射频cmos多频段功率放大器研究与设计

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1、2射频功率放大器的关键技术本章介绍了射频功率放大器设计的基本技术，包括衡量功率放大器的基本性能参数、放大器的匹配网络、功率放大器的稳定性和线性化。2．1功率放大器的基本性能参数无线通信系统中的功率放大器主要用来放大高频信号至需要的功率以使接收机能够收到所需要的信号，发射功率对于不同的应用差别很大，对于移动通信的基站来说，发射功率可以达到上百瓦特，对于卫星通信可以达到上千瓦特，而对于便携式的无线通信设备，发射功率从几十毫瓦到几百毫瓦不等‘61。2．1．1输出功率在设计功率放大器中，表征功率放大器的输出功率最常使用的一个单位是dBm，它表示0dBm的参照功率是lmW，这样输出功率

2、可以用下式表示：P‰。101。g高斋(2-1-1)式中P用瓦特表示，因此lW等于30dBm。不同系统所要求的输出功率不同，在个人无线通信系统中大致在1毫瓦(0dBm)到几瓦(35dBm)之间。为了获得这一范围的输出功率，视输入信号的情况，射频功率放大器的功率增益大约为20dB到40dB。2．1．2效率功率放大器的很大一部分功率都传递到负载上，而功率放大器的主要供电装置是电池，功率放大器将电池的直流功率转换成负载上的射频功率，除非功率转换是没有损失的，况且功率放大器本身也是消耗功率的。有多少直流功率被转换成射频功率是衡量功率放大器性能的一个重要指标，特别是对于便携式应用，因为这

3、直接影响到电池的寿命。因此我们定义一个量来表示功率的转换功能一功效，如式(2．1．2)所示：叩2毒P(2-1-2)对于理想的没有损耗的功率放大器效率为l。目前对于功率放大器最主要的问3题是如何提高功率放大器的效率。除了效率之外，我们也可以使用漏极效率来表征功率放大器，漏极效率的定义如式(2．1．3)所示：刁2ieo(2-I-3)这个等式向我们展示了最后一级功率放大器的效率。2．1．3附加功率效率(PAE)上述两个表示效率的量有一定的局限性，他们只考虑到射频输出功率和直流输入功率，所以一个没有任何功率增益的功率放大器却可以赋以很高的效率。因此，提出了另一种衡量效率的方法以得到一

4、个把功率增益考虑在内的性能指标。附加功率效率(PAE)就是在漏极效率公式中用输出和输入功率之间的差代替射频输出功率：p—pPAE=』塑坦—盟(2．1_4)昂c显然，附加功率效率将总是小于漏极效率。功率放大器的效率和线性度是两个互相矛盾的方面：输出功率越大，效率越高，由非线性引起的失真和干扰就越强。如何保持较高的效率和较大的功率，是射频功率放大器设计的核心。2．1．4线性度当有源器件工作在小信号状态时，可以将其特性线性化，忽略非线性效应，得到器件的小信号模型和s参量。但射频功率放大器工作在大信号状态，必须考虑有源器件的非线性效应。通常用两个指标来反映功率放大器的线性度，一个是增

5、益压缩，另一个是三阶互调。1．增益压缩：当功率放大器的输入信号幅度在某一范围内变化时，输出信号的幅度与输入信号的幅度呈线性关系，即放大器的增益保持衡定。但随着输入信号幅度的增加，功率放大器的增益开始下降，或者称为压缩，最终输出功率达到饱和。当放大器的增益比其小信号增益低ldB时，该点称为ldB压缩点，用来衡量功率放大器的线性度。ldB压缩点如图2．1所示。4图2．1功率放大器的1d压缩点Fig．2—1ldBCompressionPointofPA2．三阶互调：如果系统的输入为两个幅度相近、频率间隔很小的正弦波：X(t)=Acosoit+．4cosa】12t(2-l-5)由于器

6、件的非线性，在系统的输出信号中，除了基波分量蜴和哆外，还包含了它们的各种组合频率而不仅仅是谐波，即输出信号的频率分量为：缈=I埘q+m0021，m，万=-．--oo，⋯，一1，o，1，⋯，oO(2一l一6)m和n不为0时的频率分量相当于通过q和鸱相互调制而产生的，因此称为互调分量。由三次失真引起的互调分量称为三阶互调分量(IM3)，其中需要重点考虑的是2q一哆和2鸱一q这两项，因为它们就在基波分量附近，容易落在信道内，严重干扰有用信号。三阶互调分量的产生如图2．2所示：干扰段091哆—{卜—’卜2mt一吐q哆2哆一q∞图2-2三阶互调分量Fig．2-2Third-orderI

7、nter-modulationComponent5通常用三阶互调点(IP3)来衡量放大器的三阶互调失真程度。在小信号输入条件下，有用信号与三阶互调功率都随输入信号的功率线性增长。随着输入信号的功率不断增加，有用信号出现增益压缩，而高次失真则产生三阶互调。三阶互调点定义为小信号输入条件下的有用信号与三阶互调沿固定斜率延伸的交点，如图2．3所示。虽然三阶互调点在物理上是不存在的，但它可以很好的衡量电路的线性度。通常接收机的线性度用输入三阶截点(IIP3)衡量，发射机的线性度用输出三阶截点(OIP3)衡量。图