高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放

摘要：在ISM 300MHz至450MHz波段的短波通訊中，低成本的ASK和/或FSK發(fā)送器和收發(fā)器是其核心器件。這些短程通信器件(SRD)的典型應(yīng)用是無線遙控門禁系統(tǒng)(RKE)、胎壓檢測(TPM)、遙控和安全系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計需要考慮射頻鏈路的預(yù)算、天線設(shè)計、電池壽命及射頻調(diào)整電路等諸多因素，另外，還會涉及到輸出功率與發(fā)送器電流消耗的折中。Maxim低廉的收發(fā)芯片(如：MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032)集成了獨特的功率放大器(PA)，允許用戶在保證高效率的同時，合理控制輸出功率和發(fā)送器電流損耗，這種折中控制是提高電池壽命的關(guān)鍵。Maxim器件在折中選擇輸出功率與共耗時不需要修正電路，而是簡單地改變功率放大器的負(fù)載阻抗。

本應(yīng)用筆記簡單介紹了功率放大器的理論，并給出了Maxim LFRF發(fā)送器和收發(fā)器內(nèi)部使用的PA的仿真結(jié)果。

功率放大器類型

A類、B類和C類功率放大器

A類功率放大器的信號有一個偏置點，當(dāng)輸入信號幅度改變時，器件消耗的平均電流并不改變。圖1中，M1可以看作是幅度為IDC的電流源。


圖1. A類功率放大器的結(jié)構(gòu)圖

放大器最大輸出功率對應(yīng)的輸出阻抗為：



最大輸出功率定義為：



因此，A類功率放大器的效率最大值為50% [1]。假設(shè)，在保證偏置電流為IDC的同時，M1漏極電壓擺幅最低可以到地電位。工作在線性電阻區(qū)會使A類CMOS功率放大器的實際效率降低到40%以下。這意味著工作電壓確定后，為了保持高效，A類功率放大器的偏置電流必須隨著輸出功率的改變而改變。由于A類功率放大器的偏置點不隨輸入信號的改變而改變，所以在注重增益的線性度的應(yīng)用中，此類功率放大器是最佳結(jié)構(gòu)。

B類和C類功率放大器與A類相比，可以實現(xiàn)更高效率，但通常輸出功率較低，并且有較大失真。

A類、B類和C類功率放大器的共同特點是有源器件被視作電壓控制電流源，并且不希望其工作在線性電阻區(qū)。

D類、E類和F類功率放大器

與A類、B類和C類功率放大器相反，D類、E類和F類CMOS功率放大器通過工作在線性電阻區(qū)來優(yōu)化效率和輸出功率。這些功率放大器通常被稱作“開關(guān)模式”功率放大器。因為這些功率放大器可以在低工作電壓下實現(xiàn)高效率，所以被廣泛用于ISM頻段的收發(fā)裝置。圖2所示，在開關(guān)模式的功率放大器中，輸出級電路由大信號方波驅(qū)動。




圖2. 開關(guān)模式功率放大器的結(jié)構(gòu)圖

可以把輸出級晶體管看作一個按照設(shè)定頻率、占空比進行開關(guān)操作的電阻。從圖2還可以看出，輸出級晶體管含有豐富的諧波成分。這些諧波成分取決于驅(qū)動信號的占空比和幅度、場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻和功率放大器的負(fù)載電阻。在D類功率放大器中，通過改變輸入信號的占空比改變輸出功率，即脈寬調(diào)制模式(PWM)。D類功率放大器通常用于輸出功率連續(xù)變化的音頻領(lǐng)域。

對于E類功率放大器，輸入信號的占空比恒定不變。匹配網(wǎng)絡(luò)用于最小化輸出級開關(guān)導(dǎo)通時的漏極電壓。通過最小化輸出級開關(guān)的導(dǎo)通壓降，可以降低開關(guān)管的損耗，提高PA的整體效率。

F類功率放大器與E類功率放大器相似，但設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)時要特別注意諧波阻抗，以實現(xiàn)最高效率。因為要考慮諧波電阻，F(xiàn)類功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一般更復(fù)雜。

開關(guān)模式功率放大器

所有Maxim的CMOS ISM頻段收發(fā)器都提供漏極開路的功放輸出。在整個300MHz到450MHz頻段內(nèi)，占空比固定在25%。用戶根據(jù)所要求的輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖3是開關(guān)模式功率放大器輸出級的簡單模型。


圖3. 開關(guān)模式功率放大器的簡化模型

圖中，Rsw是FET的導(dǎo)通電阻，Cpa是等效的器件寄生電容總和，Cpkg是封裝電容，Cboard是板上電容。表1列出了Maxim ISM頻段主要收發(fā)器件的開關(guān)電阻和電容值。

表1. 開關(guān)電阻和電容值

Part	Description	Rsw (Ω, typ)	Cpa + Cpkg + Cboard (pF)
MAX1472	ASK transmitter	22	2.2
MAX7044	ASK transmitter	11	2.6
MAX1479	ASK/FSK transmitter	22	2.3
MAX7030	ASK transceiver	22	2.4
MAX7031	FSK transceiver	22	2.4
MAX7032	ASK/FSK transceiver	22	2.4

