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功率放大器的設(shè)計技巧

發(fā)布時間： 2016-06-30 10:47:31 關(guān)注量：1768

無處不在的無線技術(shù)為高集成度電路創(chuàng)造了市場需求，比如發(fā)信機、接收機，以及片上頻率合成器等。硅CMOS技術(shù)把這種集成變?yōu)榭赡?，然?a href="http://www.rotarywinterwonderland.com/" target="_blank">功率放大器(PA)卻是個例外，它仍然是用非CMOS技術(shù)實現(xiàn)的典型。功率放大器能夠同其它無線構(gòu)建模塊緊湊集成到一起是再理想不過了。

功率放大器涉及到許多不同參數(shù)的分配，包括附加功率效率(PAE)、線性度、最大輸出功率、最大穩(wěn)定增益、輸入/輸出匹配、散熱和擊穿電壓。與許多RF組件設(shè)計技術(shù)一樣，這些要求常常彼此矛盾，例如，獲得較好的線性度往往以犧牲PAE指標(biāo)為代價。典型地，線性度用輸出三階截點(OIP3)、1-dB壓縮點(P1dB)、鄰道功率比(ACPR)AM-AM失真(AM/AM)以及AM-PA失真(AM/PM)來*估。線性度改善一般依賴使放大器輸出功率遠離其飽和輸出電平來實現(xiàn)，而且為了滿足給定的線性要求，會消耗更多的直流功率。

盡管許多這類折衷擺在功放設(shè)計師者面前，放大器電路仍然在過去幾年里得到充分地研究，可以查閱到很多設(shè)計方法。設(shè)計人員能設(shè)計出大量有意思的結(jié)構(gòu)。為探究用硅CMOS制造功放的可能性，本文首先分析了單端CMOS 功放，然后是差分COMOS PA。本報告涉及兩種改善線性度的簡單結(jié)構(gòu)，并在對高效率E類和F類CMOS PA討論后得出結(jié)論。

相當(dāng)一段時間內(nèi)，單端AB類PA在大量應(yīng)用里有可靠表現(xiàn)，這種類型實際上是A類與B類設(shè)計結(jié)合的混合體。在一個A類功放中，功率三極管在時間內(nèi)都不會出現(xiàn)偏置電流截止的情況。典型地，一個A類功放接近輸出最大功率，并有著突出的線性，盡管該方法的最佳理論效率只有50%。

通過在其導(dǎo)通門限處設(shè)置偏置，B類功放的效率得到改善，這個驅(qū)動放大器的輸出會使末級功率放大器反復(fù)導(dǎo)通和截止，末級功率三極管在該時刻的效率達到50%，這樣，B類設(shè)計使效率可以提高到78.5%。

AB類功率放大器實現(xiàn)A類與B類方法的折衷。晶體管的偏置比其導(dǎo)通電壓略高，但晶體管自始至終都沒有完全導(dǎo)通。AB類功放典型地采用多級實現(xiàn)(圖1)以提高PAE，不只是為提高效率。在設(shè)計中，器件M1是驅(qū)動FET，而M2是輸出級FET。輸入、輸出和中間級的阻抗匹配可以用L、T和Π型網(wǎng)絡(luò)來完成。漏極到柵極反饋常用在AB類功放設(shè)計里來改善穩(wěn)定性；這種反饋還能簡化阻抗匹配。在這個專門的設(shè)計里，電阻R3和R5以及電容C2和C6是反饋元件。電阻R1和R2，電阻R4和R5構(gòu)成簡單的電阻驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)來對晶體管進行偏置。通過采用不同的電阻分壓比，圖1的基本電路可以改換到其它多種PA結(jié)構(gòu)中，包括A類，B類和C類。

CMOS收發(fā)器一般采用差分電路來實現(xiàn)，以降低其對共模噪聲的敏感程度。圖2給出了一個標(biāo)準(zhǔn)的差分功放。它本質(zhì)上是兩個并聯(lián)的單端功放。FET M5，M6以及M7和M8構(gòu)成電阻分壓器。為使放大器同外部濾波器連接，需要一個平衡(差分)輸入濾波器，該濾波器的輸出可以是非平衡的，以便同單端天線接口；也可以設(shè)計成平衡輸出，以適用于雙極子天線。

