2.4GHz E类射频功率放大器的设计

朱启文+李伟

摘 要 射频功率放大器是无线发射机的核心部分，本文在传统经典射频功率放大器理论研究的基础上，采用将经典E类功率放大器的射频扼流圈看做一般电感，采用新的设计方法，设计出了一款工作于2.4GHz频段的射频功率放大器。基于理想的设计方程，采用级联反向器驱动级，在TSMC 0.18μm工艺环境下，设计出的伪差分放大器的饱和输出功率可达29dBm，PAE为63%。

【关键词】E类功放 2.4GHz 伪差分 饱和输出功率

1 引言

隨着无线通信系统的发展，比如WCDMA、TD-SACDMA、CDMA2000等，大大加速了射频功率放大器的研究和设计。射频功率放大器是无线通信系统发射机的核心组成部分，功率放大器的性能指标直接影响整个通信系统的好坏，因此设计性能良好的功率放大器是当前无线通信系统亟待解决的问题。

射频功率放大器用来输出大功率给外部负载。功率放大器通常是无线发射机中功耗最大的模块，为了降低功耗，延长电池寿命，要求它具有较高的效率。射频功率放大器可分为传统功率放大器和开关模式功率放大器，传统功率放大器拥有良好的线性度，开关模式功率放大器则具有很高的效率。E类功率放大器是一种开关模式的功率放大器，拥有较高的效率，其可应用于手机蓝牙系统、物联网系统以及未来的可穿戴系统等，E类射频功率放大器的效率理论上可达到100%。

2 E类功率放大器的原理和理论设计方程推倒

功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量。其转换能量的能力通常用漏极效率

，其中Pout为输出功率，Pc为漏级耗散功率。该式表明，要增加漏级效率，就必须减少漏级耗散功率的消耗。当晶体管工作在开关状态时，可以有效的减少漏级耗散功率的消耗。因为开关状态的晶体管相当于一个开关，当开关闭合时，有电流通过；由于此时的导通电阻极小，晶体管的电压很小，并且趋向于零。当晶体管断开时，晶体管电压虽然有点高，但无电流通过晶体管，从而达到减小耗散功率的目的。E类功率放大器就是按照电压与电流不重叠出现而设计出来的，使得在任意时刻，电压与电流的乘积为零，即耗散功率为零。图1为E类功率放大器的拓扑结构图。该拓扑机构由Grebennikov在2002年提出，经过10余年的发展，该放大器以其效率高，可设计性强等优点而被广泛应用。

在该E类拓扑结构图中，电感L1为电路提供直流偏置，电容C1为外加电容和晶体管寄生电容之和，电感L2和电容C2构成滤波谐振网络，该谐振网络谐振频率为2.4GHz。RL为从晶体管获得最大功率的最佳匹配负载。E类射频功率放大器由单个晶体管和负载匹配网络组成，在激励信号的作用下，晶体管工作在开关状态，当晶体管闭合时，晶体管漏端的电压由晶体管本身决定，即由其自身的导通电阻决定，当晶体管断开时，晶体管漏端的电压波形由其后端的负载网络的瞬态响应所决定。图2为理想E类功率放大器两端电压、电流的波形图。

为了使该功率放大器的效率达到100%，该功率放大器的瞬态响应网络应该满足以下三个条件：

（1）晶体管导通时，晶体管两端的电压必须为零，即晶体管的瞬态响应网络应在晶体管导通之前，完成电荷的释放；

（2）当晶体管截止时，晶体管两端的电压必须等晶体管完全截止后才开始上升；

（3）晶体管导通时，晶体管两端电压的导数为零。只有这样，流过晶体管的电压和电流才不会发生重叠，从而保证其100%的效率。根据以上三点，可以列出微分方程。通过对微分方程进行解析，可以得出E类功率放大器负载网络各元器件的具体参数，具体的推倒过程文献[1]已经列出。其各元器件参数的方程为：

其中，Pout为电路设计者需要功率放大器输出的功率，QL为串联谐振网络的品质因子。

3 存在的问题和解决的方法

由于功率放大器输出的是功率，且开关类的功率放大器和一般线性类功率放大器相比，晶体管的状态完全不一样，开关管工作在开关状态，所以对于驱动开关管的信号幅度必须足够大，这样才能使晶体管充分的开启和关闭。如图1所示，开关管一般都是通过一个电感直接接电源，所以为了保证可以充分驱动开关管，前级电路必须可以提供一个从0V到电源电压的驱动信号。其次，为了使该功率放大器的饱和输出功率尽量的高，以提高其漏极效率和功率附加效率，本设计采用了伪差分电路设计，使得饱和输出功率比单端增加了3dB，由于最佳负载是根据理论公式计算出来的，应该用负载牵引法，获得最佳负载，从而获得最大输出功率。

