高效低成本ISM波段发射器的功率放大器理论

低成本ASK和/或FSK发射器和收发器IC是短程无线电系统的关键组件，设计用于在300MHz至450MHz之间的未经许可的工业、科学和医疗（ISM）频段工作。这些短程设备 （SRD） 的应用包括远程无钥匙进入 （RKE）、轮胎压力监控 （TPM）、远程控制和安全系统。

系统设计涉及RF链路预算、天线设计、电池寿命和监管问题以及其他问题，通常需要在发射器的输出功率和电流消耗之间进行权衡。Maxim的低成本发送器和收发器（如MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032）上的功率放大器（PA）具有独特的功能，允许用户在保持高效率的同时控制RF功率/漏电流的权衡。管理这种权衡是最大限度地延长电池寿命以满足当今对创新节能产品的高需求的关键。Maxim IC无需修改即可处理这种权衡，因此设计ResourceSmart™解决方案相对容易。只需改变提供给PA的负载阻抗就可以改变PA的输出功率和电流消耗。

本应用笔记简要概述了功率放大器理论，并提供了仿真结果，以深入了解PA在所有Maxim LFRF发送器和收发器上的工作情况。

功率放大器概述

A、B 和 C 类放大器

A类放大器的特点是偏置点和信号电平的组合，其中器件的平均电流消耗不随输入信号的幅度而变化。在图1中，可以假设M1是IDC幅度级的电流源。

图1.A类放大器示意图。

众所周知，最大输出功率的阻抗为：

 

RLOPT = VDD/IDC

（公式1）

 

最大输出功率定义为：

 

POUTMAX = ½ × VDD × IDC

（公式2）

 

因此，峰值效率为 50%。1该分析假设M1的漏极电压可以摆动至地，同时仍保持IDC的偏置电流。在三极管区域工作将A类CMOS PA的实际效率限制在40%以下。正如该分析所暗示的那样，必须改变A类放大器的偏置电流，以便在给定电源电压下，针对不同的输出功率电平保持合理的高效率。A类放大器最适合输入信号的线性放大很重要的调制方案，因为偏置点不随输入信号的幅度而变化。

然而，B类和C类放大器的效率高于A类放大器，但通常输出功率水平较低，失真更大。

所有A、B和C类CMOS放大器的共同特点是，有源器件被认为是压控电流源，不希望在三极管区域工作。

D、E 和 F 类放大器

与应避免在三极管区域工作的A、B和C类放大器不同，D、E和F类CMOS放大器依赖于在三极管区域工作以获得最佳效率和输出功率。这些放大器通常被称为“开关模式”放大器，通常用于ISM频段发射器和收发器，因为它们在低电压下固有的高效工作。在开关模式放大器中，输出器件由大信号方波驱动，如图2所示。

图2.开关模式放大器原理图

将输出晶体管视为一个电阻器，该电阻在给定占空比下以工作频率打开和关闭。如图2所示，输出器件中的电流可能含有非常丰富的谐波。该谐波成分取决于驱动波形的占空比和幅度、FET“导通”电阻以及呈现给PA的阻抗。在D类放大器中，输入信号的占空比会发生变化以控制输出功率，这一过程称为脉宽调制（PWM）。D类放大器最常用于放大器提供的功率不断变化的音频应用。

在E类放大器中，输入信号的占空比是固定的。匹配网络设计用于在开关导通时将开关漏极处的电压降至最低。通过在输出器件吸收电流时最小化输出器件两端的电压，可以最大限度地降低开关器件的功耗，从而最大限度地提高PA效率。

与E类放大器类似，F类放大器在匹配网络的设计中需要特别注意谐波阻抗，以提高效率。一般来说，F类放大器的匹配电路更为复杂，因为对谐波阻抗的设计限制。

开关模式放大器

所有Maxim CMOS ISM发送器和收发器均提供漏极开路PA输出。驱动信号的占空比在25MHz至300MHz的整个范围内恒定为450%。用户将设计匹配网络，以提供所需的输出功率电平、电流消耗和谐波性能。这允许用户实现最小的功耗，同时仅为特定无线应用提供必要的输出功率。

开关模式PA输出的简单模型如图3所示。

图3.开关模式放大器的简化模型。

在此图中，R西 南部是场效应管的导通电阻，CPA是器件寄生电容的有效和，C.PKG是封装电容，C板是电路板电容。表1总结了Maxim ISM发送器和收发器的典型开关电阻和电容。

表 1.开关电阻和电容摘要

 

