【無線射頻芯片】-高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放介紹

1/1高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放介紹在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)300MHz至450MHz波段的短程無線通訊系統(tǒng)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)用包括無線遙控門禁系統(tǒng)(RKE)、胎壓檢測(TPM)、遙控和平安系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮射頻鏈路的預(yù)算、天線設(shè)計(jì)、電池壽命及射頻調(diào)整電路等諸多因素，另外，還會(huì)涉及到輸出功率與發(fā)送器電流消耗的折中。Maxim低成本的收發(fā)芯片(如：MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032)集成了獨(dú)特的功率放大器(PA)，允許用戶在保證高效率的同時(shí)，合理掌握RF輸出功率和發(fā)送器電流損耗，這種折中掌握是提高電池壽命的關(guān)鍵，符合現(xiàn)今創(chuàng)新節(jié)能產(chǎn)品的嚴(yán)格要求。Maxim器件在進(jìn)行上述折中選擇時(shí)不需要修改電路，可以較為簡單地設(shè)計(jì)ResourceSmart方案。通過簡潔地轉(zhuǎn)變功率放大器的負(fù)載阻抗，可以轉(zhuǎn)變其輸出功率和電流損耗。

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

功率放大器綜述

A類、B類和C類功率放大器

A類功率放大器的信號(hào)有一個(gè)偏置點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)幅度轉(zhuǎn)變時(shí)，器件消耗的平均電流并不轉(zhuǎn)變。圖1中，M1可以看作是幅度為IDC的電流源。

圖1.A類功率放大器的原理圖

放大器最大輸出功率對(duì)應(yīng)的輸出阻抗為：

RLOPT=VDD/IDC(式1)

最大輸出功率定義為：

POUTMAX=_VDDIDC(式2)

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(shí)，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(huì)使A類CMOS功率放大器的實(shí)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需隨著輸出功率的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。由于A類功率放大器的偏置點(diǎn)不隨輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，所以在注意增益的線性度的應(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(shí)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CMOS功率放大器的共同特點(diǎn)是有源器件被視作電壓掌握電流源，并且不盼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。由于這些功率放大器可以在低工作電壓下實(shí)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(jí)電路由大信號(hào)方波驅(qū)動(dòng)。

圖2.開關(guān)模式功率放大器的原理圖

可以把輸出級(jí)晶體管看作一個(gè)根據(jù)設(shè)定頻率、占空比進(jìn)行開關(guān)操作的電阻。從圖2還可以看出，輸出級(jí)晶體管的電流含有豐富的諧波成分。這些諧波成分取決于驅(qū)動(dòng)信號(hào)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，通過轉(zhuǎn)變輸入信號(hào)的占空比轉(zhuǎn)變輸出功率，即脈寬調(diào)制(PWM)模式。D類功率放大器通常用于輸出功率連續(xù)變化的音頻系統(tǒng)。

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

F類功率放大器與E類功率放大器相像，但設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)要特殊留意諧波阻抗，以實(shí)現(xiàn)最高效率。由于要考慮諧波電阻，F(xiàn)類功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一般更簡單。

開關(guān)模式功率放大器

全部Maxim的CMOSISM頻段收發(fā)器都供應(yīng)漏極開路的功放輸出。在整個(gè)300MHz至450MHz頻段內(nèi)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比固定在25%。用戶依據(jù)所要求的輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。通過只對(duì)特定的無線應(yīng)用供應(yīng)必要的輸出功率，極大地降低了功耗。

圖3是開關(guān)模式功率放大器輸出級(jí)的簡化模型。

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MaximISM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

留意：開關(guān)導(dǎo)通電阻的典型值對(duì)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(jì)可以參照文獻(xiàn)2,3,4，讀者可以利用這些資料作為技術(shù)背景?？紤]到本文篇幅，這里只能提及兩點(diǎn)：首先，匹配網(wǎng)絡(luò)以及功率放大器輸出端波形的設(shè)計(jì)必需使功率放大器的效率最高；其次，開關(guān)閉合時(shí)，輸出級(jí)導(dǎo)通壓降較低，則功率放大器的效率最高。

開關(guān)模式功率放大器的仿真

在很多低成本ISM頻段應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能受設(shè)計(jì)周期、費(fèi)用、系統(tǒng)簡單度的限制而無法對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)效率最大化。小尺寸(高Q值)、價(jià)格廉價(jià)的天線在放射較高頻率時(shí)通常有較高效率，但是射頻調(diào)整電路限制了放射信號(hào)的諧波成分。所以匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧波重量的抑制尤為重要?？紤]到這些因素，我們?cè)诜治龉β史糯笃鲿r(shí)假定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過優(yōu)化，漏極輸出電壓已經(jīng)過濾波，為正弦信號(hào)。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：

假如電源電壓VDD=3V、開關(guān)導(dǎo)通電阻RSW=22、負(fù)載電阻RL=400，功率放大器的效率為80%，輸出功率為10.2dBm。與抱負(fù)的A類放大器相比，效率提高了約60%。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(jì)算效率?？衫肧PICE建立開關(guān)模式功率放大器的抱負(fù)模型，阻值為11或22的抱負(fù)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.抱負(fù)開關(guān)模式功率放大器仿真原理圖

圖6.抱負(fù)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(shí)，通過轉(zhuǎn)變負(fù)載電阻，可以在寬范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變輸出功率。另外，與較高開關(guān)導(dǎo)通電阻的功率放大器相比，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(diǎn)是，需要更大的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)開關(guān)器件的寄生電容進(jìn)行充放電。

如上所述，為了提高開關(guān)模式功率放大器的效率，開關(guān)必需在最小電壓四周開啟。例如在一個(gè)開關(guān)電阻驅(qū)動(dòng)的簡潔并聯(lián)諧振電路中，要實(shí)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、封裝和印刷電路板上的寄生電容)。假如網(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(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)失諧后抱負(fù)開關(guān)模式功率放大器的性能。

圖7.抱負(fù)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(diǎn)。這一事實(shí)可以用于驗(yàn)證現(xiàn)有匹配網(wǎng)絡(luò)是否已針對(duì)特定工作頻率實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。同時(shí)要留意的是，SPICE仿真時(shí)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轉(zhuǎn)變；諧振電感和電容沒有寄生阻抗。這些方面的影響使實(shí)際的開關(guān)模式功率放大器的性能低于抱負(fù)狀況下的水平。在特別的應(yīng)用中，通常采納迭代的方法實(shí)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(diǎn)是：

開關(guān)模式功率放大器通過工作在線性電阻區(qū)實(shí)現(xiàn)低工作電壓下效率和輸出功率間的優(yōu)化。這一點(diǎn)不同于A類、B類和C類功率放大器(對(duì)于A類、B類和C類功率放大器，應(yīng)避開工作在線性電阻區(qū))。

全部Maxim的CMOSISM頻段開關(guān)模式功率放大器都供應(yīng)漏極開路輸出。用戶依據(jù)所需輸出功率、電流損耗和諧波參數(shù)來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。這種敏捷性使用戶在保證高效率的同時(shí)，可以調(diào)整射頻功率和電流損耗，這對(duì)延長ResourceSmart方案