低成本ASK和/或FSK發(fā)射器和收發(fā)器IC是短程無(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，設(shè)計(jì)用于在300MHz至450MHz之間的未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段工作。這些短程設(shè)備 （SRD） 的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入 （RKE）、輪胎壓力監(jiān)控 （TPM）、遠(yuǎn)程控制和安全系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及RF鏈路預(yù)算、天線設(shè)計(jì)、電池壽命和監(jiān)管問題以及其他問題，通常需要在發(fā)射器的輸出功率和電流消耗之間進(jìn)行權(quán)衡。Maxim的低成本發(fā)送器和收發(fā)器（如MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032）上的功率放大器（PA）具有獨(dú)特的功能，允許用戶在保持高效率的同時(shí)控制RF功率/漏電流的權(quán)衡。管理這種權(quán)衡是最大限度地延長(zhǎng)電池壽命以滿足當(dāng)今對(duì)創(chuàng)新節(jié)能產(chǎn)品的高需求的關(guān)鍵。Maxim IC無(wú)需修改即可處理這種權(quán)衡，因此設(shè)計(jì)ResourceSmart?解決方案相對(duì)容易。只需改變提供給PA的負(fù)載阻抗就可以改變PA的輸出功率和電流消耗。

本應(yīng)用筆記簡(jiǎn)要概述了功率放大器理論，并提供了仿真結(jié)果，以深入了解PA在所有Maxim LFRF發(fā)送器和收發(fā)器上的工作情況。

功率放大器概述

A、B 和 C 類放大器

A類放大器的特點(diǎn)是偏置點(diǎn)和信號(hào)電平的組合，其中器件的平均電流消耗不隨輸入信號(hào)的幅度而變化。在圖1中，可以假設(shè)M1是IDC幅度級(jí)的電流源。

圖1.A類放大器示意圖。

眾所周知，最大輸出功率的阻抗為：

最大輸出功率定義為：

因此，峰值效率為 50%。1該分析假設(shè)M1的漏極電壓可以擺動(dòng)至地，同時(shí)仍保持IDC的偏置電流。在三極管區(qū)域工作將A類CMOS PA的實(shí)際效率限制在40%以下。正如該分析所暗示的那樣，必須改變A類放大器的偏置電流，以便在給定電源電壓下，針對(duì)不同的輸出功率電平保持合理的高效率。A類放大器最適合輸入信號(hào)的線性放大很重要的調(diào)制方案，因?yàn)槠命c(diǎn)不隨輸入信號(hào)的幅度而變化。

然而，B類和C類放大器的效率高于A類放大器，但通常輸出功率水平較低，失真更大。

所有A、B和C類CMOS放大器的共同特點(diǎn)是，有源器件被認(rèn)為是壓控電流源，不希望在三極管區(qū)域工作。

D、E 和 F 類放大器

與應(yīng)避免在三極管區(qū)域工作的A、B和C類放大器不同，D、E和F類CMOS放大器依賴于在三極管區(qū)域工作以獲得最佳效率和輸出功率。這些放大器通常被稱為“開關(guān)模式”放大器，通常用于ISM頻段發(fā)射器和收發(fā)器，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘碗妷合鹿逃械母咝Чぷ鳌Ｔ陂_關(guān)模式放大器中，輸出器件由大信號(hào)方波驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

圖2.開關(guān)模式放大器原理圖

將輸出晶體管視為一個(gè)電阻器，該電阻在給定占空比下以工作頻率打開和關(guān)閉。如圖2所示，輸出器件中的電流可能含有非常豐富的諧波。該諧波成分取決于驅(qū)動(dòng)波形的占空比和幅度、FET“導(dǎo)通”電阻以及呈現(xiàn)給PA的阻抗。在D類放大器中，輸入信號(hào)的占空比會(huì)發(fā)生變化以控制輸出功率，這一過程稱為脈寬調(diào)制（PWM）。D類放大器最常用于放大器提供的功率不斷變化的音頻應(yīng)用。

在E類放大器中，輸入信號(hào)的占空比是固定的。匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)用于在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)將開關(guān)漏極處的電壓降至最低。通過在輸出器件吸收電流時(shí)最小化輸出器件兩端的電壓，可以最大限度地降低開關(guān)器件的功耗，從而最大限度地提高PA效率。

與E類放大器類似，F(xiàn)類放大器在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中需要特別注意諧波阻抗，以提高效率。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)類放大器的匹配電路更為復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)諧波阻抗的設(shè)計(jì)限制。

開關(guān)模式放大器

所有Maxim CMOS ISM發(fā)送器和收發(fā)器均提供漏極開路PA輸出。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比在25MHz至300MHz的整個(gè)范圍內(nèi)恒定為450%。用戶將設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，以提供所需的輸出功率電平、電流消耗和諧波性能。這允許用戶實(shí)現(xiàn)最小的功耗，同時(shí)僅為特定無(wú)線應(yīng)用提供必要的輸出功率。

開關(guān)模式PA輸出的簡(jiǎn)單模型如圖3所示。

圖3.開關(guān)模式放大器的簡(jiǎn)化模型。

在此圖中，R西 南部是場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，CPA是器件寄生電容的有效和，C.PKG是封裝電容，C板是電路板電容。表1總結(jié)了Maxim ISM發(fā)送器和收發(fā)器的典型開關(guān)電阻和電容。

