CN1385957A - 高效率e类功率放大器优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本技术属于基本电路设计领域,涉及高效率E类功率放大器优化设计方法。具体步骤为:给定系统参数:输出功率P_out、电源电压V_dd、工作频率f和输出Q值Q_L（＝2πf^＊/R_L);计算当R_L ^*为R_L最大值时、元件C₁、L₁和R_L的值C₁ ^*和L₁ ^*和R_L ^*;再计算L₂和C₂:采用数值分析方法,计算电抗元件jX值。本发明可简化E类PA的传统设计,并使得最优负载R_L取得最大值,从而有效地减小匹配网络的功耗,提高PA的整体效率。

Description

高效率E类功率放大器优化设计方法

技术领域

本技术属于基本电路设计领域，特别涉及功率放大器的电路结构设计。

背景技术

E类功率放大器(PA)电路组成如图1所示，包括：与输入信号vin相连的开关Sw(通常采用晶体管，用输入信号vin驱动晶体管的栅极实现开关功能)，与电源电压Vdd相连的电感L₁和L₂，电容C₁一端连接在电感L₁和L₂之间，另一端接地，电容C₂一端与L₂相连，另一端与电抗元件jX相连，负载R_L(为了使PA输出功率最大，R_L通常取最优值。如无特别指出，下文中的R_L均指最优负载)一端与电抗元件jX相连，另一端接地，从负载R_L两端获得输出电压Vo。

该电路工作原理说明如下：开关Sw按照输入信号vin的频率依次打开和关闭，L₂-C₂滤波器的谐振频率等于工作频率，在Q值很大的情况下，只能通过正弦电流至负载R_L，引入电抗元件jX是为了获得输出电压Vo(t)和开关电压Vs(t)之间的正确相移。C.Li and Y.Yam，在″Maximum frequency and optimum performance of classE power amplifiers，″(Proc.Inst.Elect.，Eng.，vol.141，no.3，June 1994)给出了E类PA的设计方法，包括以下步骤：

1.给定系统参数：输出功率P_out、电源电压V_dd、工作频率f和输出Q值Q_L $(=2\mathrm{\πf}*L_2/R_L);$

2.选取C₁为某一个值；

3.采用数值分析方法(如给定区间内的二分法或迭代法)，由公式(1)计算L₁： $P_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{dd}}[\frac{\mathrm{\βA}}{2\mathrm{\π}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}+\frac{\mathrm{\βB}}{2\mathrm{\π}}(1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}})+\frac{I_o\cos \mathrm{\φ}}{(1-{\mathrm{\β}}^2)\mathrm{\π}}+\frac{V_{\mathrm{dd}}\mathrm{\π}}{L_{1}4\mathrm{\ω}}-\frac{I_o}{2}\sin \mathrm{\φ}]----\left(1\right)$

其中： ${\mathrm{\ω}}_o=1/\sqrt{{L_1*C}_1}$

                      ω＝2πf

                      β＝ω/ω_o $\cot \mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π\ω}\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}+\mathrm{\ω}\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}}{\mathrm{\ω\β}(1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}+\left(\frac{\mathrm{\π}}{2\mathrm{\β}}\right)\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}})}-\frac{2}{\mathrm{\β}}\cot \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}-\frac{\mathrm{\β}(1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}})}{\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}}----\left(2\right)$ $I_o=\frac{V_{\mathrm{dd}}(1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}+\frac{\mathrm{\π}}{2\mathrm{\β}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}})(1-{\mathrm{\β}}^2)}{L_1{\mathrm{\ω}}_o\sin \mathrm{\φ}\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}}$ $A=\left(\frac{1}{1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}}\right)[(\frac{V_{\mathrm{dd}}}{L_1{\mathrm{\ω}}_o}-\frac{I_o\mathrm{\β}}{1-{\mathrm{\β}}^2}\cos \mathrm{\φ})\sin \frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}-\frac{2I_o}{1-{\mathrm{\β}}^2}\sin \mathrm{\φ}+\frac{V_{\mathrm{dd}}}{L_1}\left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}\right)]$ $B=\frac{V_{\mathrm{dd}}}{L_1{\mathrm{\ω}}_o}-\frac{I_o\mathrm{\β}}{1-{\mathrm{\β}}^2}\cos \mathrm{\φ}$

