CN1385957A - 高效率e类功率放大器优化设计方法 - Google Patents
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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***参数:输出功率Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL(=2πf*/RL);计算当RL *为RL最大值时、元件C1、L1和RL的值C1 *和L1 *和RL *;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RL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
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RL(为了使PA输出功率最大,RL通常取最优值。如无特别指出,下文中的RL均指最优负载)一端与电抗元件jX相连,另一端接地,从负载RL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***参数:输出功率Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL
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:
其中:
ω=2πf
β=ω/ωo
4.计算RL:
5.计算L2和C2:
6.采用数值分析方法,由公式(4)计算电抗元件jX值:
其中,
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。
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RL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***参数:输出功率Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL
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:
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:
4)采用数值分析方法,由公式(4)计算电抗元件jX值: 其中,
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:
Vcc、f和Pout是决定***最优性能的的三个(充分)变量,即***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:
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)。
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RL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Pout=150mW、电源电压Vdd=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 RL=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***参数:输出功率Pout、电源电压Vdd、工作频率f和输出Q值QL
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:
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:
4)采用数值分析方法,由公式(4)计算电抗元件jX值: 其中,
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CN 02123426 CN1385957A (zh) | 2002-06-28 | 2002-06-28 | 高效率e类功率放大器优化设计方法 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101404478B (zh) * | 2008-10-30 | 2011-05-04 | 华为技术有限公司 | 提高e类功率放大器效率的方法及装置 |
CN104756391A (zh) * | 2012-11-02 | 2015-07-01 | 丹麦科技大学 | 自激振荡谐振电力转换器 |
CN104868611A (zh) * | 2015-05-25 | 2015-08-26 | 华南理工大学 | 一种基于双e类功放的谐振式无线电能传输*** |
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2002
- 2002-06-28 CN CN 02123426 patent/CN1385957A/zh active Pending
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