部分	描述	RSW (Ω, typ)	CPA + CPKG + CBOARD (pF)
MAX1472	ASK变送器	22	2.2
MAX7044	ASK变送器	11	2.6
MAX1479	问/前置变送器	22	2.3
MAX7030	ASK收发器	22	2.4
MAX7031	FSK 收发器	22	2.4
MAX7032	ASK/FSK 收发器	22	2.4

 

请注意，典型开关电阻针对 V 给出DD= 2.7V，电路板寄生电容随布局变化很大。E类和F类放大器理论和匹配网络设计方程在文献中有详细记载2, 3, 4读者可以参考这些出版物以获取其他背景信息。考虑到本应用笔记的范围，首先，必须设计匹配网络以及PA输出节点上的波形，以最大限度地提高PA效率就足够了。其次，当器件两端的电压在闭合时较低时，效率最高。

开关模式放大器仿真

在许多低成本ISM应用中，系统设计人员在设计时间、成本或复杂性方面可能没有太大的灵活性来优化PA匹配网络以实现最大效率。小型（高Q值）、廉价天线在传输较高频率时通常更有效，但监管问题限制了传输信号的谐波含量。因此，匹配网络的谐波衰减极为重要。考虑到这些事实，我们分析了开关PA，假设输出匹配网络的设计将使漏极处的电压经过高度滤波，因此是正弦的。参见图 4。

图4.开关模式放大器波形。

假设PA负载了RL电阻，输出电压摆幅可低至0.1V，则PA的效率可以表示为：

 

效率 = ½ × (VDD - 0.1)2/RL/VDD2/(4RSW) × (1 - (VDD - 0.1)/VDD × 23/2/π))

（公式3）

 

如果 VDD= 3V， R西 南部= 22Ω，RL = 400Ω，则PA效率为80%，输出功率为10.2dBm。与理想的A类放大器相比，效率提高了约60%。当然，电压波形、开关电阻和负载阻抗是相互依赖的，因此上述公式不能用作这些变量的所有组合的效率的准确预测指标。因此，SPICE已被用于模拟理想开关模式PA的性能。在Q值为11的并联谐振电路上放置一个22Ω或10Ω的理想开关电阻。仿真原理图如图5所示;仿真结果如图6所示。

图5.理想开关模式放大器的仿真原理图

图6.理想的开关模式放大器性能与负载电阻的关系。

如图6所示，开关模式PA最显著的优势之一是，通过改变提供给PA的负载，可以在很宽的范围内改变输出功率，同时保持出色的DC-RF效率。此外，与较高的开关电阻相比，具有较低开关电阻的开关放大器可以以更高的效率输出更大的功率。较低开关电阻的缺点是需要较高的驱动器电流来对开关器件的寄生电容进行充电和放电。

如前所述，为了最大限度地提高开关模式放大器的效率，开关必须仅在电压波形的最小值附近导通。以装有简单并联谐振电路的开关电阻为例，可以通过最小化在工作频率下呈现给PA的阻抗的虚部（包括器件、封装和电路板的寄生电容）来满足这一要求。如果网络脱离谐振或失谐，效率会显著下降。图7显示了理想开关模式放大器在Q=10和Q=5时关断谐振时的性能。

图7.理想的开关模式放大器性能与失谐的关系。

如图7所示，谐振时会出现最小漏电流。这一事实可用于验证给定网络是否已针对特定工作频率进行了优化。还应该注意的是，SPICE仿真假设：开关电阻可以立即打开和关闭;开关器件的寄生电容不会随着器件的开启和关闭而改变;并且谐振电路电感器或电容器中没有损耗或寄生阻抗。与理想仿真相比，这些因素会降低实际开关模式放大器的性能。通常需要一种迭代方法来优化特定应用的PA匹配网络。

总结

总之，Maxim的ISM频段开关模式放大器的一些重要亮点和特性是：

开关模式放大器依赖于三极管区域的工作，以在低电源电压下获得最佳效率和输出功率。这与A、B和C类放大器形成鲜明对比，后者应避免在三极管区域工作

所有Maxim CMOS ISM开关模式放大器均提供漏极开路PA输出。用户设计匹配网络，提供所需的输出功率电平、电流消耗和谐波性能。这种灵活性允许用户定制RF功率/电流消耗权衡，同时保持高效率，这是在设计ResourceSmart解决方案时最大限度地延长电池寿命的关键。

为了最大限度地提高开关模式放大器的效率，开关必须仅在电压波形的最小值附近导通。最小化在工作频率下呈现给PA的阻抗虚部（包括器件、封装和电路板的寄生电容）即可满足这一要求。

根据特定的PA负载阻抗，谐振时可能会出现最小漏电流。这些知识对于验证给定网络是否已针对特定工作频率和负载进行优化非常有用。

审核编辑：郭婷