4.计算R_L： $R_L=\frac{2P_{\mathrm{out}}}{I_o^2};$

5.计算L₂和C₂： $L_2=\frac{{Q_L*R}_L}{2\mathrm{\πf}}$ $C_2={\left(\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2\frac{1}{L_2}$

6.采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值： $I_o{R}_L\sqrt{1+\frac{X^2}{R_L^2}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/\mathrm{\ω}}{v}_c\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}+{\tan }^{-1}\frac{X}{R_L})\mathrm{dt}----\left(4\right)$

其中， $v_c\left(t\right)=V_{\mathrm{dd}}-L_1[-A{\mathrm{\ω}}_0\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t+B{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{I_0\mathrm{\ω}}{1-{\mathrm{\β}}^2}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]----\left(5\right)$

7.若性能不满足给定参数(效率、最优负载R_L和开关峰值电流I_Tr.max等)的要求，则返回第(2)步骤重新选取C₁的值；

8.若性能满足给定参数的要求，则结束。

上述这种方法的缺点在于：

1.由于C₁值的选取具有一定任意性，不能保证第(5)步骤得到的性能满足要求，因此，实际设计过程往往需要反复尝试，才能使PA满足性能指标要求。设计过程较为繁复。

2.即使通过反复尝试得到了一个满足性能要求的方案，但是仍不能保证这个性能是所有方案中最优的。

3.PA通过天线将能量发射出去，天线可以视作阻抗固定为50欧姆的负载，而PA的最优负载R_L往往不等于(一般要小于)50欧姆，因此需要一个匹配网络将50欧姆变换到R_L，如图2所示(其中R_L是从PA输出端向右边看到的负载值)。T.Sowlati，C.Andre，T.Salama，J.Sitch，G.Rabjohn，and D.Smith，在″Lowvoltage，high efficiency GaAs class E power amplifier for wirelesstransmitters，″(IEEE J.Solid-State Circuits，vol.30，pp.1074-1080，October 1995)中指出，对于PA的芯片集成方案来讲，匹配网络的功率消耗已经成为PA整体效率下降的主要原因。匹配网络的功耗与R_L的数值有密切的关系，R_L越小，前者的功耗就越大；反之，亦然。无线技术发展的一个主流方向是低工作电压，但是在给定输出功率Pout的条件下，R_L将变小，从而导致匹配网络消耗更多的能量。上述设计方法选取的C₁具有任意性，很可能使得R_L值变得更小，进一步加剧了问题的严重性。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种高效率E类功率放大器优化设计方法，可简化E类PA的传统设计，并使得最优负载R_L取得最大值，从而有效地减小匹配网络的功耗，提高PA的整体效率。

本发明提出的一种高效率E类功率放大器优化设计方法，包括以下步骤：

1)给定系统参数：输出功率P_out、电源电压V_dd、工作频率f和输出Q值Q_L $(=2\mathrm{\πf}*L_2/R_L);$

2)计算元件C₁、L₁和R_L值，其中R_L ^*指R_L取得的最大值、C₁ ^*和L₁ ^*分别是R_L ^*时的

取值： $C_1^{*}={\mathrm{\α}}_1\frac{P_{\mathrm{out}}}{f\•V_{\mathrm{dd}}^2}----\left(6\right)$ $L_1^{*}={\mathrm{\α}}_2\frac{V_{\mathrm{dd}}^2}{f\•P_{\mathrm{out}}}----\left(7\right)$ $R_L^{*}={\mathrm{\α}}_3\frac{V_{\mathrm{dd}}^2}{P_{\mathrm{out}}}----\left(8\right)$

其中α₁～α₃是固定常数，在5位精度范围内，经过数值分析得到：α₁＝0.086028，α₂＝0.15849，α₃＝1.3633

3)计算L₂和C₂： $L_2=\frac{{Q_L*R}_L}{2\mathrm{\πf}}$ $C_2={\left(\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2\frac{1}{L_2}$

4)采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值： $I_o{R}_L\sqrt{1+\frac{X^2}{R_L^2}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/\mathrm{\ω}}{v}_c\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}+{\tan }^{-1}\frac{X}{R_L})\mathrm{dt}----\left(4\right)$ 其中， $v_c\left(t\right)=V_{\mathrm{dd}}-L_1[-A{\mathrm{\ω}}_0\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t+B{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{I_0\mathrm{\ω}}{1-{\mathrm{\β}}^2}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]----\left(5\right)$

