功率放大器类型

● 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类功率放大器的结构图

　　a类功率放大器的效率最大值为50%。工作在线性区会使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，所以在注重增益和线性度的应用中，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。

● d类、e类和f类功率放大器

　　d类、e类和f类cmos功率放大器通过工作在线性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。如图2所示，在开关模式功率放大器中，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结构图

　　从图2还可以看出，输出级晶体管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。d类功率放大器通过改变输入信号的占空比改变输出功率，这就是脉宽调制模式（pwm）。d类功率放大器通常用于输出功率连续变化的音频领域。

　　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，可以降低开关管的损耗，提高系统的整体效率。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300～450mhz频段内，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。图3是开关模式功率放大器输出级的简单模型。图中，r _sw是场效应管的导通电阻，c _pa是等效的器件寄生电容总和，c _pkg是封装电容，c _board是板上电容，z _pa是c _pa、c _pkg、c _board三电阻串连后再同r _sw并联所得。表1则是maxim ism频段主要收发器件的开关电阻和电容值。其中，开关导通电阻的典型值对应于v _dd=2.7v的工作电压；另外，板上寄生电容受布线影响很大。

图3 开关模式功率放大器的简化模型

　　e类、f类功率放大器和匹配网络的设计可以参照文献2、3、4。考虑到本文篇幅，这里只提及两点：首先，匹配网络的设计必需使功率放大器的效率最高；其次，输出级导通压降较低时，功率放大器的效率最高。

开关模式功率放大器的仿真

　　在许多低成本ism频段应用中，系统工程师可能受设计周期、费用、系统复杂度的限制而无法对匹配网络进行优化。小尺寸（高q值）、价格便宜的天线在发射较高频率时通常有较高效率，但是射频调整电路限制了发射信号的谐波成分，所以匹配网络对谐波分量的抑制尤为重要。考虑到这些因素，我们在分析功率放大器时假定输出匹配网络已经过优化，输出电压为正弦信号。

　　如图4所示，假设功率放大器的负载电阻为rl，输出电压可低至0.1v，功率放大器的效率表示为

（3）

　　如果电源电压v _dd=3v，开关导通电阻r _sw=22w，负载电阻r_l=400w，功率放大器的效率为80％，输出功率为10.2dbm。可利用spice建立开关模式功率放大器的理想模型，其中，阻值为11w或22w的理想电阻与q值为10的并联谐振腔连接。图5是仿真原理图，图6为仿真结果。

图5 仿真原理图

　　图6所示，开关模式的功率放大器最显著的优势之一就是在保证卓越的直流/射频转换效率的同时，通过改变负载电阻，可以在宽范围内改变输出功率。另外，具有较小开关导通电阻的开关模式功率放大器的输出功率较大，效率较高。它的缺点是需要更大的电流