开关模式GaAs功率放大器在WLAN设计中大放异彩

图1：D类放大器的电压配置。

高速/高频混合信号半导体工艺技术的最新发展促成了完全集成的无线LAN(WLAN)发射器的问世，尤其是采用计算发生调制技术的发射器。全集成发射器与计算发生调制技术的结合又推动了高效率开关模式功率放大器在先进调制方案中的应用，这种应用在以前认为是不适宜的。这一发展为"用非线性器件实现线性放大(LINC)"功率放大器架构提供了一显身手的舞台，该架构能够在高数据速率的WLAN应用中实现最高的效率、输出功率和性能。

基于LINC的功率放大器架构将开关模式功率放大器与附加计算引擎的使用结合起来，以放大具有相位调制和幅度调制的信号，如正交幅度调制(QAM)和多载波正交频分多路复用技术(OFDM)。多载波调制方案(如OFDM)对收发器的模拟RF部分有严格的线性要求。对收发器中的功率放大器而言，由于相应的高输出功率水平要求，这一严格的线性度要求就显得更加苛刻。混合信号IC出现以后，便可在基于附加的计算引擎，将集成线性化技术用于功率放大器。

图2：D类放大器的电压及电流波形。

上面所提到的是将RF与计算电路集成在单个CMOS(或Bi-CMOS)芯片中。与之不同，基于外部砷化镓(GaAs)的功率放大器具有一些显著的优点。本文将探讨独立GaAs功率放大器相对于集成硅方案的好处，之后将介绍三类GaAs开关模式放大器，通过功率放大器的配套CMOS(或Bi-CMOS)收发器芯片中适当的LINC计算电路，它们可与先进的调制方案(如多载波调制)配合使用。本文还提供了工作于5GHz的F类开关模式功率放大器的性能仿真。

GaAs功率放大器优点分析

尽管硅CMOS功率放大器对全集成发射器似乎很有吸引力，但外部GaAs功率放大器除具有衬底隔离之外，还提供其它一些显著优点。

GaAs放大器最大的优点是具有更高的载波移动性，因而可获得比硅更高的ft和fmax ，并允许在任何特定频率上使用具有更高击穿电压、外形更大的器件。这进而又允许在任何给定的输出功率下使用更高的偏置电压及相应更低的电流。低电流可减少源极和漏极寄生电容，这类寄生电容限定了高工作频率，为开关模式放大器带来了很大问题。

图3：E类放大器的电压配置。

GaAs的跨导gm也比硅CMOS要高得多。跨导越大，放大器每阶获得的增益就越大。这样，对于任何特定的增益要求就可使用更少的阶数，从而减小裸片面积并降低系统整体成本。

与硅CMOS器件相比，GaAs pHEMT器件的输入阻抗匹配要更容易，因此可降低多余的不匹配功率损耗，减小无源匹配电路所需的裸片面积，并进一步降低整体成本。

GaAs工艺所用的金属层(金)比硅CMOS所用的金属层(铝和铜)具有更低的阻抗。因此，无源匹配电路中的螺旋形电感和MIM电容可提供更高的Qs和更低的损耗。与硅相比，这种GaAs半绝缘衬底也是这种电感及MIM电容具有更高Qs和更低损耗的一个原因。

最后，这种半绝缘衬底还可减小晶体管的源极和漏极寄生电容，从而使GaAs器件在给定的频率下具有较硅CMOS更高的效率。

图4：E类放大器的电压及电流波形。

综合上述优点，可以清楚地看出GaAs工艺在微波功率放大器的应用中具有很大的优势。除了独立的线性放大器外，GaAs在开关模式功率放大器的应用中也体现出强大的优势。由于在配套的CMOS(或BiCMOS)收发器芯片中使用了适当的LINC计算引擎，这些开关模式功率放大器对高速数据速率应用中的高级调制方案而言很有吸引力。

开关模式功率放大器

在WLAN设计中，有六类GaAs功率放大器：A类、B类、A/B类、D类、E类 及F类。开关模式D、E和F类放大器比其同类线性A、B或A/B类放大器具有更高的效率，但输出阻抗很低或是时变的。这时，如果输出端子上有压降，则可通过限制(或不允许)电流通过有源器件来获得高效率。如果有电流流过该器件，则可通过限制(或不允许)其输出端子上的电压来提高效率。

再来仔细看看D、E和F类放大器。图1所示为一个D类放大器的变压器耦合电压开关配置，其电压及电流波形如图2所示。

在图1和图2中，输入信号Vin及其互补使两个晶体管交替开和关。下面的晶体管处于"开"状态的半个周期内，其漏电压为零。这时，变压器初级线圈下半部分产生电压Vcc，该电压根据匝数比(n/m)在次线圈上变换为电压(n/m)Vcc。因此，上面的晶体管的漏极电压为+2Vcc。

图5：F类放大器的电压配置。

在上面的晶体管处于"开"状态的半个周期内，变压器初级线圈上半部分产生电压Vcc，根据匝数比，该电压在次线圈上变换为-(n/m)Vcc。因此，下面的晶体管的漏极电压为+2Vcc。

次级电压是一个方波，其基频通过输出共振器，产生一个正弦输出电流。在输出线圈上，两个