1、射频集成电路设计基础讲义功率放大器与小信号放大器的区别主要指标 PA的分类大信号阻抗匹配非线性失真线性化技术 CMOS PA参考文献东南大学射频与光电集成电路研究所 , Dec-14, 2006 1 of 24与小信号放大器的区别 大信号工作RSrRLvovsv1 gmv1RSRLvin 需要足够的电流驱动能力和击穿电压 例如 30dBm 50 = 1W = 10V200mA 阻抗非线性，匹配困难 功率增益：不要光看电压增益以低频射极跟随器为例，电压增益为vovin-1 +()RLr1 +()RL+-RL1 gm RL+-=vovs-1 +()RLRSr1 +()RL+-RLRS 1 gm R
2、L+-=如果 RS100= RL50= gm1 S= 100=， ， ， ，以上两式的值分别为 0.98和 0.96，即没有电压增益。射频集成电路设计基础 功率放大器 与小信号放大器的区别 2 of 24而电路的功率增益：GTPLPAVS-vo2RLvs2()2RS-4vo2vs2-RSRL-= =在以上条件下 或 8.7dB。GT7.4 共轭匹配不是最佳选择RSRLvsiRSRLv为了从一个给定的信号源 (电压或电流 )获取最大的功率，需要使负载与信号源内阻共轭匹配，这时的功率传输效率为 50%。注意，这只是负载上的信号功率与负载和内阻上消耗的信号功率比，即一半的功率被消耗在了内阻上，它并不
3、是放大器的效率。电压源的负载电阻越大、电流源的负载电阻越小，内阻上的消耗就越小。 效率和线性度：最基本的要求和矛盾小信号放大器通常不存在效率问题，但由于功放所消耗的巨大功率，效率成为关键指标之一，尤其对于移动台。射频集成电路设计基础 功率放大器 与小信号放大器的区别 3 of 24主要指标 输出功率和增益不同系统所要求的输出功率不同，在个人无线通信系统中大致在 1毫瓦 (0dBm)到几瓦 (35dBm)之间，为了获得这一范围的输出功率，视输入信号的情况，功放的功率增益大约为 20到 40dB。 效率和功率附加效率 (Power Added Efficiency, PAE)功放将电源的直流功率转
4、化成交流信号功率 输出，只有一部分直流功率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一 部分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗。PLPD-,=PAEPLPinPD- 11G-= (1)效率和线性度矛盾的另一方面：输出功率越 大，效率越高，由非线性所引起的失真或干扰也越强。射频集成电路设计基础 功率放大器 主要指标 4 of 24 线性度P0f0P1f1fACP = P0 P1(dBc)EVMidealactual 非线性失真同时表现在幅度和相位上 互调分量 (IM3, IM5 etc.)或谐波抑制 EVM (Error Vector Magnitude) ACP (Adjacent Cha
5、nnel Power, 已调制信号) 功率 (或增益 )控制有效的节省能量、减少对其他用户干扰的手段，在 CDMA系统中更是一个基本要求。可以通过模拟信号 (连续变化 )或数字信号 (按一定的步长或 dB值变化 )控制。 输入输出反射系数或驻波比为了获得最大的输入功率，需要较小的输入反射系数；为了获得高效率，通常会在输出端形成较大的驻波比。射频集成电路设计基础 功率放大器 主要指标 5 of 24PA的分类 Class A (甲类 )MatchingRFCRLvCEVCCICiCttRxixNetworkVCCRFC=RF Choke，可以看成电流源ixICiC= , PDVCCIC=当 vC
6、E的峰峰值达到 2VCC， ix或 iC的峰峰值达到 2IC时输出信号功率达到最大值PLmax,12-IC2Rx12-VCC2Rx-12-VCCIC=此时放大器的效率为maxPLmax,PD-50%=射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 6 of 24如果信号幅度减小，输出功率减小， 但是直流功耗不变，效率随之降低：PLPD-12-Vo2Rx-VCCIC()12-Vo2Rx-VCC2Rx-12-Vo2VCC2-= = = (2)Vo为集电极输出信号电压幅度。 共轭匹配的情况gmvinroRLvo现在来看一下为什么共轭匹配在功放设计中有问题。假设完全线性的工作，即放大器在输入信号范围内
7、跨导不变，并且在工作频率上输出阻抗为恒定的实电阻ro，为了实现共轭匹配，负载必须经过变换使RLro=于是输出电压幅度和功率分别为VogmVinro2-= , PL12-Vo2RL-18-gmVin()2ro= (3)射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 7 of 24gmVin的最大值为 IC，因此最大的输出电压幅度和功率为Vo, max12-ICro= , PL, max18-IC2ro= (4)而这时的功放效率为PL, maxVCCIC-18-ICroVCC-14-Vo, maxVCC-= (5)假设 ，根据 (4)，为了获得 65mW的最大功率输出， Iro1k=C至少应为约2
