2.4GHz E類射頻功率放大器的設計

朱啟文+李偉

摘 要 射頻功率放大器是無線發射機的核心部分，本文在傳統經典射頻功率放大器理論研究的基礎上，采用將經典E類功率放大器的射頻扼流圈看做一般電感，采用新的設計方法，設計出了一款工作于2.4GHz頻段的射頻功率放大器。基于理想的設計方程，采用級聯反向器驅動級，在TSMC 0.18μm工藝環境下，設計出的偽差分放大器的飽和輸出功率可達29dBm，PAE為63%。

【關鍵詞】E類功放 2.4GHz 偽差分 飽和輸出功率

1 引言

隨著無線通信系統的發展，比如WCDMA、TD-SACDMA、CDMA2000等，大大加速了射頻功率放大器的研究和設計。射頻功率放大器是無線通信系統發射機的核心組成部分，功率放大器的性能指標直接影響整個通信系統的好壞，因此設計性能良好的功率放大器是當前無線通信系統亟待解決的問題。

射頻功率放大器用來輸出大功率給外部負載。功率放大器通常是無線發射機中功耗最大的模塊，為了降低功耗，延長電池壽命，要求它具有較高的效率。射頻功率放大器可分為傳統功率放大器和開關模式功率放大器，傳統功率放大器擁有良好的線性度，開關模式功率放大器則具有很高的效率。E類功率放大器是一種開關模式的功率放大器，擁有較高的效率，其可應用于手機藍牙系統、物聯網系統以及未來的可穿戴系統等，E類射頻功率放大器的效率理論上可達到100%。

2 E類功率放大器的原理和理論設計方程推倒

功率放大器實質上是一個能量轉換器，把電源供給的直流能量轉化為交流能量。其轉換能量的能力通常用漏極效率

，其中Pout為輸出功率，Pc為漏級耗散功率。該式表明，要增加漏級效率，就必須減少漏級耗散功率的消耗。當晶體管工作在開關狀態時，可以有效的減少漏級耗散功率的消耗。因為開關狀態的晶體管相當于一個開關，當開關閉合時，有電流通過；由于此時的導通電阻極小，晶體管的電壓很小，并且趨向于零。當晶體管斷開時，晶體管電壓雖然有點高，但無電流通過晶體管，從而達到減小耗散功率的目的。E類功率放大器就是按照電壓與電流不重疊出現而設計出來的，使得在任意時刻，電壓與電流的乘積為零，即耗散功率為零。圖1為E類功率放大器的拓撲結構圖。該拓撲機構由Grebennikov在2002年提出，經過10余年的發展，該放大器以其效率高，可設計性強等優點而被廣泛應用。

在該E類拓撲結構圖中，電感L1為電路提供直流偏置，電容C1為外加電容和晶體管寄生電容之和，電感L2和電容C2構成濾波諧振網絡，該諧振網絡諧振頻率為2.4GHz。RL為從晶體管獲得最大功率的最佳匹配負載。E類射頻功率放大器由單個晶體管和負載匹配網絡組成，在激勵信號的作用下，晶體管工作在開關狀態，當晶體管閉合時，晶體管漏端的電壓由晶體管本身決定，即由其自身的導通電阻決定，當晶體管斷開時，晶體管漏端的電壓波形由其后端的負載網絡的瞬態響應所決定。圖2為理想E類功率放大器兩端電壓、電流的波形圖。

為了使該功率放大器的效率達到100%，該功率放大器的瞬態響應網絡應該滿足以下三個條件：

（1）晶體管導通時，晶體管兩端的電壓必須為零，即晶體管的瞬態響應網絡應在晶體管導通之前，完成電荷的釋放；

（2）當晶體管截止時，晶體管兩端的電壓必須等晶體管完全截止后才開始上升；

（3）晶體管導通時，晶體管兩端電壓的導數為零。只有這樣，流過晶體管的電壓和電流才不會發生重疊，從而保證其100%的效率。根據以上三點，可以列出微分方程。通過對微分方程進行解析，可以得出E類功率放大器負載網絡各元器件的具體參數，具體的推倒過程文獻[1]已經列出。其各元器件參數的方程為：

