射频E类功率放大器并联电容技术研究

1、射频E类功率放大器并联电容技术研究摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte0 引言功率放大器的效率包括放大器件效率和输出网络的传输效率两部分。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转换为交

2、流能量。晶体管转换能量的能力常用集电极效率c来表示，定义为式中：PDC为电源供给的直流功率；Pout为交流输出功率；Pc为消耗在集电极上的功率。表明要增大c就要尽量减小集电极耗散功率Pc。由于Pc是集电极瞬时电压与集电极瞬时电流在一个周期内的平均值。对于A、B、C类功率放大器来说，由于功率放大管工作于有源状态，集电极电流ic和集电极电压vc都比较大，因而，晶体管的集电极耗散功率也比较大，放大器的效率也就难以继续提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作状态的改进上。A、B、C功率放大器提高效率的途径是以减小导通角和增大激励功率为代价。另一种提高效率的途径是使晶体管工作在开关状态，即当ic

3、流通时口vc很小，甚至趋近于零；当ic截止时，vc很大，从而达到减小集电极耗散功率Pc的目的。E类功率放大器就是按照“ic与vc不同时出现”的原理来设计的，使得在任一时刻ic与vc的乘积均为零，Pc亦为零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E类功率放大器的电路结构。经过30多年的发展，E类放大器以其结构简单、效率高、可设计性强等优点，得到了广泛的应用，其理论效率可达100，实际效率达95。在E类功率放大电路中，并联电容的作用十分重要，它主要用来保证在晶体管截止的时间里，使集电极电压保持十分低的一个值，直到集电极电流减小到零为止。集电极电压的延迟上升，是E类功率放大器高

4、效率工作的必要条件。因此E类功率放大器并联电容的研究成为国内外的热点问题。本文将分析E类功率放大器中的并联电容及一些电路相关问题。1 E类功率放大器电路结构典型的E类功率放大器电路原理如图1所示，其中SW为等效晶体管开关(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout为晶体管寄生输出电容，Cext为附加电容，L1为高频扼流圈，L2，C2为串联谐振回路，但并不谐振于激励信号的基频，R为等效负载电阻。2 并联电容及分析2.1 并联电容在E类功率放大器中，晶体管工作在开关状态，当晶体管开关闭合时，集电极电压理想情况下将为零，同时将产生较大的集电极电流；当开关断开时，没有集电极电流流过晶体管，但

5、是存在集电极电压，从而避免了晶体管电流、电压的同时存在，减小晶体管在全开、全闭状态下的功率耗损。晶体管并联电容(C1)的作用是在晶体管由闭合到断开的瞬间保持在0 V状态下的集电极电压口vc。2.2 并联电容对电路的影响低频状态下工作时，并联电容假设为一个恒定不变的值。但是，随着频率的不断增加，当达到或超过900 MHz时，并联电容大小将和晶体管集电极衬底之间的寄生电容大小相比拟。因此，需要对高频情况下的并联电容进行分析。并联电容包括两部分：一部分是非线性晶体管寄生输出电容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是线性附加电容Cext式中：Cj0为零偏压时的电容；Vbi是晶体管内建电势(通常为0.50.9 V)；n为pn结的结渐变系数。E类功率放大器中非线性电容的存在对电路产生了诸多不良影响，如增加流过晶体管的最大电压、增加耗损、降低效率。并联电容的电纳会影响E类功率放大器效率能否达到100。式(3)给出了放大器频率和电容的函数关系。当电纳达到最大时能保证功率放大器理论效率为1式中：y为功率放大器导通