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