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高效率低谐波失真E类射频功率放大器的设计

作者:admin 发布时间:2019-07-08 11:06

  近年来,随着无线通讯的飞速开展,无线通讯里的中心局部——无线收发器越来越请求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积,而作为收发器中的最后一级,功率放大器所耗费的功率在收发器中已占到了60%~90%,严重影响了系统的性能。所以,设计一种高效低谐波失真的功率放大器关于进步收发器效率,降低电源损耗,进步系统性能都有非常严重的意义。
  笔者采用了SiGeBiCMOS工艺完成了集成E类功率放大器,其工作频率为1.8GHz,工作电压为1.5V,输出功率为26dBm,并具有高效率和低谐波失真的特性,适用于FM/FSK等恒包络调制信号的功率放大。为了到达设计目的,该功率放大器采用了一些特殊的办法,包括采用两级放大构造,差分和互补型穿插耦合反应构造。
  E类功率放大器的特性是将晶体管作开关管,相关于传统的将晶体管用作电流源的A、B、AB类功率放大器,具有更高的附加功率效率(PAE,poweraddedefficiency)。
  图1所示为理想E类功率放大器的原理图。其中,C为场效应管结电容和外接电容之和,ron为场效应管处于线性区时的漏源电阻。
  当输入电压大于阈值电压时,场效应管工作在线性区,相当于开关闭合,由于漏源间电阻ron很小,因而VD近似为0;而当输入电压小于阈值电压时,场效应管截止,相当于开关断开,ID为0。此时,C开端充电,惹起VD增加,调谐网络从VD中滤出基波,传输到负载电阻上。当开关再次闭合时,有VD=0和dVD/dt=0,从而使得场效应管上的电压和电流不同时呈现,消弭了由于充放电带来的(1/2)CV2的损耗,晶体管理想效率到达100%。
放大器的设计
  除了高效率,E类功放还有一个优点就是功率可调理性,即在保证输出效率的同时能较大范围的调理输出功率。由于场效应管相当于开关,所以输入电压的幅值不会影响输出功率的大小。同样的,当场效应管处于三极管区时,漏源间的电阻ron上会有功率耗费PLOSS,这是E类功放的最主要功率损耗。由于PLOSS与VD2成正比,我们能够将漏极效率表示为:
  其中,C为常数。这样,经过调理电压保证一定的输出功率,E类功放就能坚持较高效率。
  存在问题
  E类功放同样也具有不少的局限性。例如,由于VD比VDD大上三倍左右,所以在设计的时分就必需思索到击穿电压的影响,这样会使得输出的功率范围有很大的局限性。此外,为了减少ron带来的损耗,必需尽可能地增大宽长比,但是晶体管的面积越大,就会形成栅极的电容越大,使得在输入端需求更小的电感来停止耦合,这会对输入端信号提出更高的请求,很难经过BiCMOS工艺准确完成。而且大的栅漏电容会惹起输出端到输入端的强反应,这招致了输入和输出之间的耦合。最后,单
  图2所示为两级差分构造的功率放大器,其中M5、M8为第一级差分构造功率放大器,担任对第二级功率放大器提供大的驱动电压;M1和M2组成第二级差分功率放大器,而M6、M7和M3、M4分别构成了一、二级的穿插耦合正反应构造。
  差分构造
  图2所示的全差分构造可以处理衬底耦合的影响。由于在差分构造中,双端输出每个周期会向地泄放两次电流,由此使耦合电流的频率成为信号电流的两倍,这就消弭了衬底耦合对信号的干扰。另外,在相同的电源电压下,当提供相同的输出功率时,全差分构造中流过每个开关管的电流要比单端输出小得多,所以在不增加开关损耗的前提下,能够运用尺寸更小的晶体管,从而减小对输入信号的请求。
  LC振荡器
  为了减小ron带来的损耗,并且进步开关速度,通常M1和M2的宽长比都会做得比拟大,这样一来就会对输入端信号有更高的请求。
  图2所示的功率放大器采用了形式锁定技术,即LC振荡器构造,不只进一步降低了开关管的尺寸,而且加快了开关的转换速度。由M3、M4构成的振荡器中的穿插耦合局部,提供负阻来补偿电感L1、L2所惹起的损耗,并对输入开关管引入正反应。这样当LC振荡器工作在功率放大器的输入频率时,由于其输出端在M1和M2的漏极,会协助输入开关管在尽可能短的时间完成“开”和“关”状态的变化,从而能够进一步减小输入开关管的尺寸。经过调理LC振荡器参数,使得输出端以输入频率发作振荡,从而加快开关管的开启和关闭速度,到达减小开关管宽长比的目的。
  此外,相关于采用单端口输出构造的功率放大器,图2所示的穿插耦合构造的功率放大器,在实践应用中会得到更低的总谐波失真(THD)。由于采用了全差分构造,在输出端口会大幅度的削弱偶次谐波,所以在输出谐波中奇次谐波占主要位置。
  仿真结果与剖析
  本电路采用0.35μmSiGeBiCMOS的工艺停止仿真,由于SiGe晶体管具有较高的截止频率,契合工作频率在1.8GHz的请求。此外,它与CMOS工艺有很好的兼容性,能够完成高集成度的芯片。
  在Cadence上经过SpectreRF工具仿真后,得到输出功率和附加功率效率(PAE)随频率变化曲线(如图3所示)。当电源电压为1.5V,在1.8GHz时,PAE到达最大值45.4%,漏极效率也到达最大值的66.2%,此时的输出功率为26dBm。
  PAE和输出功率随频率变化曲线
  由还可看出,偶次谐波在输出端中并不占主导位置,它被大大的削弱了,相比单端口功率放大器,该器件在谐波失真方面有较大的改善。当输入频率为1.8GHz,电源的输出电流如图5所示,经过计算能够得到电源的输出功率为595.5mW。图6所示为漏极电压VD经过调谐网络后保存下的基次波局部波形,由此能够计算得到负载(50Ω)上的功率为394mW。