专利名称：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。
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RL，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Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL(=2πf*L2/RL);]]>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L1Pout=Vdd[βA2πsinπβ+βB2π(1-cosπβ)+Iocosφ(1-β2)π+VddπL14ω-Io2sinφ]----(1)]]>其中ωo=1/L1*C1]]>ω＝2πfβ＝ω/ωocotφ=πωcosπβ+ωsinπβωβ(1-cosπβ+(π2β)sinπβ)-2βcotπβ-β(1-cosπβ)sinπβ----(2)]]>Io=Vdd(1-cosπβ+π2βsinπβ)(1-β2)L1ωosinφsinπβ]]>A=(11-cosπβ)[(VddL1ωo-Ioβ1-β2cosφ)sinπβ-2Io1-β2sinφ+VddL1(πω)]]]>B=VddL1ωo-Ioβ1-β2cosφ]]>4.计算RLRL=2PoutIo2;]]>5.计算L2和C2L2=QL*RL2πf]]>C2=(12πf)21L2]]>6.采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值IoRL1+X2RL2=ωπ∫0π/ωvc(t)sin(ωt+φ+tan-1XRL)dt----(4)]]>其中，vc(t)=Vdd-L1[-Aω0sinω0t+Bω0cosω0t+I0ω1-β2cos(ωt+φ)]----(5)]]>7.若性能不满足给定参数(效率、最优负载RL和开关峰值电流ITr.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RL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RL，如图2所示(其中RL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RL的数值有密切的关系，RL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，RL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RL值变得更小，进一步加剧了问题的严重性。
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Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL(=2πf*L2/RL);]]>2)计算元件C1、L1和RL值，其中RL*指RL取得的最大值、C1*和L1*分别是RL*时的取值C1*=α1Poutf•Vdd2----(6)]]>L1*=α2Vdd2f•Pout----(7)]]>RL*=α3Vdd2Pout----(8)]]>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＝1.36333)计算L2和C2L2=QL*RL2πf]]>C2=(12πf)21L2]]>4)采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值IoRL1+X2RL2=ωπ∫0π/ωvc(t)sin(ωt+φ+tan-1XRL)dt----(4)]]>其中，vc(t)=Vdd-L1[-Aω0sinω0t+Bω0cosω0t+I0ω1-β2cos(ωt+φ)]----(5)]]>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Pout、电源电压Vdd和工作频率f，得到RL随L1(C1)变化的曲线，如图3所示，横坐标为L1(nH)，纵坐标为RL(欧姆)。从曲线可以看出，当L1＝L1*(同时C1＝C1*)时，RL具有最大值RL*。通过数值分析方法发现，在任何情形下，都满足如下规律L1*∝Vdd2]]>L1*∝1f]]>L1*∝1Pout]]>Vcc、f和Pout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L1*=α•Vcc2f•Pout]]>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RL*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)。
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RL随电感L1的变化曲线示意图。
1)假定输出功率Pout＝150mW、电源电压Vdd＝1.5v、工作频率f＝2.4GHz、输出Q值＝102)根据(公式6～8)算得L1＝9.91nH C1＝2.22pFRL＝20.45欧姆3)L2＝13.56nH，C2＝0.324pF4)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。
权利要求
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Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL(=2πf*L2/RL);]]>2)计算元件C1、L1和RL值，其中RL*指RL取得的最大值、C1*和L1*分别是RL*时的取值C1*=α1Poutf•Vdd2----(6)]]>L1*=α2Vdd2f•Pout----(7)]]>PL*=α3Vdd2Pout----(8)]]>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＝1.36333)计算L2和C2L2=QL*RL2πf]]>C2=(12πf)21L2]]>4)采用数值分析方法，由公式(4)计算电抗元件jX值IORL1+X2RL2=ωπ∫0π/ωvc(t)sin(ωt+φ+tan-1XRL)dt----(4)]]>其中，vc(t)=Vdd-L1[-Aω0sinω0t+Bω0cosω0t+I0ω1-β2cos(ωt+φ)]----(5).]]>
全文摘要
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
文档编号H03F3/20GK1385957SQ0212342
公开日2002年12月18日 申请日期2002年6月28日 优先权日2002年6月28日
发明者李永明, 胡海星 申请人:清华大学