注意：開關(guān)導(dǎo)通電阻的典型值對應(yīng)于VDD = 2.7V的工作電壓；另外，板上寄生電容受布線影響很大。E類、F類功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計可以參照文獻[2,3,4]，讀者可以利用這些資料作為技術(shù)背景。考慮到本文篇幅，這里只能提及兩點：首先，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必需使功率放大器的效率最高；其次，輸出級導(dǎo)通壓降較低時，功率放大器的效率最高。

開關(guān)模式功率放大器的仿真

在許多低成本ISM頻段應(yīng)用中，系統(tǒng)工程師可能受設(shè)計周期、費用、系統(tǒng)復(fù)雜度的限制而無法對匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。小尺寸(高Q值)、價格便宜的天線在發(fā)射較高頻率時通常有較高效率，但是射頻調(diào)整電路限制了發(fā)射信號的諧波成分。所以匹配網(wǎng)絡(luò)對諧波分量的抑制尤為重要。考慮到這些因素，我們在分析功率放大器時假定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過優(yōu)化，輸出電壓為正弦信號。如圖4所示。


圖4. 開關(guān)模式功率放大器的波形

假設(shè)功率放大器的負(fù)載電阻為RL，輸出電壓可低至0.1V，功率放大器的效率表示為：



如果電源電壓VDD = 3V，開關(guān)導(dǎo)通電阻Rsw = 22Ω，負(fù)載電阻RL = 400Ω，功率放大器的效率為80%，輸出功率為10.2dBm。當(dāng)然，電壓波形、開關(guān)導(dǎo)通電阻和負(fù)載電阻都是相關(guān)的，上式并不能精確計算效率。可利用SPICE建立開關(guān)模式功率放大器的理想模型，阻值為11Ω或22Ω的理想電阻與Q值為10的并聯(lián)諧振腔連接。圖5是仿真原理圖，圖6為仿真結(jié)果。


圖5. 理想開關(guān)模式功率放大器仿真原理圖


圖6. 理想開關(guān)模式功率放大器輸出功率與負(fù)載電阻的關(guān)系

圖6所示，開關(guān)模式的功率放大器最顯著的優(yōu)勢之一就是在保證卓越的直流－射頻轉(zhuǎn)換效率的同時，通過改變負(fù)載電阻，可以在寬范圍內(nèi)改變輸出功率。另外，具有較小開關(guān)導(dǎo)通電阻的開關(guān)模式功率放大器其輸出的功率較大，效率較高。較低開關(guān)導(dǎo)通電阻的功率放大器的缺點是，需要更大的電流對開關(guān)器件的寄生電容進行充放電。

如上所述，為了提高效率，開關(guān)放大器的導(dǎo)通必須最小電壓附近打開。在一個開關(guān)電阻驅(qū)動的簡單并聯(lián)諧振電路中，要實現(xiàn)最大效率，就要使功率放大器在工作頻率下的視在負(fù)載的虛部最小(包括元件的寄生電容、封裝和印刷電路板上的寄生電容)。如果網(wǎng)絡(luò)失諧，功率放大器的效率將顯著下降。圖7說明Q=10和Q=5時，匹配網(wǎng)絡(luò)失諧后的結(jié)果。


圖7. 理想開關(guān)模式功率放大器效率與失諧的關(guān)系

如圖7所示，漏極電流的最小值發(fā)生在諧振頻率點。這一事實可以用于驗證現(xiàn)有匹配網(wǎng)絡(luò)是否已針對特定工作頻率實現(xiàn)了最優(yōu)化。同時要注意的是，SPICE仿真時假設(shè)：開關(guān)電阻的打開和閉合都是瞬間完成的；在開關(guān)打開和閉合的過程中，開關(guān)的寄生電容并不隨之改變；諧振電感和電容沒有寄生阻抗。這些方面的影響使實際的開關(guān)模式功率放大器的性能低于理想情況下的水平。在特殊的應(yīng)用中，通常采用迭代的方法實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。

結(jié)論

綜上所述，Maxim在ISM頻段的開關(guān)模式功率放大器的重要特點是：

• 開關(guān)功率放大器通過工作在線性電阻區(qū)實現(xiàn)低工作電壓下效率和輸出功率間的優(yōu)化。這一點不同于A類、B類和C類功率放大器。
• 所有Maxim的CMOS ISM頻段開關(guān)模式功率放大器都提供漏極開路輸出。用戶根據(jù)所需輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。這種靈活性使用戶在保證高效率的同時手冊，可以調(diào)節(jié)射頻功率和電流損耗。
• 為了最大化開關(guān)模式功率放大器的效率，開關(guān)必須在漏極電壓最低時打開，要實現(xiàn)最大效率，就要使開關(guān)模式功率放大器在工作頻率下所呈現(xiàn)的負(fù)載的虛部最小(包括元件的寄生電容、封裝和板上寄生電容)。
• 與功率放大器的負(fù)載相關(guān)，漏極電流的最小值會出現(xiàn)在諧振頻率處。這一事實可以用于驗證現(xiàn)有匹配網(wǎng)絡(luò)是否已針對特定工作頻率和負(fù)載實現(xiàn)了最優(yōu)化。