高效率E类射频功率放大器

1、高效率e类射频功率放大器作为放射器的最后一级，功率供应负载所需要的、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，同时削减误码。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。因为移动通信的普及，提高手机的功率效率、降低电源消耗、减小体积分量、延伸通话时光成为开发移动电话急需解决的技术问题。在系统的功耗中放射机占了绝大部分，其末级的又是最关键的部件，存在着较大的功率损耗。对于不同类型的放射机，末级功率放大器占囫囵系统功耗的60% 90%，制约了系统性能。因此，需要设计一种高效率功放，这对于常规的设备，例如中继通信站等，提高效率，降低电源损耗、

2、降低维护成本也有重要的意义。本文讨论了一个用0.6m 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，结构容易，抱负功率效率为 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所示的原理图举行解释e型功率放大器的工作机理。当输入vin大于开启电压时，晶体管工作在可变区，漏源之间有很小的电阻，假设为r on，这相当于开关闭合；假如输入电压v in小于开启电压时，mos管处于截至状态，没有流过漏级，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， c为mos管的结电容或者外接电容。当开关闭合时，3所示，有 vdd-vd=l(d i

3、l/dt)，因为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是电流的初始值，可以看出当开关闭合后电流随时光线性增长。在开关闭合时，假如电容不能充分放电，就要损耗1/2×cvd2的能量，所以电容必需能够在输入电压变幻的眨眼充分放电，也即当dvd /dt=0时，vd=0。一个信号由很多个谐波重量组成，利用 l1和c1组成的从 vd的各次谐波中挑选等于输入电压频率的基波重量，这也就对信号举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幻的关系5 所示。因为ron很小，所以在开关闭合的时候

4、， 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，同时通过调节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容易，但是本身带有无数的问题。例如，作为开关用法的晶体管工作在可变电阻区，因为本身固有电阻 ron的存在，ids= (vgs-vt) vds-(vds2 /2)，0vdsvgs -vt，i

5、ds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。为了削减电阻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普通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工艺精的确现，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

6、号的频率相同，从而在输出端产生了错误的信号?3.1 差分结构采纳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。随意时刻，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，这就消退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，所以在不增强开关消耗所有功率条件下，可以用法尺寸较小的开关晶体管。3.2 交错耦合结构为了减小因为电阻ron 引起的损耗，引入了7所示的交错耦合反馈结构。交错耦合反馈使

7、得晶体管可以在尽量短的时光内完成"开"和"关"状态的变幻，功能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，临近零；因为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；同时因为v d-的电压临近于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

8、增益采纳了二级放大结构，m1,m4分离和m5,m8组成第一、二级差分结构；m2,m3分离和m6,m7组成相应的第一、二级交错耦合正反馈；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 参数挑选本电路采纳的是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pse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560mhz。其结果由图1