射頻E類(lèi)功率放大器并聯(lián)電容技術(shù)研究

1、射頻E類(lèi)功率放大器并聯(lián)電容技術(shù)研究摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線(xiàn)接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte0 引言功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率兩部分。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為交

2、流能量。晶體管轉(zhuǎn)換能量的能力常用集電極效率c來(lái)表示，定義為式中：PDC為電源供給的直流功率；Pout為交流輸出功率；Pc為消耗在集電極上的功率。表明要增大c就要盡量減小集電極耗散功率Pc。由于Pc是集電極瞬時(shí)電壓與集電極瞬時(shí)電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。對(duì)于A(yíng)、B、C類(lèi)功率放大器來(lái)說(shuō)，由于功率放大管工作于有源狀態(tài)，集電極電流ic和集電極電壓vc都比較大，因而，晶體管的集電極耗散功率也比較大，放大器的效率也就難以繼續(xù)提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作狀態(tài)的改進(jìn)上。A、B、C功率放大器提高效率的途徑是以減小導(dǎo)通角和增大激勵(lì)功率為代價(jià)。另一種提高效率的途徑是使晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即當(dāng)ic

3、流通時(shí)口vc很小，甚至趨近于零；當(dāng)ic截止時(shí)，vc很大，從而達(dá)到減小集電極耗散功率Pc的目的。E類(lèi)功率放大器就是按照“ic與vc不同時(shí)出現(xiàn)”的原理來(lái)設(shè)計(jì)的，使得在任一時(shí)刻ic與vc的乘積均為零，Pc亦為零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E類(lèi)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，E類(lèi)放大器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，其理論效率可達(dá)100，實(shí)際效率達(dá)95。在E類(lèi)功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來(lái)保證在晶體管截止的時(shí)間里，使集電極電壓保持十分低的一個(gè)值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是E類(lèi)功率放大器高

4、效率工作的必要條件。因此E類(lèi)功率放大器并聯(lián)電容的研究成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將分析E類(lèi)功率放大器中的并聯(lián)電容及一些電路相關(guān)問(wèn)題。1 E類(lèi)功率放大器電路結(jié)構(gòu)典型的E類(lèi)功率放大器電路原理如圖1所示，其中SW為等效晶體管開(kāi)關(guān)(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout為晶體管寄生輸出電容，Cext為附加電容，L1為高頻扼流圈，L2，C2為串聯(lián)諧振回路，但并不諧振于激勵(lì)信號(hào)的基頻，R為等效負(fù)載電阻。2 并聯(lián)電容及分析2.1 并聯(lián)電容在E類(lèi)功率放大器中，晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，集電極電壓理想情況下將為零，同時(shí)將產(chǎn)生較大的集電極電流；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，沒(méi)有集電極電流流過(guò)晶體管，但

5、是存在集電極電壓，從而避免了晶體管電流、電壓的同時(shí)存在，減小晶體管在全開(kāi)、全閉狀態(tài)下的功率耗損。晶體管并聯(lián)電容(C1)的作用是在晶體管由閉合到斷開(kāi)的瞬間保持在0 V狀態(tài)下的集電極電壓口vc。2.2 并聯(lián)電容對(duì)電路的影響低頻狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電容假設(shè)為一個(gè)恒定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)900 MHz時(shí)，并聯(lián)電容大小將和晶體管集電極襯底之間的寄生電容大小相比擬。因此，需要對(duì)高頻情況下的并聯(lián)電容進(jìn)行分析。并聯(lián)電容包括兩部分：一部分是非線(xiàn)性晶體管寄生輸出電容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是線(xiàn)性附加電容Cext式中：Cj0為零偏壓時(shí)的電容；Vbi是晶體管內(nèi)建電勢(shì)(通常為0.50.9 V)；n為pn結(jié)的結(jié)漸變系數(shù)。E類(lèi)功率放大器中非線(xiàn)性電容的存在對(duì)電路產(chǎn)生了諸多不良影響，如增加流過(guò)晶體管的最大電壓、增加耗損、降低效率。并聯(lián)電容的電納會(huì)影響E類(lèi)功率放大器效率能否達(dá)到100。式(3)給出了放大器頻率和電容的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)電納達(dá)到最大時(shí)能保證功率放大器理論效率為1式中：y為功率放大器導(dǎo)通