高效率E类射频功率放大器的设计(1)(7)

宁夏理工学院毕业设计

率放大器输入MOS晶体管的栅极面积减少，栅极电容几乎以同样的比例减少，这就使得E类功率放大器的驱动级的设计压力减小，使对驱动E类功率放大器的前级放大器的输出能力的要求不那么苛刻。同时，随着E前级驱动放大器的输出节类功率放大器输入电容的减少，功率放大器的输入节点，也就是点的等效电容大大减小，这就使前级放大器的输出极点有一个很大的提高，扩大了整个系统的带宽。

综上，我们得出，采用差分型E类功率放大器对于电路的整体性能可以有明显的提高。

4.2.4 E类功率放大器电感的设计

电感是射频CMOS工艺中极其重要的元件，广泛应用于低噪放、混频器、震荡器、功放、滤波器等电路中，对于系统的性能有着直接而深刻的影响。在射频电路中，尽管片外贴片电感或螺旋电感的Q值很高，但是由于寄生参数太大，使得片外电感的使用变得不切实际，必须使用片上电感。

到目前为止，利用金属层的片上电感最为经济可行、最为普遍的方式是平面螺旋电感，其他形式的电感都是在平面螺旋电感的基础上加以改进形成的，其成本和工艺复杂度都将大大提高。平面螺旋电感的电感值、Q值、自谐振频率等参数由工艺特性和版图设计参数共同决定。工艺特性包括氧化层特性、掺杂特性、衬底特性、金属层特性等，版图设计参数包括螺旋电感的圈数、内径和外径，螺旋的间距、宽度，以及电感的形状等。对于标准CMOS工艺中的平面螺旋电感，由于衬底电阻率较低导致衬底损耗较大，金属层和互连线（通常为铜或铝等）电阻率又较高，所以电感的品质因数通常较低，一般在10以下。 良好的电感模型需要充分考虑各种寄生效应的影响，又要在保证足够精度的基础上，尽量降低模型的复杂度。常用的平面螺旋电感的模型如图4.9所示，其中LS、RS表示串联电感和电阻，CS表示螺旋平面与下层金属连接线重叠部分以及螺旋与螺旋之间的寄生电容，COX表示金属螺旋与衬底之间的氧化物电容，Csi与Rsi表示衬底的电阻和电容。

图4.9平面螺旋电感的模型

- 26 -

宁夏理工学院毕业设计

对于功率放大器，尤其是E类功率放大器，对于作为扼流圈的电感的要求是比较高的。我们在进行理论分析的时候，也将作为扼流圈的集成电感的Q值假设为无穷大。但在实际过程中，这种假设并不成立。尽管我们采用了交叉耦合MOS晶体管来提高电感的等效Q值，但是电感存在复杂的寄生效应，其模型中有各种寄生器件的存在，这种效应仍对于功率放大器的性能有很大影响，而且，采用额外的晶体管就一定会增加整个功率放大器的功耗。

4.2.5 引入反馈技术

根据E类功率放大器的原理可知，理想情况下。E类功率放大器所假设输入晶体管工作在开关状态，等效为一个理想开关。而同时输入晶体管的漏极扼流圈等效为一个理想电感。而在实际电路中，由于各种各样的寄生参数的限制，使得实际放大器偏离理想状态。

对于反馈放大器来说，通过对基本的放大器施加反馈网络，可以改变放大器的输入输出电阻，所以为了减少E类功率放大器的开关以及电感的等效电阻也可以考虑在E类功率放大器电路中引入适当的反馈电路。

- 27 -

宁夏理工学院毕业设计

结束语

随着无线射频系统的发展，射频通讯趋于小型化、集成化，射频集成系统的功耗变得越来越重要。

为了使射频系统的功耗降低，本文通过对射频系统的分析，得出系统中发射模块的功率放大器是制约射频系统整体功耗的瓶颈。由于经典的功率放大器的效率有限，即便是经行了优化设计，效率也不可能超过理想的工作效率，而且理想功率放大器存在效率与输出功率的折衷。

本文首先介绍了射频功率放大器研究的背景，分析了国内研究成果与国外研究成果的差距，并介绍了射频功率放大器的研究意义。其次分别从射频功率放大器的工作的频带、匹配网络、电流导通角、工作状态等角度介绍了其分类，通过对A类功率放大器、B类功率放大器、AB类功率放大器、C类功率放大器、D类功率放大器的介绍，得出E类射频功率放大器电路的主要设计思想即功率管截止时，使集电极电压uce在集电极电流ic=0以后才开始上升；功率管导通时，使集电极电流ic在以后才开始出现，保证使功率管从导通至截止或从截止至导通的开关期间，集电极电流ic和集电极电压uce不会同时出现，只有这样，消耗在集电极上的功率才能为零，功率管的功耗最小，效率最高。最后提出E类射频功率放大器的设计方法：第一步选择合适的射频功放管（如果设计大功率、高效率、高频率的E类功率放大器，则选用GaN比较容易达到设计的要求）；第二步根据功放管给定的参数和已知工作参数计算输入输出匹配网络参数；第三步计算电路中各元件的值。

