基于自举共源共栅的CMOS E类功率放大器的设计

作者:许定华;林福江 刊名:电子技术 上传者:蓝建承

【摘要】功率放大器影响着无线发射机的总功耗和效率.开关类的E类功率放大器能达到很高的效率,但是在功率管上的最大电压压降为2.6倍Vdd,易有击穿或损坏器件的寿命.将自举共源共栅结构用在E类功率放大器中可以使系统能承受更大的压降.用GF 130nm工艺制作的2.4GHz的E类功率放大器表明,这种结构能承受2.1V电源电压,输出18dBm的功率,效率43.2%.电源电压比普通共源共栅结构有23%的提升.自举共源共栅结构实现开关类功率放大器的文献在IEEE检索中尚未出现.可以尝试进一步拓展到其他多种E/F族功率放大器中,或者运用在包络消除与恢复功率放大器等更复杂的结构里.

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72 电子技术设计与应用 Electronics Design & Application 10.3969/j.issn.1000-0755.2018.06.019 0 引言 无线通信系统自诞生以来,越来越广泛应用在 生活生产中。功率放大器,作为无线发射机功耗最 大的部分,影响着系统的总功耗和效率[1]。片上集 成的功率放大器能减少面积和干扰,有效节约成本。 开关类的E类功率放大器能达到很高的效率, 但是系统在功率管上的最大电压压降为2.6倍Vdd, 易有击穿或损坏器件的寿命的危险。本文首次实现 将自举共源共栅结构用在E类功率放大器中,使系统 能承受大的压降,产生18dBm的输出,达到42%的 效率。 1 系统介绍 1.1 功率放大器的特征和参数 功率放大器的功率较大,输出信号是大信号, 与一般电路近似后的小信号分析有所不同。[1]功率 放大器的输出匹配采用的是负载线匹配。即电路取 得最大输出功率时,电路的功率管正好达到最大电 压(接近电源电压)和最大电流。采用这一匹配能 充分利用电路的特性,达到最大效率。若晶体管承 受了过大的电压,可能造成晶体管击穿等现象,影 响电路的正常使用。工艺一般规定,CMOS管任意 两个结点间的电压不可超过两倍标准电源电压。功 率放大器的性能参数有输出功率、效率、增益、线 性度等。 功率放大器的结构可以分为输入匹配、输出匹 配、功率管。输出匹配进行滤波。功率放大器分为 传统类和开关类。传统类有A、AB、B、C类等,优点 是线性度好,缺点是效率低。开关类有D类、E类、 F类等,优点是效率高,缺点是线性度差。开关类的 基于自举共源共栅的CMOS E类功率放大器的设计 许定华 林福江 (中国科学技术大学 信息科学技术学院,安徽 合肥 230026) 摘 要:功率放大器影响着无线发射机的总功耗和效率。开关类的E类功率放大器能达到很高的效率, 但是在功率管上的最大电压压降为2.6倍Vdd,易有击穿或损坏器件的寿命。将自举共源共栅结构用在E类功 率放大器中可以使系统能承受更大的压降。用GF 130nm工艺制作的2.4GHz的E类功率放大器表明,这种结 构能承受2.1V电源电压,输出18dBm的功率,效率43.2%。电源电压比普通共源共栅结构有23%的提升。自 举共源共栅结构实现开关类功率放大器的文献在IEEE检索中尚未出现。可以尝试进一步拓展到其他多种E/F 族功率放大器中,或者运用在包络消除与恢复功率放大器等更复杂的结构里。 关键词:集成射频电路;E类功率放大器;自举共源共栅 中图分类号: 文献标识码:A 中文引用格式: 英文引用格式: Design of CMOS Class E Power Amplifier Based on Bootstrap Cascode Xu Dinghua Lin Fujiang (School of Information Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, China 230026) Abstract: The power amplifier affects the total power consumption and efficiency of the wireless transmitter. Class E power amplifiers can achieve high

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