表 1.開關(guān)電阻和電容摘要

請(qǐng)注意，典型開關(guān)電阻針對(duì) V 給出DD= 2.7V，電路板寄生電容隨布局變化很大。E類和F類放大器理論和匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方程在文獻(xiàn)中有詳細(xì)記載2, 3, 4讀者可以參考這些出版物以獲取其他背景信息。考慮到本應(yīng)用筆記的范圍，首先，必須設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)以及PA輸出節(jié)點(diǎn)上的波形，以最大限度地提高PA效率就足夠了。其次，當(dāng)器件兩端的電壓在閉合時(shí)較低時(shí)，效率最高。

開關(guān)模式放大器仿真

在許多低成本ISM應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)間、成本或復(fù)雜性方面可能沒有太大的靈活性來(lái)優(yōu)化PA匹配網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最大效率。小型（高Q值）、廉價(jià)天線在傳輸較高頻率時(shí)通常更有效，但監(jiān)管問題限制了傳輸信號(hào)的諧波含量。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)的諧波衰減極為重要。考慮到這些事實(shí)，我們分析了開關(guān)PA，假設(shè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)將使漏極處的電壓經(jīng)過高度濾波，因此是正弦的。參見圖 4。

圖4.開關(guān)模式放大器波形。

假設(shè)PA負(fù)載了RL電阻，輸出電壓擺幅可低至0.1V，則PA的效率可以表示為：

如果 VDD= 3V， R西 南部= 22Ω，RL = 400Ω，則PA效率為80%，輸出功率為10.2dBm。與理想的A類放大器相比，效率提高了約60%。當(dāng)然，電壓波形、開關(guān)電阻和負(fù)載阻抗是相互依賴的，因此上述公式不能用作這些變量的所有組合的效率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)指標(biāo)。因此，SPICE已被用于模擬理想開關(guān)模式PA的性能。在Q值為11的并聯(lián)諧振電路上放置一個(gè)22Ω或10Ω的理想開關(guān)電阻。仿真原理圖如圖5所示;仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5.理想開關(guān)模式放大器的仿真原理圖

圖6.理想的開關(guān)模式放大器性能與負(fù)載電阻的關(guān)系。

如圖6所示，開關(guān)模式PA最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是，通過改變提供給PA的負(fù)載，可以在很寬的范圍內(nèi)改變輸出功率，同時(shí)保持出色的DC-RF效率。此外，與較高的開關(guān)電阻相比，具有較低開關(guān)電阻的開關(guān)放大器可以以更高的效率輸出更大的功率。較低開關(guān)電阻的缺點(diǎn)是需要較高的驅(qū)動(dòng)器電流來(lái)對(duì)開關(guān)器件的寄生電容進(jìn)行充電和放電。

如前所述，為了最大限度地提高開關(guān)模式放大器的效率，開關(guān)必須僅在電壓波形的最小值附近導(dǎo)通。以裝有簡(jiǎn)單并聯(lián)諧振電路的開關(guān)電阻為例，可以通過最小化在工作頻率下呈現(xiàn)給PA的阻抗的虛部（包括器件、封裝和電路板的寄生電容）來(lái)滿足這一要求。如果網(wǎng)絡(luò)脫離諧振或失諧，效率會(huì)顯著下降。圖7顯示了理想開關(guān)模式放大器在Q=10和Q=5時(shí)關(guān)斷諧振時(shí)的性能。

圖7.理想的開關(guān)模式放大器性能與失諧的關(guān)系。

如圖7所示，諧振時(shí)會(huì)出現(xiàn)最小漏電流。這一事實(shí)可用于驗(yàn)證給定網(wǎng)絡(luò)是否已針對(duì)特定工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化。還應(yīng)該注意的是，SPICE仿真假設(shè)：開關(guān)電阻可以立即打開和關(guān)閉;開關(guān)器件的寄生電容不會(huì)隨著器件的開啟和關(guān)閉而改變;并且諧振電路電感器或電容器中沒有損耗或寄生阻抗。與理想仿真相比，這些因素會(huì)降低實(shí)際開關(guān)模式放大器的性能。通常需要一種迭代方法來(lái)優(yōu)化特定應(yīng)用的PA匹配網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

總之，Maxim的ISM頻段開關(guān)模式放大器的一些重要亮點(diǎn)和特性是：

開關(guān)模式放大器依賴于三極管區(qū)域的工作，以在低電源電壓下獲得最佳效率和輸出功率。這與A、B和C類放大器形成鮮明對(duì)比，后者應(yīng)避免在三極管區(qū)域工作

所有Maxim CMOS ISM開關(guān)模式放大器均提供漏極開路PA輸出。用戶設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，提供所需的輸出功率電平、電流消耗和諧波性能。這種靈活性允許用戶定制RF功率/電流消耗權(quán)衡，同時(shí)保持高效率，這是在設(shè)計(jì)ResourceSmart解決方案時(shí)最大限度地延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。

為了最大限度地提高開關(guān)模式放大器的效率，開關(guān)必須僅在電壓波形的最小值附近導(dǎo)通。最小化在工作頻率下呈現(xiàn)給PA的阻抗虛部（包括器件、封裝和電路板的寄生電容）即可滿足這一要求。

根據(jù)特定的PA負(fù)載阻抗，諧振時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)最小漏電流。這些知識(shí)對(duì)于驗(yàn)證給定網(wǎng)絡(luò)是否已針對(duì)特定工作頻率和負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化非常有用。

審核編輯：郭婷