3.1 反相器驱动电路设计

由于驱动电路必须可以提供从0伏到电源电压的满摆幅信号，因为在射频前端中，功率放大器的前级电路是一个上变频电路，上变频电路的输出信号幅度非常微弱，所以必须加驱动电路才能驱动开关管，如果采用一般的放大器电路，很难输出一个满摆幅的信号，综合考虑本设计决定采用反相器级联输出方波信号的方式来解决该题。

图3为反相器驱动的电路图，该驱动电路由六个晶体管、两个电阻、一个电容组成；其中电阻R1、R2用于为第一、第二个反相器提供直流偏置，第三级反相器的输出端直接接需要驱动的开关管，C1为交流耦合电容。首先调整第一级反相器的参数，使得第一级反相器的静态输出为低电平，然后依次调整第二、第三级反向器的参数，使第二级静态输出为高电平，第三级静态输出为低电平，从而使后端的开关管静态偏置在截止状态。第一、第二、第三级反相器晶体管的尺寸按一定的比例增加，每一级反相器中PMOS管的宽长比应是NMOS管宽长比的倍数。使得级联反相器能够很好的输出方波波形，驱动后面的晶体管。

3.2 差分电路设设计

本设计采用了如图4所示的差分结构电路图，在该差分结构电路中，各名称相同的器件均为参数相同的器件，该差分结构电路由两个参数完全相同的单端电路组成。输入为差模电压，任意时刻总是一个管子导通，一个管子截止。所以每一个周期电流两次释放到衬底，由此引起的耦合电流的频率变为信号频率的2倍，有利于减小衬底耦合给电路的干扰，其次在相同的电源电压和输出功率条件下，每个晶体管在差分结构中比在单端结构中承受的最大电流要小，如果在相同的电源电压和电流下，差分结构比单端的输出功率要高。

4 电路仿真结果与分析

5 结束语

E类射频功率放大器是高效率的功率放大器，一直以来备受关注。本文对E类放大器的原理进行了简单的介绍，对相关器件参数方程进行了推倒，设计出了功率放大器的驱动电路，采用伪差分的电路结构，提高了功放的饱和输出功率的功率附加效率。為把E类功率放大器运用于高效率的平台提供了参考。

参考文献

[1]Andrei.Grebennikov and Herbert Jaeger.Class E with parallel circuit-a new challenger for high-efficiency RF and microwave power amplifiers.IEEE MTT-S Digest.2002：1627-1630.

[2]罗世聪.CMOS伪差分E类射频功率放大器设计[J].电子电路.2010，10（23）：49-52.

[3]王燕.CMOS射频集成电路功率放大器设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[4]Ockgoo Lee，Kyu Hwan An.Analysis and design of fully integrated high-power parallel-circuit class E CMOS power amplifiers.IEEE transactions on circuits and system.vol.57，NO.3，2010.

[5]YuKi Yamashita，Daisuke Kanemoto.A 5GHz fully integrated CMOS class E power amplifier using self-basing technique with cascaded class-D drivers.IEEE international symposium on radio-frequency integration technology，2012.

[6]C.C.Ho，C.W.Kuo.A Fully Integrated 2.4GHz Class-E Amplifier With a 63% PAE by 0.18 CMOS Technologies.Solid-State Electronics.2004（48）：99-102.

[7]T.C.Kuo，B.Lusignan.A 1.5w Class-F RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Control.IEEE Journal of Solid-State Circuits.2002，37（06）：684-693.

[8]V.Saari，J.Pasi，R.Ryynanen.Integrated 2.4GHz Class-E CMOS Power Amplifier.IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，California，2005：645-648.

[9]李亮，李文渊，王志功.2.4GHz CMOS功率放大器设计[J].电子器件.2006，29（02）：348-350.

[10]郝允群，庄奕棋，李小明.高效率E类射频功率放大器.半导体技术.2004，29（02）：74-79.

作者简介

朱启文（1990-），男，贵州省贵阳市人。现为贵州大学大数据学院在读硕士研究生。主要研究方向为射频集成电路方向。

作者单位

贵州大学贵州省微纳电子与软件技术重点实验室 贵州省贵阳市 550025

1.贵州大学大数据与信息工程学院 贵州省贵阳市 550025

2.成都旋极星源技术有限公司 四川省成都市 610041