位于300到450MHz的工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)波段中的短距離應用設(shè)備市場正在快速增長。這些設(shè)備中的關(guān)鍵器件是低成本的幅移鍵控(ASK)和相移鍵控(FSK)發(fā)送器集成電路(IC),雖然實際的系統(tǒng)設(shè)計還需要考慮發(fā)送器中功率放大器(PA)的輸出功率和耗用電流要求。幸運的是,可以用一些簡單的技術(shù)來管理這種平衡同時仍保持較高的功率放大器效率。
基于美信集成產(chǎn)品公司的多種低成本發(fā)送器和接收器的功率放大器,比如AMX1472,MAX7044,MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032,可以允許用戶控制射頻功率/耗用電流之間的平衡,同時保持較高的效率。特別是對于低成本的短距離ISM應用來說,管理好這種平衡對延長電池使用時間非常有用。在管理這種平衡時不需要對這些特殊的IC做任何修改,只需簡單的改變PA的負載阻抗就能改變PA的輸出功率和耗用電流。
線性的A類放大器可以用偏置點和信號電平的組合來表征,該類器件的平均耗用電流不會隨著輸入信號幅度的變化而變化。圖1中的M1可以看作是幅度IDC的電流源。
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對于最大的輸出功率,阻抗應該是：
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最大輸出功率定義為：
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由等式2可以得出峰值效率為50%。1 前提是M1的漏極電壓可以到地電平,同時仍能維持IDC的正常偏置電流。在三極管區(qū)域工作將使A類CMOS功率放大器的實際效率限制在40%以下。這種分析結(jié)果意味著,在給定供電電壓的條件下,要想在不同輸出功率時都能有理想的高效率,必須改變A類放大器的偏置電流。因為A類放大器的偏置點不會隨輸入信號的幅度而改變,因此A類放大器最適合用于調(diào)制解決方案,此時輸入信號的線性放大最重要。B類和C類放大器可以提供比A類放大器更高的效率,但通常具有更大的失真,輸出功率也較小。
所有A、B和C類CMOS放大器的一個共同特點是,工作中的器件可以被看作是電壓控制下的電流源,并且都不適合在三極管區(qū)域中工作。相反,D、E和F類放大器需要在三極管區(qū)域工作才能獲得最佳的效率和輸出功率。這些放大器經(jīng)常被稱為“開關(guān)模式”放大器,由于它們固有的低電壓高效率工作性能,因此常被用于ISM波段的發(fā)送器和接收器中。在開關(guān)模式放大器中,輸出器件受大信號的方波驅(qū)動(圖2)。
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在開關(guān)模式放大器中,輸出晶體管可以被看作是一個以一定占空比的工作頻率接通和斷開的電阻。輸出器件中的電流含有非常豐富的諧波。諧波分量取決于驅(qū)動波形的占空比和幅度、場效應晶體管(FET)的“接通”電阻以及PA呈現(xiàn)的阻抗。在D類放大器中,可以通過改變輸入信號的占空比來控制輸出功率,這一過程被稱作脈寬調(diào)制(PWM)。D類放大器常用于輸出功率頻繁改變的音頻設(shè)備。
在E類放大器中,輸入信號的占空比是固定的。需要設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)來盡量減小開關(guān)接通時開關(guān)漏極的電壓。通過減少輸出器件吸取電流時輸出器件上的壓降可以降低開關(guān)器件的功耗,從而提高功率放大器效率。
F類放大器與E類放大器非常類似,為了增加效率,需要在設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)時特別注意諧波阻抗。一般來說,由于諧波阻抗方面存在的設(shè)計約束,F類放大器的匹配電路會更加復雜。
美信集成產(chǎn)品公司的所有CMOS ISM發(fā)送器和接收器都可以提供開漏功率放大器輸出。驅(qū)動信號的占空比在300到450MHz波段是個常數(shù)(25%)。用戶需要根據(jù)目標輸出功率、耗用電流和諧波性能等級設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。
圖3是開關(guān)模式功率放大器的一個簡單模型,RSW代表FET的接通電阻,Cpa代表器件的總有效寄生電容,Cpkg代表封裝電容,Cboard代表印刷電路板(PCB)的電容。表格總結(jié)了美信的各種ISM發(fā)送器和接收器的典型開關(guān)電阻和電容值。
在該表中,典型的開關(guān)電阻是在VDD=2.7V時的值。PCB寄生電容值隨版圖不同而有很大的變化。因此需要精心設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)和功率放大器輸出端的波形來提高功率放大器的效率。最高效率發(fā)生在器件上的電壓很低、同時開關(guān)關(guān)閉的時刻。需要E類和F類放大器匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面幫助的讀者可以查閱參考資料2-4中的相關(guān)指南。
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在許多低成本ISM應用中,系統(tǒng)設(shè)計師可能在設(shè)計時間、成本或復雜性方面沒有太多的靈活性,無法實現(xiàn)最高效率所需的最優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)送較高頻率信號時使用價格不貴的微型(高Q值)天線一般能取得更高的效率,但規(guī)范要求限制發(fā)送信號的諧波分量。因此,利用匹配網(wǎng)絡(luò)衰減諧波特別重要�？紤]到這些因素,我們可以在這樣的前提下分析開關(guān)功率放大器,即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能讓漏極電壓通過高度濾波而呈現(xiàn)正弦波特性(圖4)。
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假設(shè)PA的負載是電阻RL,輸出電壓最低可以到0.1V,那么功率放大器的效率就可以表示為：
效率= 0.5[(VDD- 0.1)2/RL]/{V2DD/(4RSW)×[1-(VDD -0.1)/23/2VDD/π]} (3)
如果VDD=3V,RSW=22Ω,RL=400Ω,那么功率放大器的效率就等于80%,輸出功率為+10.2dBm。當然,電壓波形、開關(guān)電阻和負載阻抗是相互依賴的,因此上述等式不能用來精確計算在這些可變因素的所有組合情況下的效率。正因為如此,SPICE被用來建模理想開關(guān)模式功率放大器的性能。 可以用11或22 Ω的理想開關(guān)電阻跨接Q值為10的并聯(lián)諧振電路。圖5給出了仿真原理圖,仿真結(jié)果如圖6所示。