本设计基本上达到了E类射频功率放大器的设计要求，预计仿真结果与实验测试结果存在差异，主要是由于实际电路不可能达到仿真的理想化模型，在理想化E类工作条件的分析结果中，没有考虑到由于非线性器件特性引起的可能的损耗。如饱和电阻R为有限值，导通到截止工作状态转换所需要的时间也不为零。另外，在一般情况下，器件本征输出电容式非线性的，当涉及击穿电压指标时，必须考虑这个电容的非线性性质。

射频功率放大器这一领域还有许多研究工作要做，只有不断的进行新的研究，才能推动无线通信系统更好更快的发展。

- 28 -

宁夏理工学院毕业设计

致谢

首先要感谢我的指导老师周红丽老师。在毕业设计期间，身兼教学工作且有行政事务在身的周老师常常在百忙之中抽出空来，指导我们的毕业设计工作，关心我们的生活和学习，同我们进行细想上的交流。她对学生成长的关怀，对学术方向敏锐而准备的把握，使我的学业始终向着清晰的目标进行；她严谨、务实的治学态度，促使我在专业上不断深入探索；她平易近人、谦虚豁达的胸襟，深深地感染了我，使我受益良多。

衷心感谢电气信息系的周红丽老师。周老师在毕业设计工作上给予我很多指导和帮助，本文工作从选题、开题一直到论文撰写的每一个阶段都是在她的细心指导下完成的。周老师渊博的知识、严谨的科研态度、认真细致的工作作风和忘我投入的工作精神，对我产生了非常深远的影响，是我学习的榜样。从周老师那里，我不仅学会了许多知识，更重要的是学到了精益求精、学无止境的求真精神和科学高效的工作方法。

此外，还要特别感谢我的父亲和母亲。在离家求学的整个过程中，亲情的关怀和支持始终是我最大的精神支柱和不懈动力的源泉。尤其是在我遇到重大挫折的时候，父母的支持永远是我孜孜向前、绝不放弃的动力。

最后，衷心感谢为评阅本论文而付出辛勤劳动的专家和教授们！

- 29 -

宁夏理工学院毕业设计

参考文献

[1] 郝新慧，纪学军；微带线E类功率放大器的设计与实现[J]；无线电通信技术；2007年03期 [2] 高葆新，梁春广；高效率E类放大器（续）[J];半导体技术；2001年11期

[3] 潘武，叶健辉；CMOS无线接收机体系结构的分析及其集成性的考虑[J]重庆邮电学院学报（自然科学版）；2006年07期

[4] 甘军宁，张万荣，谢红云，何莉剑，李佳，沈姵；射频E类功率放大器并联电容技术研究[J]；半导体技术；2008年10期 [5] 倪春，汪玲，吴先良，F类功率放大器的高效率研究与设计[A]，2009年全国天线年会论文集（下） [6] 胡长阳.D类E类开关模式功率放大器[M].北京：高等教育出版社，1985.P6. [7] 黄志伟.射频功率放大器电路设计[M].西安电子科技大学出版社，2009.P20 [8] 吴大富.无线局域网技术.甘肃科技.2006年3月，第22卷，第三期.P90 [9] 宗国翼，朱恩，李智群.可用于无线局域网802.11a标准的5-GHz CMOS功率放大器设计.电子器件.2005年3月，第28卷，第一期.P161

[10] 洪志良.CMOS射频电路的发展趋势.电子产品世界.2004年8月.P54

[11] 胡荣中.移动通信中的射频集成电路.固体电子学研究与发展.2000年11月，第20卷，第4期.P391

[12] 杨银唐等.低压低功耗运算放大器结构设计技术.电路与系统学报.2005年8月，第10期.P101 [13] 董佳兴，薛新.高效E类射频放大器的设计.通信对抗.2006年，第2期. P50-P54

[14] 郭峰.高效率E类射频功率放大器的设计.浙江万里学院学报.2004年4月，第17卷，第2期.P70-P73

[15] 刘宝华.E类射频调谐功放的分析与设计.电声技术.2001年，第4期.P26-29

[16] 眭律文.E类调谐功率放大器的参数求解.南方冶金学院学报.2003年9月，第5卷，第24期.P37-P40

[17] 马鹏飞，张鹤鸣，江勇，周春宇.高性能E类全差分功率放大器的研究.西安电子科技大学2006学术年会文集.2006年11月.P63-P67

- 30 -

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库高效率E类射频功率放大器的设计(1)(7)在线全文阅读。