高效率低谐波失真E类RF功率放大器设计

高效率低谐波失真E类RF功率放大器设计引言近年来，随着无线通讯的飞速发展，无线通信里的核心部分一一无线收发器越来越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积，而作为收发器中的最后一级，功率放大器所消耗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对于提高收发器效率，降低电源损耗，提高系统性能都有十分重大的意义笔者采用了SiGe BiCMOS工艺实现了集成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点，适用于FM/FSK等恒包络调制信号的功率放大为了达到设计目标，该功率放大器采用了一些特殊的方法，包括采用两级放大结构，差分和互补型交叉耦合反馈结构E类功率放大器E类功放工作原理E类功率放大器的特点是将晶体管作开关管，相对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,power addedefficiency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图1E类功放原理图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，因此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开始充电，引起VD增力口,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出现，消除了由于充放电带来的1/2CV2的损耗，晶体管理想效率达到100%除了高效率，E类功放还有一个优点就是功率可调节性，即在保证输出效率的同时能较大范围的调节输出功率因为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上会有功率消耗PLOSS,这是E类功放的最主要功率损耗由于PLOSS与=C场二__POUT+「LOSSVD2成正比，我们可以将漏极效率表示为其中，C为常数这样，通过调节电压保证一定的输出功率，E类功放就能保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，因为VD比VDD大上三倍左右，所以在设计的时候就必须考虑到击穿电压的影响，这样会使得输出的功率范围有很大的局限性止匕外，为了减少ron带来的损耗，必须尽可能地增大宽长比，但是晶体管的面积越大，就会造成栅极的电容越大，使得在输入端需要更小的电感来进行耦合，这会对输入端信号提出更高的要求，很难通过BiCMOS工艺精确实现而且大的栅漏电容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电路设计与改进图2所示为两级差分结构的功率放大器，其中M

5、M8为第一级差分结构功率放大器，负责对第二级功率放大器提供大的驱动电压；Ml和M2组成第二级差分功率放大器，而M

6、M7和M

3、M4分别构成了

一、二级的交叉耦合正反馈结构LI LL2W$V V VVVV图2两级差分耦合功率放大器差分结构图2所示的全差分结构能够解决衬底耦合的影响由于在差分结构中，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，这就消除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，全差分结构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，可以使用尺寸更小的晶体管，从而减小对输入信号的要求LC振荡器为了减小ron带来的损耗，并且提高开关速度，通常Ml和M2的宽长比都会做得比较大，这样一来就会对输入端信号有更高的要求图2所示的功率放大器采用了模式锁定技术，即LC振荡器结构，不仅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M

3、M4构成的振荡器中的交叉耦合部分，提供负阻来补偿电感LI、L2所引起的损耗，并对输入开关管引入正反馈这样当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Ml和M2的漏极，会帮助输入开关管在尽可能短的时间完成“开”和“关”状态的变化，从而可以进一步减小输入开关管的尺寸通过调节LC振荡器参数，使得输出端以输入频率发生振荡，从而加快开关管的开启和关闭速度，达到减小开关管宽长比的目的此外，相对于采用单端口输出结构的功率放大器，图2所示的交叉耦合结构的功率放大器，在实际应用中会得到更低的总谐波失真（THD）因为采用了全差分结构，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地位仿真结果与分析本电路米用

0.35um SiGeBiCMOS的工艺进行仿真，因为SiGe晶体管具有较高的截止频率，符合工作频率在

1.8GHz的要求此外，它与CMOS工艺有很好的兼容性，可以实现高集成度的芯片在Cadence上通过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L5V,在

1.8GHz时，PAE

0.

10.035-03-DLZ-

0.1一aos-000-U IB

1.92JQFitqieicypHz达到最大值

45.4%,漏极效率也达到最大值的

66.2%,此时的输出功率为26dBmo图3PAE和输出功率随频率变化曲线由图4还可看出，偶次谐波在输出端中并不占主导地位，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，通过计算可以得到电源的输出功率为

595.5mW图6所示为漏极电压VD经过调谐网络后保留下的基次波部分波形，由此可以o计算得到负载（50Q）上的功率为394nl肌oooooooooooooTurf1000d3a-ICO-2CCI____-1___________________________I_J_________U.o ICC20GFrequency Hz图4输出端谐波图6输出电压波形。