由于單端濾波器和天線應(yīng)用廣泛，實際設(shè)計時會在功放內(nèi)部集成平衡非平衡(balun)變壓器，圖3給出一集成平衡非平衡變壓器的通用差分功放。這種設(shè)計從圖2的增益模塊結(jié)構(gòu)改進而來，并且采用了一種級聯(lián)形式。級聯(lián)降低了柵-漏極電容(Cgd)密勒效應(yīng)，并使輸入輸出端口隔離度增加，不用反饋也提高了放大器穩(wěn)定性。

同使用單級晶體管相比，這種設(shè)計方法還提高了增益。這里只詳細討論其中一級，因為整個電路使用了類似的電路結(jié)構(gòu)。較低一級的晶體管M1采用鏡像電流偏置，由于晶體管M10的作用，M1的偏置電流是偏置電流I2縮放。增加這樣一個“二極管”類型偏置的好處在于，該偏置電流能跟蹤功率FET的偏置變化情況，防止出現(xiàn)“熱失控”問題。類似于M3，頂層級聯(lián)晶體管被偏置在飽和區(qū)，這通過簡單地把其柵極跟電源連接而實現(xiàn)。這樣，柵極電壓Vgd總是低于門限電壓Vt，滿足保持在飽和區(qū)的要求。輸出平衡非平衡1倍變壓器可以用螺旋型集成電感來實現(xiàn)。電容C5和C6是平衡非平衡變壓器輸入的阻抗匹配元件。

許多研究團隊已經(jīng)演示驗證了E類CMOS 功放具有高效率。18、19圖5顯示出E類功放的一般性結(jié)構(gòu)。在這個兩級結(jié)構(gòu)設(shè)計里，器件M1和M6為驅(qū)動級，而晶體管M2和M5構(gòu)成最后輸出功率級。器件M3與M4起到控制器件來改善輸出器件M2和M5間的切換作用。

考查晶體管M3和M4工作情況的一種辦法是研究振蕩器注頻模式鎖定。E類功放會對輸入頻率/相位改變作出反應(yīng)而不是對幅度作出反應(yīng)。正如注頻模式鎖定理論解釋的那樣，如果有另一個源在附近，振蕩器會典型地振蕩在一個不同頻率。交叉耦合器件M3和M4以及儲能電路必然形成CMOS振蕩器。前往功率級的輸入信號必然會牽引基于M3和M4的振蕩器振蕩頻率。這種方案有助于通過降低輸入驅(qū)動要求來提高效率。

F類功放通過對輸出漏極電壓和漏極電流整形來提高效率。這種結(jié)構(gòu)可通過再次修改圖1中的AB類功放基本形式得到，即對第二級改動。該思想是讓晶體管M2的漏極對基頻和奇次諧波表現(xiàn)為高阻抗，這樣電壓波形就變成方波。不過，在偶次諧波頻率處，阻抗很低。這種諧波端接技術(shù)把電流整形為半正弦波。諧波端接用四分之一波長傳輸線(TRL)以及C7、C8和C9等電容來實現(xiàn)。盡管F類功放實現(xiàn)起來相當(dāng)直接，集成四分之一波長傳輸線卻仍是個挑戰(zhàn)，它一般被制作在功率放大器的印刷電路板上而不是在芯片上。

就其本身而言，CMOS 功放在性能上還不能同其他射頻/微波器件技術(shù)相競爭，如GaAs FET放大器，甚至GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。不過，但它確實為更高程度集成硅CMOS電路帶來了潛在希望，特別是在當(dāng)射頻電路必須與數(shù)字信號處理部分集成在收發(fā)器IC內(nèi)的時候。

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沈錦飛

1955年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師。主要從事電力電子電路、裝置與電能質(zhì)量控制的研究和教學(xué)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇，其中EI檢索5篇，獲得教育部科技進步獎、江蘇省教學(xué)成果獎、無錫市科技進步獎，多項發(fā)明專利，主編本科教材；被評為無錫市優(yōu)秀教師、市級先進個人。是中國自動化學(xué)會會員、江蘇省電工協(xié)會自動控制系統(tǒng)專委會委員、無錫市自動化學(xué)會理事、無錫市電機工程學(xué)會理事。

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顏文旭

1971 年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師?，F(xiàn)主要從事電力電子技術(shù)及智能控制、機電一體化及過程控制等領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇（其中EI收錄6篇），獲專利12項，參加編制十二五國家級規(guī)劃教材，國家自然科學(xué)基金項目，省青年科學(xué)基金項目，市級重點實驗室建設(shè)，主持方塊地毯自動包裝生產(chǎn)線開發(fā)、2.0MW風(fēng)力發(fā)電變流器、10kV高壓固態(tài)軟起動器、船舶壓載水物理強化處理核心技術(shù)...

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