一种2.65GHz高效电流模式D类功效放大器设计

引言

功率放大器(PA)的效率是整个无线通讯系统效率最重要的影响因素，传统的线性PA(包括A类，B类，AB类和C类)具有良好的线性度，但效率却非常低，造成了大量的能量损耗，这不仅增加了无线通讯系统的成本，并且给整个系统的散热带来了巨大的困难;而开关类功率放大器(SMPA)由于具有很高的效率，已经成为无线通讯行业的研究焦点。

在SMPA中，驱动电压幅度足够强(过驱动)，使得输出晶体管相当于受控的开关，在完全导通(晶体管工作于线性区)和完全截止(晶体管工作于截止区)之间瞬时切换，在理想情况下，开关上的电压和电流没有交叠，可以达到100%的效率[1]。然而在实际电路中，由于寄生阻抗和有限的开关速度，晶体管并不是一个理想的开关，SMPA的效率会随着频率的增加而快速地下降。D类PA作为最早被报道的SMPA已经广泛地应用于音频领域。传统的VMCD PA在每个信号周期内，晶体管漏极电容(Cds)的放电会造成了1/2CV2的能量损耗(V为晶体管导通瞬间时的初始漏极电压)[2-3]，频率越高，其造成的能量损耗越大，因此传统的VMCD PA在高频时无法实现较高的效率，其很少应用在射频领域。E类PA通过实现零电压开关很好地解决了这个问题，在开关导通的瞬间，晶体管上的电压为零从而避免了电容放电造成的能量损耗[4]。然而不确定的占空比、非线性的电容和其他的寄生阻抗都会降低E类PA的效率。

CMCD PA的出现提供了另一种实现零电压开关的方法，其漏极电压为半正弦波，在晶体管导通和关闭的瞬间，晶体管上的电压为零，避免了漏极电容放电造成的能量损耗。CMCD PA的出现使高频D类PA的实现成为可能，近些年许多高效率的射频CMCD PA被报道出来[5-8]，其中频率最高的达到了2.6GHz[7]。本文设计了一个工作在2.65GHz的高效CMCD PA，其EM仿真功率附加效率(PAE)达到了73%，输出功率在10W以上。

1 D类 PA基本原理

图1(a)所示是VMCD PA 的基本结构，两个晶体管偏置于近似B类的工作状态且输入信号相位相差为180°，因此两个晶体管各导通半个周期。晶体管输出端接一个串联的LC滤波器，其谐振频率为信号的中心频率。串联LC滤波器使得PA的输出电流为标准正弦波形，图1(b)所示是VMCD PA的理想电压电流波形，每个晶体管的漏极电流为半正弦波，漏极电压为方波，晶体管的漏极电流电压波形不存在交叠，其效率为100%。实际电路中，晶体管的输出电容Cds的放电会对漏电压产生影响，使其无法成为标准的方波。在每个信号周期内电容放电造成的能量损耗为1/2CV2，频率越高，能量损耗越高，因此VMCD PA在音频频段内较为流行，在射频领域则很难保证高效率。

图2(a)为CMCD PA的电路原理图，这里将串联LC滤波器换为并联LC滤波器，并联LC滤波器使得输出电压为标准的正弦波，图2(b)为晶体管理想的电流和电压波形，每个晶体管的漏极电压为半正弦波，漏极电流为方波，晶体管的漏极电流电压不存在交叠，其效率为100%。

相比VMCD PA，在开关导通和关闭的瞬间，CMCD PA晶体管两端电压为零，避免了漏极电容放电所造成的能量损耗，实现了零电压开关，同时晶体管的漏极寄生电容，也可看作是并联谐振器的一部分，从而减少了晶体管寄生电容对效率的影响。在高频率时，CMCD PA相比VMCD PA具有更高的效率，并且VMCD PA通常需要辅助器件或者抽头式变压器才能正常工作，而CMCD PA可以通过巴伦结构实现。CMCD PA的出现使高频D类PA的实现成为可能。

通过上述分析，我们发现CMCD PA晶体管的漏极电流电压波形与F-1类PA一致，因此我们也可以将CMCD PA看作两个push-pull结构的F-1类PA[8]。F-1类PA使用输出滤波器对晶体管漏端电压和电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压波形或者电流波形，使得它们没有重叠区，减小开关损耗，提高PA的效率[1]。理想状态下，F-1类PA晶体管漏极电压波中只含基波分量和偶次谐波分量，电流波只含基波分量和奇次谐波分量，漏极谐波输出阻抗需要满足如下关系式：

其中，Z1为输出电路基频阻抗，Zn为输出电路n次谐波阻抗，Zopt为基频最佳输出阻抗。在设计CMCD PA时我们可以借鉴F-1类PA的设计方法，通过谐波匹配电路实现上述输出阻抗，从而调节晶体管的漏极电压和电流波形，提高CMCD PA的效率。

2 CMCD PA电路设计与仿真

针对上述理论分析，我们采用Cree公司的GaN HEMT晶体管CGH40006P设计了一种新型高效CMCD PA。GaN HEMT晶体管因为具有高电子迁移率、高功率密度、高击穿电压等特性，已经被广泛应用在高效率、高功率射频PA中。

CMCD PA 需要在输入端和输出端实现平衡和非平衡信号的转换，因此需要选