8、3mA， Vo, max则至少需为 11.4V，也就是 VCC至少需要达到 11.4V！而此时的直流功耗为 262mW，效率仅为 25%。在同样的偏置电流下，如果 RL250= ，则 Vo, maxICroRL|() = 4.6V， PL, max0.5Vo, max2RL= 42.3mW，效率则大于40%。实际的输出阻抗需要视电源电压和最大 偏置电流而定，在电源电压很低的情况下，需要将负载变换成更小的值，并提供更大的偏置电流。射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 8 of 24 Class B & Class AB (乙类与甲乙类 )vCEiCtt0VCCTIxMatchingRF
9、CRLRxixNetworkVCC无论有无信号，甲类功放都保持导通，因此效率不高，乙类功放的偏置电流 IC=0，只有在有信号时 (输入信号正半周 )管子才工作，这时 信号电流 ixiC= , Ix, max最大幅度 VCCRx= 。正弦信号激励下输出功率和直流功耗分别为PL1T-vCEVCC()2Rx-td0T1T-iC2Rxtd0T=1T-Ixtsin()2Rxtd0T 214-Ix2RxPLmax,14-Ixmax,2Rx14-VCCRx-2RxVCC24Rx-= =PD1T-VCCiCtd0T1T-VCCIxtsin()td0T 2IxVCC1-= =, PDmax,VCC2Rx-1-=
10、射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 9 of 24所以此时的效率为vinvoutRLQ1Q2iC1iC2vinvoutmaxPLmax,PDmax,-4-78.5%=这时的匹配网络需要同时滤除输出信号中的谐波成份。对于较小的输出信号幅度 VxVCC功率放大器 PA 的分类 10 of 24 Class C (丙类 ) 如果进一步减小一个信号周期内管子的 导通时间，我们将获得更高的效率，这也就是丙类放大器的工作原理；但这时匹配 /滤波网络的设计将趋于复杂，更重要的是输出功率会不断减小，从而失去了实用价值 Class A, Class B, Class AB & Class C小结 晶
11、体管都以压控电流源的方式工作，不同之处在于工作点 导通角、最高效率2ID, ICt0和输出功率max2 2sin4 sin cos()-=Poutsin1 2()cos-(6)(7) Class A: = , max50%= Class B: 2= , max78.5% Class C: 2 功率放大器 PA 的分类 11 of 24 Class D与 Class A, B, C不同， Class D PA的晶体管工作在开关状态，理想情况下其电压电流积恒为 0，即不消耗功率；但理想的开关是不存在的，因此从实用的角度看， Class D PA很大程度上只是一个概念 Class EVxC1C2LR
12、LOFF ON OFF ON OFFvinidvx3.6VDD1.7VDD/RL开关工作情况 关断时 Vx必须保持在低电压足够长时间，使漏极电流降到 0 打开前 Vx必须降到 0 打开时 Vx的斜率为 0Q取决于效率和谐波失真度要求C11RL24 1+()2()-1RL5.447-=C2C15.447Q-11.42Q 2.08-+LQRL()=射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 12 of 24 Class F为使输出电压波形更为陡峭，匹配网络的设计使 3次 (和 5次 )谐波得到增强Z2, /4RLRL300射频集成电路设计基础 功率放大器 PA 的分类 13 of 24大信号阻
13、抗匹配 放大器的输出阻抗随电压和电流变化 (非线性 ) Load-pull testPASource TunerPowerMeterImpedance Control射频集成电路设计基础 功率放大器 大信号阻抗匹配 14 of 24非线性失真 AM-AM and AM-PM Distortion 放大器所能提供的输出电流受到偏置电 流和电源电压的限制，无法随输入信号的增大而保持相应的增长，这时的增益出现压缩 (Compression)，输出信号幅度出现失真 (AM-AM)，而信号相位也出现失真 (AM-PM) Slew Rate (转换速度 /响应速度 )VinVout-(actual)Vin
14、Vout-(theoretical)VoutSRdVoutdt-ImaxC-= 实际上，相位随信号幅度的改变比幅度失真出现得更早 Spectral Regrowth 如果使用滤波器去限制一个调相信号的带宽，信号幅度将会发生改变，非线性失真会导致输出频谱的扩展射频集成电路设计基础 功率放大器 非线性失真 15 of 24线性化技术 前馈 (Feedforward)G1 Gmain amplifiererror amplifierABCVinVoutG21 非线性失真后的信号可以看作线性信号与一个误差 (error)信号之和，前馈技术将这一误差信号从放大后的信号中提取出来并去除 图中 VAVinG
15、Verr+=VBVAG Vin VerrG=VCVBGVerr=VoutVAVC VinG= 不存在反馈环路，具有良好的稳定性 依赖于信号幅度和相位的精确匹配，需 要延迟线来达到相位的匹配，因此会引入损耗并且不易集成；对相加器要求 很高，往往只能用低损耗的无源元件 失真抑制度射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 16 of 24E 121AA-+cos1AA-+2+= (8)当 , AA-5%= 时，求得 5= E 0.102 20dB=, 即互调分量被减小了20dB。射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 17 of 24 反馈GACVinVoutLOtcosLOt +()co
