高效率逆E類功率放大器研究

袁杰 范如東 曾文博

摘 要

論文根據逆E類功率放大器的工作原理，采用一種新的簡單的時域分析方法分析了晶體管導通電阻Ron和輸出電容Cout對放大器效率的影響。提出了一種Cout的補償電路，和一種簡單的二次諧波利用網絡，提高效率。采用Freescale MRF281非線性電路模型，完成了頻率范圍1.92～1.98GHz、輸出功率30dBm的逆E類功率放大器的仿真設計。仿真結果表明漏極效率在整個頻率范圍內優于81%，在中心頻點1.95GHz上為85.2%。說明改進的電路結構簡單、易于實現，對效率改善效果明顯。

關鍵詞

功率放大器;逆E類;E類;高效率

中圖分類號： TN722.75 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.074

Abstract

Based on the basic principles of inverse class E power amplifier， we analyzed the effects of parasitic switch-on resistance （Ron） and output capacitance （Cout） of the transistor on efficiency of power amplifier on time-domain with a new simple method in this paper. ?To enhancing the drain efficiency， circuits were put forwarded for compensating Cout and utilizing second harmonic. ?Simulation Using Freescale MRF281 non-linear model was performed. ?Simulation results of an inverse class E power amplifier show that in the whole frequency range 1.92～1.98 GHz， with output power of 30dBm， drain efficiency is higher than 81%， and reaches 85.2% at the central frequency 1.95GHz. It proves that the new topology is simple and effective.

Key words

Power Amplifier;Inverse Class E;Class E;High-Efficiency

0 引言

射頻功率放大器作為現代無線通信系統的主要組成部分，其性能很大程度上決定了發射部分甚至整個通信系統的指標，所以受到了越來越多的關注。L波段被廣泛使用于雷達通信、電臺通信、移動通信等各個領域。在無線通信系統中，功率放大器耗能占整個系統功耗的60%～90%。低效率功率放大器嚴重影響著系統的整體性能。所以，高效率射頻功率放大器對于提高收發器效率，降低電源消耗，提高系統性能，降低生產和維護成本都有十分重要的意義，其在電池供電的便攜式移動應用設備中更是意義非凡。1975年， Sokal等人提出了基于開關模型的E類功率放大器[1]，E類結構以其理論效率為100%引起廣泛關注。1977年Raab提出了基于電壓控制的E類功率放大器[2]，此后Brabetz[3]等人進一步分析闡述了其工作原理，稱之為逆E類功率放大器。逆E類功率放大器，以其潛在的更高的效率，更易小型化等優勢，已成為近年高效率功放研究的新熱點。

表1簡單比較了一些已經發表的E類和逆E類的功率放大器[4-6]，其漏極效率在63%～69%，本文仿真漏極效率為85%，可以看出在低功率放大器中，逆E類結構漏極效率優于E類。

1 逆E類功率放大器的工作原理

為了簡化分析，我們做如下假設[2]：

（i）晶體管工作在理想開關狀態。

（ii）電路中的無源元件都是線性時不變的理想元件。

（iii）射頻扼流圈RFC只能通過直流電流。

（iv）CB只能通過交流電流。

（v）LpCp品質因數足夠大，使RL上電壓為正弦。

逆E類功放電路結構如圖1。其中RFC防止直流、射頻信號互擾，隔直電容CB防止電源VDD通過Lp接地，諧振電路LpCp使負載RL上電壓為正弦，Cx補償因LpCp產生的相位差。當晶體管導通時，晶體管電壓vsw=0，電感Ls上電壓vL為VDD和負載電壓之和，漏極電流isw由vL積分可得;當晶體管截止時，vsw為VDD和負載電壓之和，vL=0，isw=0，因此晶體管上電流電壓不同時出現，實現高效率。在頻率1.95GHz，漏極偏壓10V，輸出功率30dBm條件下，理想逆E類晶體管漏極電流、電壓波形如圖2，漏極效率接近100%。

2 電逆E類結構中晶體管導通電阻Ron和輸出電容Cout的功耗分析

在理想狀態，電路的晶體管工作在飽和、截止兩種狀態，可將其等效為隨輸入信號頻率工作的開關。在實際電路中，晶體管不可能工作在理想狀態。逆E類結構中晶體管上的功耗主要來自兩個方面，即晶體管導通電阻Ron和輸出電容Cout。

2.1 晶體管導通電阻Ron的功耗分析

改進后所得仿真結果如圖7所示。與圖6比較可得，改進后晶體管漏極電壓降低，由（17）可得Cout上功耗降低;導通電流較高的時間減小，使Ron功耗降低。在輸出功率不變的情況下，漏極效率有明顯提高?？梢钥闯鲈陬l率范圍1.92～1.98GHz內，漏極效率在81%以上、中心頻點上為85.2%，在84%以上帶寬為40MHz，輸出功率30dBm±1dB、中心頻點上為30.5dBm，所得結果很好的滿足了設計要求。

4 結論

從小型化實際需求出發，設計出一種基于一體化封裝的小型化方案。小型化后電路尺寸約為20mm×15mm×7.6mm，電路平面面積縮小88.2%，均為原電路的1/8大小，大大縮小了原電路的體積，小型化效果明顯。通過常規MCM和SMT工藝，組裝實現了小型化電路，實測功能與電參數與原模塊電路基本一致，滿足指標要求。

該小型化電路為無引線表貼封裝，由于內部焊膏溫度梯度問題，目前暫時只能使用手工焊接裝配，無法使用高溫回流焊進行組裝。后續將針對該問題，繼續開展進一步的研究。

參考文獻

[1]N.O. Sokal， and A.D. Sokal， “Class E—A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switch Power Amplifiers， ”[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， Vol. SC-10， No. 3， June 1975， pp.168-176.

[2]F.H. Raab， “Idealized Operation of The Class E Tuned Power Amplifier， ”[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems， Vol. CAS-24， No. 12， December 1977， pp. 725-735.

[3]T. Brabetz， V.F. Fusco， et al.. “Voltage Driven Class E Amplifier and Applications， ”[C].IEE Proc-Microw. Antennas Propag.， Vol. 152， No. 5， October 2005， pp. 373-377.

[4]Hongtao Xu， Steven Gao， Sten Heikman， et al.. “A High-Efficiency Class-E GaN HEMT Power Amplifier at 1.9GHz， ”[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters， Vol. 16， No. 1， January 2006， pp. 22-24.

[5]Thian Mury， Vincent F. Fusco， et al.. “Inverse Class E Amplifer with Transmission-Line Harmonic Suppression，”[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， Vol. 54， NO.7， July 2007， pp. 1555-1561.

[6]Riccardo Brama， Luca Larcher， Andrea Mazzanti， et al.. “A 30.5 dBm 48% PAE CMOS Class E PA with Integrated Balun for RF Applications， ”[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， Vol. 43， NO. 8， August 2008， pp. 1755-1762.

[7]T. Mury， V. F. Fusco， et al.. “Sensitivity Characteristics of Inverse Class-E Power Amplifier，”[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， Vol. 54， NO. 4， April 2007， pp. 768-778.

[8]T. Mury， V. F. Fusco， et al.. “Series-L/Parallel-Tuned Comparison with Shunt-C/ Series -Tuned Class-E Power Amplifier，”[C]. IEE Proc.-Circuits Devices Syst， Vol. 152， No. 6， December 2005， pp. 709-717.

[9]Franco Giannini， Lucio Scucchia， “A Complete Class of Harmonic Matching Networks： Synthesis and Application，” [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， Vol. 57， NO. 3， March 2009， pp. 612-619.