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功率放大器的設計技巧

發(fā)布時間: 2016-06-30 10:47:31    關注量:1732

  無處不在的無線技術為高集成度電路創(chuàng)造了市場需求,比如發(fā)信機、接收機,以及片上頻率合成器等。硅CMOS技術把這種集成變?yōu)榭赡?,然?a href="http://www.gdshf.cn/" target="_blank">功率放大器(PA)卻是個例外,它仍然是用非CMOS技術實現(xiàn)的典型。功率放大器能夠同其它無線構建模塊緊湊集成到一起是再理想不過了。

  功率放大器涉及到許多不同參數(shù)的分配,包括附加功率效率(PAE)、線性度、最大輸出功率、最大穩(wěn)定增益、輸入/輸出匹配、散熱和擊穿電壓。與許多RF組件設計技術一樣,這些要求常常彼此矛盾,例如,獲得較好的線性度往往以犧牲PAE指標為代價。典型地,線性度用輸出三階截點(OIP3)、1-dB壓縮點(P1dB)、鄰道功率比(ACPR)AM-AM失真(AM/AM)以及AM-PA失真(AM/PM)來*估。線性度改善一般依賴使放大器輸出功率遠離其飽和輸出電平來實現(xiàn),而且為了滿足給定的線性要求,會消耗更多的直流功率。

  盡管許多這類折衷擺在功放設計師者面前,放大器電路仍然在過去幾年里得到充分地研究,可以查閱到很多設計方法。設計人員能設計出大量有意思的結構。為探究用硅CMOS制造功放的可能性,本文首先分析了單端CMOS 功放,然后是差分COMOS PA。本報告涉及兩種改善線性度的簡單結構,并在對高效率E類和F類CMOS PA討論后得出結論。

  相當一段時間內(nèi),單端AB類PA在大量應用里有可靠表現(xiàn),這種類型實際上是A類與B類設計結合的混合體。在一個A類功放中,功率三極管在時間內(nèi)都不會出現(xiàn)偏置電流截止的情況。典型地,一個A類功放接近輸出最大功率,并有著突出的線性,盡管該方法的最佳理論效率只有50%。

  通過在其導通門限處設置偏置,B類功放的效率得到改善,這個驅(qū)動放大器的輸出會使末級功率放大器反復導通和截止,末級功率三極管在該時刻的效率達到50%,這樣,B類設計使效率可以提高到78.5%。

  AB類功率放大器實現(xiàn)A類與B類方法的折衷。晶體管的偏置比其導通電壓略高,但晶體管自始至終都沒有完全導通。AB類功放典型地采用多級實現(xiàn)(圖1)以提高PAE,不只是為提高效率。在設計中,器件M1是驅(qū)動FET,而M2是輸出級FET。輸入、輸出和中間級的阻抗匹配可以用L、T和Π型網(wǎng)絡來完成。漏極到柵極反饋常用在AB類功放設計里來改善穩(wěn)定性;這種反饋還能簡化阻抗匹配。在這個專門的設計里,電阻R3和R5以及電容C2和C6是反饋元件。電阻R1和R2,電阻R4和R5構成簡單的電阻驅(qū)動網(wǎng)絡來對晶體管進行偏置。通過采用不同的電阻分壓比,圖1的基本電路可以改換到其它多種PA結構中,包括A類,B類和C類。

  CMOS收發(fā)器一般采用差分電路來實現(xiàn),以降低其對共模噪聲的敏感程度。圖2給出了一個標準的差分功放。它本質(zhì)上是兩個并聯(lián)的單端功放。FET M5,M6以及M7和M8構成電阻分壓器。為使放大器同外部濾波器連接,需要一個平衡(差分)輸入濾波器,該濾波器的輸出可以是非平衡的,以便同單端天線接口;也可以設計成平衡輸出,以適用于雙極子天線。

  由于單端濾波器和天線應用廣泛,實際設計時會在功放內(nèi)部集成平衡非平衡(balun)變壓器,圖3給出一集成平衡非平衡變壓器的通用差分功放。這種設計從圖2的增益模塊結構改進而來,并且采用了一種級聯(lián)形式。級聯(lián)降低了柵-漏極電容(Cgd)密勒效應,并使輸入輸出端口隔離度增加,不用反饋也提高了放大器穩(wěn)定性。

  同使用單級晶體管相比,這種設計方法還提高了增益。這里只詳細討論其中一級,因為整個電路使用了類似的電路結構。較低一級的晶體管M1采用鏡像電流偏置,由于晶體管M10的作用,M1的偏置電流是偏置電流I2縮放。增加這樣一個“二極管”類型偏置的好處在于,該偏置電流能跟蹤功率FET的偏置變化情況,防止出現(xiàn)“熱失控”問題。類似于M3,頂層級聯(lián)晶體管被偏置在飽和區(qū),這通過簡單地把其柵極跟電源連接而實現(xiàn)。這樣,柵極電壓Vgd總是低于門限電壓Vt,滿足保持在飽和區(qū)的要求。輸出平衡非平衡1倍變壓器可以用螺旋型集成電感來實現(xiàn)。電容C5和C6是平衡非平衡變壓器輸入的阻抗匹配元件。

  許多研究團隊已經(jīng)演示驗證了E類CMOS 功放具有高效率。18、19圖5顯示出E類功放的一般性結構。在這個兩級結構設計里,器件M1和M6為驅(qū)動級,而晶體管M2和M5構成最后輸出功率級。器件M3與M4起到控制器件來改善輸出器件M2和M5間的切換作用。

  考查晶體管M3和M4工作情況的一種辦法是研究振蕩器注頻模式鎖定。E類功放會對輸入頻率/相位改變作出反應而不是對幅度作出反應。正如注頻模式鎖定理論解釋的那樣,如果有另一個源在附近,振蕩器會典型地振蕩在一個不同頻率。交叉耦合器件M3和M4以及儲能電路必然形成CMOS振蕩器。前往功率級的輸入信號必然會牽引基于M3和M4的振蕩器振蕩頻率。這種方案有助于通過降低輸入驅(qū)動要求來提高效率。

  F類功放通過對輸出漏極電壓和漏極電流整形來提高效率。這種結構可通過再次修改圖1中的AB類功放基本形式得到,即對第二級改動。該思想是讓晶體管M2的漏極對基頻和奇次諧波表現(xiàn)為高阻抗,這樣電壓波形就變成方波。不過,在偶次諧波頻率處,阻抗很低。這種諧波端接技術把電流整形為半正弦波。諧波端接用四分之一波長傳輸線(TRL)以及C7、C8和C9等電容來實現(xiàn)。盡管F類功放實現(xiàn)起來相當直接,集成四分之一波長傳輸線卻仍是個挑戰(zhàn),它一般被制作在功率放大器的印刷電路板上而不是在芯片上。

  就其本身而言,CMOS 功放在性能上還不能同其他射頻/微波器件技術相競爭,如GaAs FET放大器,甚至GaAs異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)。不過,但它確實為更高程度集成硅CMOS電路帶來了潛在希望,特別是在當射頻電路必須與數(shù)字信號處理部分集成在收發(fā)器IC內(nèi)的時候。



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