16、sLPFfVinVout 负反馈基本原理AfA1 Af+-1f-= (9) 高频时环路增益不易提高，同时存在严重的稳定性问题，因此希望反馈环路在低频工作，于是环路中将包含变频电路。对于正交调制信号需要相应的正交解调电路，此时的反馈称为 Cartesian Feedback (笛卡尔反馈 ?) 环路的高频通路引入了可观的相移 , 因此需要在解调时进行补偿，相移的控制是一个难点 存在稳定性问题射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 18 of 24 预失真 (Predistortion)yxzzx很多电路都使用预失真技术，例如镜像电流源 模拟预失真 数字预失真 PA (Transmitter
17、)的记忆效应VinVo u t 由滤波器、匹配网络、非线性电容及偏置电路的频率响应所引起 非线性特性不仅取决于当前的输入信号幅度，还与以前的信号有关，增加了预失真算法的复杂度射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 19 of 24 LINC (Linear amplification with Nonlinear Components) vinvoutv2v1signalseparator一个非恒包络调制信号可以分解为两个恒包络调相信号之和：vint() at() ct t()+cosv1t() v2t()+=v1t()12-V0ct t() t()+sin=v2t()12-V0ct t
18、() t()+sin=(10)(11)其中 t() at() V0sin1= 不难想像，这两路信号必须具有良好的 匹配，相加器必须提供足够的隔离度和尽可能小的损耗；同时，两个调相信 号的产生具有相当的复杂度，有一种类似正交调制的方法：v1t() vIt() ct +()cos vQt() ct +()sin+=v2t() vIt() ct +()cos vQt() ct +()sin+=(12)这里 vIt()at()2-= ， vQt()V02a2t()2-= ，都是低频信号射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 20 of 24 Envelope Elimination and Re
19、storation (EE&R，包络消除及恢复 )VinVoutHi- PALimiterEnvelope Detector 除了分解为两个恒包络调相信号之和， 非恒包络调制信号也可以分解成一个低频的包络和一个高频恒包络角度调制 信号；这时可以使用一个高效率的非线性放大器去放大高频信号，这个放大器的增益由包络信号线性控制 (调制 )；包络信号则由一个低频放大器 (不需要大功率 )放大 难点：低频和高频信号的延时必须一致；去除包络时会引入相位失真 (AM-PM)；需要使用开关电源技术减小控制 (调制 )的功耗射频集成电路设计基础 功率放大器 线性化技术 21 of 24线性化技术小结 由于高频和
20、大功率工作，射频功放的线性化受到很多限制，如 (幅度和相位 )的匹配，元件品质因数 (损耗 /效率 )的要求，稳定性的考虑等 Table 1: Comparison of different PA linearization techniquesPAE Bandwidth ComplexityFeedforward Low Broad HighFeedback Medium Narrow LowPredistortion Medium Moderate MediumLINC High Moderate HighEE&R High Narrow High线性化技术的比较射频集成电路设计基础 功率
21、放大器 线性化技术小结 22 of 24CMOS PA 低迁移率： (电流 )驱动能力低 (寄生 )电容大 高掺杂衬底：串扰和损耗 高频大信号模型的精确度 低 Q值无源元件将造成匹配困难以及效率低下，需要使用片外电感，有时可利用 Bond Wire 较为实用的输出功率小于 20dBm (100mW)，在短距离小功率系统如Bluetooth, WLAN中可以降低成本射频集成电路设计基础 功率放大器 CMOS PA 23 of 24 一个例子3outputDriver2Z2, /4Vc2Vc2RLDriver1Z1, /4Vc1Vc1Driver3Z3, /4Vc3Vc3input射频集成电路设计
22、基础 功率放大器 CMOS PA 24 of 24参考文献1 B. Razavi, RF Microelectronics, Chapter 9, Prentice, 1998.2 Peter B. Kenington, High-linearity RF Amplifier Design, Artech House. 3 Alireza Shirvani, et al., “A CMOS RF power amplifier with parallel amplification for efficient power control,” IEEE J. Solid-State Circutis, vol. 37, pp. 684-693, June 2002.射频集成电路设计基础 功率放大器 参考文献
