E類射頻功率放大器電路改進與設計
2020-11-21 電子發燒友
引言
近年來，隨著無線通訊的飛速發展，無線通信裡的核心部分——無線收發器越來越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的體積，而作為收發器中的最後一級，功率放大器所消耗的功率在收發器中已佔到了60%～90%，嚴重影響了系統的性能。所以，設計一種高效低諧波失真的功率放大器對於提高收發器效率，降低電源損耗，提高系統性能都有十分重大的意義。
筆者採用了SiGe BiCMOS工藝實現了集成E類功率放大器，其工作頻率為1.8GHz，工作電壓為1.5V，輸出功率為26dBm，並具有高效率和低諧波失真的特點，適用於FM/FSK等恆包絡調製信號的功率放大。為了達到設計目標，該功率放大器採用了一些特殊的方法，包括採用兩級放大結構，差分和互補型交叉耦合反饋結構。
E類功率放大器
E類功放工作原理
E類功率放大器的特點是將電晶體作開關管，相對於傳統的將電晶體用作電流源的A、B、AB類功率放大器，具有更高的附加功率效率（PAE，power added efficiency）。
圖1所示為理想E類功率放大器的原理圖。其中，C為場效應管結電容和外接電容之和，ron為場效應管處於線性區時的漏源電阻。
圖1 E類功放原理圖
當輸入電壓大於閾值電壓時，場效應管工作在線性區，相當於開關閉合，由於漏源間電阻ron很小，因此VD近似為0；而當輸入電壓小於閾值電壓時，場效應管截止，相當於開關斷開，ID為0。此時，C開始充電，引起VD增加，調諧網絡從VD中濾出基波，傳輸到負載電阻上。當開關再次閉合時，有VD=0和dVD/dt =0，從而使得場效應管上的電壓和電流不同時出現，消除了由於充放電帶來的（1/2）CV2的損耗，電晶體理想效率達到100%。
除了高效率，E類功放還有一個優點就是功率可調節性，即在保證輸出效率的同時能較大範圍的調節輸出功率。因為場效應管相當於開關，所以輸入電壓的幅值不會影響輸出功率的大小。同樣的，當場效應管處於三極體區時，漏源間的電阻ron上會有功率消耗PLOSS，這是E類功放的最主要功率損耗。由於PLOSS與VD2成正比，我們可以將漏極效率表示為：
其中，C為常數。這樣，通過調節電壓保證一定的輸出功率，E類功放就能保持較高效率。
存在問題
E類功放同樣也具有不少的局限性。例如，因為VD比VDD大上三倍左右，所以在設計的時候就必須考慮到擊穿電壓的影響，這樣會使得輸出的功率範圍有很大的局限性。此外，為了減少ron帶來的損耗，必須儘可能地增大寬長比，但是電晶體的面積越大，就會造成柵極的電容越大，使得在輸入端需要更小的電感來進行耦合，這會對輸入端信號提出更高的要求，很難通過BiCMOS工藝精確實現。而且大的柵漏電容會引起輸出端到輸入端的強反饋，這導致了輸入和輸出之間的耦合。最後，單端輸出電路每個周期都要向地或者矽襯底洩放一次大的電流，這可能會引起襯底耦合電流的頻率和輸入、輸出信號的頻率相同，從而在輸出端產生了錯誤的信號。
電路設計與改進
圖２所示為兩級差分結構的功率放大器，其中Ｍ5、M8為第一級差分結構功率放大器，負責對第二級功率放大器提供大的驅動電壓；M1和M2組成第二級差分功率放大器，而M6、M7和M3、M4分別構成了一、二級的交叉耦合正反饋結構。
圖2 兩級差分耦合功率放大器
差分結構
圖2所示的全差分結構能夠解決襯底耦合的影響。由於在差分結構中，雙端輸出每個周期會向地洩放兩次電流，由此使耦合電流的頻率成為信號電流的兩倍，這就消除了襯底耦合對信號的幹擾。另外，在相同的電源電壓下，當提供相同的輸出功率時，全差分結構中流過每個開關管的電流要比單端輸出小得多，所以在不增加開關損耗的前提下，可以使用尺寸更小的電晶體，從而減小對輸入信號的要求。
ＬＣ振蕩器
為了減小ron帶來的損耗，並且提高開關速度，通常Ｍ1和Ｍ2的寬長比都會做得比較大，這樣一來就會對輸入端信號有更高的要求。
圖2所示的功率放大器採用了模式鎖定技術，即LC振蕩器結構，不僅進一步降低了開關管的尺寸，而且加快了開關的轉換速度。由M3、M4構成的振蕩器中的交叉耦合部分，提供負阻來補償電感L1、L2所引起的損耗，並對輸入開關管引入正反饋。這樣當ＬＣ振蕩器工作在功率放大器的輸入頻率時，由於其輸出端在M1和M2的漏極，會幫助輸入開關管在儘可能短的時間完成「開」和「關」狀態的變化，從而可以進一步減小輸入開關管的尺寸。通過調節ＬＣ振蕩器參數，使得輸出端以輸入頻率發生振蕩，從而加快開關管的開啟和關閉速度，達到減小開關管寬長比的目的。
此外，相對於採用單埠輸出結構的功率放大器，圖2所示的交叉耦合結構的功率放大器，在實際應用中會得到更低的總諧波失真（THD）。因為採用了全差分結構，在輸出埠會大幅度的削弱偶次諧波，所以在輸出諧波中奇次諧波佔主要地位。
仿真結果與分析
本電路採用0.35μm SiGe BiCMOS的工藝進行仿真，因為SiGe電晶體具有較高的截止頻率，符合工作頻率在1.8GHz的要求。此外，它與CMOS工藝有很好的兼容性，可以實現高集成度的晶片。
在Cadence上通過SpectreRF工具仿真後，得到輸出功率和附加功率效率（PAE）隨頻率變化曲線（如圖3所示）。當電源電壓為1.5V，在1.8GHz時，PAE達到最大值45.4%，漏極效率也達到最大值的66.2%，此時的輸出功率為26dBm。
圖3 PAE和輸出功率隨頻率變化曲線
由圖4還可看出，偶次諧波在輸出端中並不佔主導地位，它被大大的削弱了，相比單埠功率放大器，該器件在諧波失真方面有較大的改善。當輸入頻率為1.8GHz，電源的輸出電流如圖5所示，通過計算可以得到電源的輸出功率為595.5mW。圖6所示為漏極電壓VD經過調諧網絡後保留下的基次波部分波形，由此可以計算得到負載（50Ω）上的功率為394mW。
圖4 輸出端諧波
圖5 電源電流
圖6 輸出電壓波形
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