CMOS伪差分E类射频功率放大器设计

摘要 分析了E类功放的非理想因素，其中着重分析寄生电感对系统性能的影响，采用伪差分E类功放结构有效地抑制寄生电感的影响。最后基于理想的设计方程和Load Pull技术，采用0．18μmCMOS工艺，设计出高效率的差分E类功率放大器。在电源电压1．8 V，温度25℃，输入信号O dBm条件下，具有最大输出功率26．1 dBm，PAE为60．2％。
关键词 伪差分E类；射频功率放大器；Load pull技术；寄生电感；CMOS

E类功率放大器是一种高效率的功率放大器，在理想情况下，它可以达到100％的效率。在这种功率放大器中，功率管的驱动电压幅度必须足够强，使得输出功率管相当于一个受控的开关，在完全导通(晶体管工作于线性区)和完全截止(晶体管工作于截止区)之间瞬时切换。由于流过理想开关的电流波形和开关上的电压波形没有重叠，理想开关不消耗功耗，电源提供的直流功耗都转换为输出功率，将达到100％的效率。
本文针对蓝牙系统，设计时考虑寄生电感的影响，采用TSMC 0．18μm CMOS工艺设计出了一个差分E类功率放大器，有效地抑制了寄生电感对系统性能的影响，同时给出了设计方法和设计过程。

1 理想射频E类功放工作原理及设计方程
晶体管E类功率放大器由单个晶体管和负载网络等组成。在激励信号作用下，晶体管工作在开关状态。当晶体管饱和导通时，漏端电压波形由晶体管决定，即由晶体管的导通电阻决定。当晶体管截至时，漏端电压波形由负载网络的瞬态响应所决定。
E类功率放大器要保持高效率，其负载网络的瞬态响应必须满足以下3个条件：(1)晶体管截至时，漏端电压必须延迟到晶体管“开关”断开后才开始上升。(2)晶体管导通时，漏端电压必须为零。(3)晶体管饱和导通时，漏端电压对时间的导数必须为零。
根据上述3点，具体分析E类功率放大器工作原理及其电路参数的计算。图l为E类功率放大器的电路原理图，其中Cd为MOS管寄生电容与片上电容的和，L1 为高频扼流圈。L0，C0为串联谐振网络，Rload为等效负载。当晶体管饱和导通时，漏端电压为零，由于负载网络的影响，电流Ld(ωt)有一个上升和下降的过程。当晶体管截至时，漏端电压则完全由负载网络所决定。图2所示为理想E类功放漏端电压和电流时域波形，由图可知所以Id(ωt)与 Vds(ωt)不同时出现，使放大器效率趋近于100％，该效率主要由负载网络参数最佳设计来实现的。


由文献可求得图1所示电路中各个元件的值，即