高效率低谐波失真E类射频功率放大器的设计

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——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　added efficiency）。

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。

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vd2成正比，我们可以将漏极效率表示为：

存在问题

图２所示为两级差分结构的功率放大器，其中ｍ5、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；m1和m2组成第二级差分功率放大器，而m6、m7和m3、m4分别构成了一、二级的交叉耦合正反馈结构。

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ｍ1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m3、m4构成的振荡器中的交叉耦合部分，提供负阻来补偿电感l1、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m1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

本电路采用0.35μm sige bicmos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1.5v，在1.8ghz时，pae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26dbm。