其中，Pout為電路設計者需要功率放大器輸出的功率，QL為串聯諧振網絡的品質因子。

3 存在的問題和解決的方法

由于功率放大器輸出的是功率，且開關類的功率放大器和一般線性類功率放大器相比，晶體管的狀態完全不一樣，開關管工作在開關狀態，所以對于驅動開關管的信號幅度必須足夠大，這樣才能使晶體管充分的開啟和關閉。如圖1所示，開關管一般都是通過一個電感直接接電源，所以為了保證可以充分驅動開關管，前級電路必須可以提供一個從0V到電源電壓的驅動信號。其次，為了使該功率放大器的飽和輸出功率盡量的高，以提高其漏極效率和功率附加效率，本設計采用了偽差分電路設計，使得飽和輸出功率比單端增加了3dB，由于最佳負載是根據理論公式計算出來的，應該用負載牽引法，獲得最佳負載，從而獲得最大輸出功率。

3.1 反相器驅動電路設計

由于驅動電路必須可以提供從0伏到電源電壓的滿擺幅信號，因為在射頻前端中，功率放大器的前級電路是一個上變頻電路，上變頻電路的輸出信號幅度非常微弱，所以必須加驅動電路才能驅動開關管，如果采用一般的放大器電路，很難輸出一個滿擺幅的信號，綜合考慮本設計決定采用反相器級聯輸出方波信號的方式來解決該題。

圖3為反相器驅動的電路圖，該驅動電路由六個晶體管、兩個電阻、一個電容組成；其中電阻R1、R2用于為第一、第二個反相器提供直流偏置，第三級反相器的輸出端直接接需要驅動的開關管，C1為交流耦合電容。首先調整第一級反相器的參數，使得第一級反相器的靜態輸出為低電平，然后依次調整第二、第三級反向器的參數，使第二級靜態輸出為高電平，第三級靜態輸出為低電平，從而使后端的開關管靜態偏置在截止狀態。第一、第二、第三級反相器晶體管的尺寸按一定的比例增加，每一級反相器中PMOS管的寬長比應是NMOS管寬長比的倍數。使得級聯反相器能夠很好的輸出方波波形，驅動后面的晶體管。

3.2 差分電路設設計

本設計采用了如圖4所示的差分結構電路圖，在該差分結構電路中，各名稱相同的器件均為參數相同的器件，該差分結構電路由兩個參數完全相同的單端電路組成。輸入為差模電壓，任意時刻總是一個管子導通，一個管子截止。所以每一個周期電流兩次釋放到襯底，由此引起的耦合電流的頻率變為信號頻率的2倍，有利于減小襯底耦合給電路的干擾，其次在相同的電源電壓和輸出功率條件下，每個晶體管在差分結構中比在單端結構中承受的最大電流要小，如果在相同的電源電壓和電流下，差分結構比單端的輸出功率要高。

4 電路仿真結果與分析

5 結束語

E類射頻功率放大器是高效率的功率放大器，一直以來備受關注。本文對E類放大器的原理進行了簡單的介紹，對相關器件參數方程進行了推倒，設計出了功率放大器的驅動電路，采用偽差分的電路結構，提高了功放的飽和輸出功率的功率附加效率。為把E類功率放大器運用于高效率的平臺提供了參考。

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作者簡介

朱啟文（1990-），男，貴州省貴陽市人。現為貴州大學大數據學院在讀碩士研究生。主要研究方向為射頻集成電路方向。

作者單位

貴州大學貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室 貴州省貴陽市 550025

1.貴州大學大數據與信息工程學院 貴州省貴陽市 550025

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