e类射频功率放大器分析

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1、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

2、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0.6μmCMOS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

3、在可变电阻区，漏源之间有很小的电阻，假设为ron，这相当于开关闭合；如果输入电压Vin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(dIL/dt)，由于ron很小，所以Vd很小，近似为零。所以Vdd≈L(dIL/dt)，解之得到：lL≈(Vdd/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

4、电，就要损耗1/2×CVd2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Vdd，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

5、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Vdd2成正比，所以效率η=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=β[(Vgs-VT)Vds-(Vds2/2)]，0＜Vds＜Vgs-VT，Ids为漏极电流，Vgs是栅源电压，VT是器件的开启电压，β是M

6、OS晶体管的跨导系数。其中β=(με/tox)(W/L)；μ为沟道中电子的有效表面迁移率；ε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=εWL/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

7、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

8、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、Vin-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