高效率﹑低成本ISM频段发送器中的功放介绍

在工业、科学和医疗(ISM) 300MHz至450MHz波段的短程无线通讯系统中，低成本的ASK和/或FSK发送器和收发器是其核心器件。这些短程通信器件(SRD)的典型应用包括无线遥控门禁系统(RKE)、胎压检测(TPM)、遥控和安全系统。

系统设计需要考虑射频链路的预算、天线设计、电池寿命及射频调整电路等诸多因素，另外，还会涉及到输出功率与发送器电流消耗的折中。Maxim低成本的收发芯片(如：MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032)集成了独特的功率放大器(PA)，允许用户在保证高效率的同时，合理控制RF输出功率和发送器电流损耗，这种折中控制是提高电池寿命的关键，符合现今创新节能产品的严格要求。Maxim器件在进行上述折中选择时不需要修改电路，可以较为容易地设计ResourceSmart™方案。通过简单地改变功率放大器的负载阻抗，可以改变其输出功率和电流损耗。

本应用笔记简单介绍了功率放大器的理论，并给出了Maxim LFRF发送器和收发器内部使用的PA的仿真结果。

功率放大器综述

A类、B类和C类功率放大器

A类功率放大器的信号有一个偏置点，当输入信号幅度改变时，器件消耗的平均电流并不改变。图1中，M1可以看作是幅度为IDC的电流源。

图1. A类功率放大器的原理图

放大器最大输出功率对应的输出阻抗为：

RLOPT = VDD/IDC (式1)

最大输出功率定义为：

POUTMAX = _ × VDD × IDC (式2)

因此，A类功率放大器的效率最大值为50%1。假设，在保证偏置电流为IDC的同时，M1漏极电压摆幅最低可以到地电位。工作在线性电阻区会使A类CMOS功率放大器的实际效率降低到40%以下。这意味着工作电压确定后，为了保持高效，A类功率放大器的偏置电流必须随着输出功率的改变而改变。由于A类功率放大器的偏置点不随输入信号的改变而改变，所以在注重增益的线性度的应用中，此类功率放大器是最佳结构。

B类和C类功率放大器与A类相比，可以实现更高效率，但通常输出功率较低，并且有较大失真。

A类、B类和C类CMOS功率放大器的共同特点是有源器件被视作电压控制电流源，并且不希望其工作在线性电阻区。

D类、E类和F类功率放大器

与A类、B类和C类功率放大器相反，D类、E类和F类CMOS功率放大器通过工作在线性电阻区来优化效率和输出功率。这些功率放大器通常被称作“开关模式”功率放大器。因为这些功率放大器可以在低工作电压下实现高效率，所以被广泛用于ISM频段的收发装置。图2所示，在开关模式的功率放大器中，输出级电路由大信号方波驱动。

图2. 开关模式功率放大器的原理图

可以把输出级晶体管看作一个按照设定频率、占空比进行开关操作的电阻。从图2还可以看出，输出级晶体管的电流含有丰富的谐波成分。这些谐波成分取决于驱动信号的占空比和幅度、场效应管的导通电阻和功率放大器的负载电阻。在D类功率放大器中，通过改变输入信号的占空比改变输出功率，即脉宽调制(PWM)模式。D类功率放大器通常用于输出功率连续变化的音频系统。

对于E类功率放大器，输入信号的占空比恒定不变。匹配网络用于最小化输出级开关导通时的漏极电压。通过最小化输出级开关的导通压降，可以降低开关管的功耗，提高PA的整体效率。

F类功率放大器与E类功率放大器相似，但设计匹配网络时要特别注意谐波阻抗，以实现最高效率。因为要考虑谐波电阻，F类功率放大器匹配网络设计一般更复杂。

开关模式功率放大器

所有Maxim的CMOS ISM频段收发器都提供漏极开路的功放输出。在整个300MHz至450MHz频段内，驱动信号的占空比固定在25%。用户根据所要求的输出功率、电流损耗和谐波参数来设计匹配网络。通过只对特定的无线应用提供必要的输出功率，极大地降低了功耗。

图3是开关模式功率放大器输出级的简化模型。

图3. 开关模式功率放大器的简化模型

图中，RSW是FET的导通电阻，CPA是等效的器件寄生电容总和，CPKG是封装电容，CBOARD是板上电容。表1列出了Maxim ISM频段主要收发器件的开关电阻和电容值。

表1. 开关电阻和电容值

• 与功率放大器的负载相关，漏极电流的最小值会出现在谐振频率处。这一事实可以用于验证现有匹配网络是否已针对特定工作频率和负载实现了最优化。

参考文献

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