd ，Vd-作为M2的输入电压使得M2导通，这同样加速了晶体管M1进入深饱和。Vin+为负电压，V in-为正的高电压的情形类似。 4 电路实例 4.1 电路分析 图9是电路实例。为了增大功率增益采用了二级放大结构，M1,M4分别和M5,M8组成第一、二级差分结构；M2,M3分别和M6,M7组成相应的第一、二级交叉耦合正反馈；L1, L2, L3,L4 为激励电感；L5,L6 ,C1组成谐振与信号频率的谐振电路； RL为负载电阻。 4.2 参数选择 本电路采用的是0.6m工艺。M1,M2,M3 ,M4：W=1680m，L=0.6m；M5,M8：W =6172m，L=0.6m；M6,M7：W=8230m， L=0.6m。L1,L2 , L3 ,L4为0.37nH；L5 ,L6 为0.8 nH；C1=5.1pF；RL =50W。 4.3 模拟结果 PSPICE上模拟得到：在1.75GHz，V dd=1.5V时，效率为70%，附加功率增益为45%，增益为10，带宽为560MH