本发明所述方法的原理叙述如下：

本发明所述方法不失一般性，任意给定一组数值：输出功率P_out、电源电压V_dd和工作频率f，得到R_L随L₁(C₁)变化的曲线，如图3所示，横坐标为L₁(nH)，纵坐标为R_L(欧姆)。从曲线可以看出，当L₁＝L₁ ^*(同时C₁＝C₁ ^*)时，R_L具有最大值R_L ^*。通过数值分析方法发现，在任何情形下，都满足如下规律： $L_1^{*}\∝V_{\mathrm{dd}}^2$ $L_1^{*}\∝\frac{1}{f}$ $L_1^{*}\∝\frac{1}{P_{\mathrm{out}}}$

V_cc、f和P_out是决定系统最优性能的的三个(充分)变量，即系统的最优性能仅与上面的三个变量有关，因此L₁ ^*应该具有如下的形式： $L_1^{*}=\mathrm{\α}\•\frac{V_{\mathrm{cc}}^2}{f\•P_{\mathrm{out}}}$

其中，α是一个固定常数。在6位精度范围内，得到的数值为α＝0.15849。C₁ ^*和R_L ^*的表达式同理可得。

本发明特点及良好效果：

与传统的E类PA的设计方法相比，本发明给出的设计方法不需要进行反复尝试和迭代，而直接由公式计算元件值，设计过程较为简单，并且能够保证最优性能，有效地减少匹配网络的功耗。以上述方法为指导设计的CMOS全芯片集成E类PA，测得的漏极效率达到23.3％，而2000年同类芯片采用传统设计方法的最好结果仅为16％(Y.J.E.Chen，M.Hamai，D.Heo，A.Sutono，S.Yoo，and J.Laskar，“RF Power AmplifierIntegration in CMOS Technology”，IEEE MTT-S Digest，pp.545-548，2000)。

附图说明

图1为E类PA电路结构示意图。

图2为E类PA通过匹配网络到天线示意图。

图3为本发明方法中最优负载R_L随电感L₁的变化曲线示意图。

具体实施方式

本发明的高效率E类功率放大器优化设计方法的实施例说明如下：

1)假定输出功率P_out＝150mW、电源电压V_dd＝1.5v、工作频率f＝2.4GHz、输出Q值

  ＝10

2)根据(公式6～8)算得：

    L₁＝9.91nH  C₁＝2.22pF    R_L＝20.45欧姆

3)L₂＝13.56nH，C₂＝0.324pF

4)X的理论计算较为复杂，在实际仿真过程中，可以采用另外一种方法：逐渐改变X值，直到各节点波形满足E类PA工作条件，此时确定X值。

Claims (1)

1、一种高效率E类功率放大器优化设计方法，包括以下步骤：

1)给定系统参数：输出功率P_out、电源电压V_dd、工作频率f和输出Q值Q_L $(=2\mathrm{\πf}*L_2/R_L);$

2)计算元件C₁、L₁和R_L值，其中R_L ^*指R_L取得的最大值、C₁ ^*和L₁ ^*分别是R_L ^*时的取值： $C_1^{*}={\mathrm{\α}}_1\frac{P_{\mathrm{out}}}{f\•V_{\mathrm{dd}}^2}----\left(6\right)$ $L_1^{*}={\mathrm{\α}}_2\frac{V_{\mathrm{dd}}^2}{f\•P_{\mathrm{out}}}----\left(7\right)$ $P_L^{*}={\mathrm{\α}}_3\frac{V_{\mathrm{dd}}^2}{P_{\mathrm{out}}}----\left(8\right)$

其中α₁～α₃是固定常数，在5位精度范围内，经过数值分析得到：α₁＝0.086028，α₂＝0.15849，α₃＝1.3633

3)计算L₂和C₂： $L_2=\frac{Q_L*R_L}{2\mathrm{\πf}}$ $C_2={\left(\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2\frac{1}{L_2}$

4)采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值： $I_O{R}_L\sqrt{1+\frac{X^2}{R_L^2}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/\mathrm{\ω}}{v}_c\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}+{\tan }^{-1}\frac{X}{R_L})\mathrm{dt}----\left(4\right)$ 其中， $v_c\left(t\right)=V_{\mathrm{dd}}-L_1[-A{\mathrm{\ω}}_0\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t+B{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{I_0\mathrm{\ω}}{1-{\mathrm{\β}}^2}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]----\left(5\right).$

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