文档介绍：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: 2010-7-8 1 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 μm CMOS 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, 晶体管工作在可变电阻区, 漏源之间有很小的电阻, 假设为 r on ,这相当于开关闭合;如果输入电压 V in 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(d IL/dt) ,由于 ron 很小, 所以 Vd 很小,近似为零。所以 Vdd ≈ L(dIL/d t) ,解之得到: lL≈(V dd/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 V dd ,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 Vdd 2 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 <V gs -VT , Ids 为漏极电流, Vgs 是栅源电压, VT 是器件