高效率、低成本ISM频段发送器中的功放

阻为RL，输出电压可低至0.1V，功率放大器的效率表示为：

　　如果电源电压VDD = 3V，开关导通电阻Rsw = 22Ω，负载电阻RL = 400Ω，功率放大器的效率为80%，输出功率为10.2dBm。当然，电压波形、开关导通电阻和负载电阻都是相关的，上式并不能精确计算效率。可利用SPICE建立开关模式功率放大器的理想模型，阻值为11Ω或22Ω的理想电阻与Q值为10的并联谐振腔连接。图5是仿真原理图，图6为仿真结果。

图5. 仿真原理图


图6. 输出功率随负载电变化的仿真结果

　　图6所示，开关模式的功率放大器最显著的优势之一就是在保证卓越的直流－射频转换效率的同时，通过改变负载电阻，可以在宽范围内改变输出功率。另外，具有较小开关导通电阻的开关模式功率放大器其输出的功率较大，效率较高。较低开关导通电阻的功率放大器的缺点是，需要更大的电流对开关器件的寄生电容进行充放电。

　　如上所述，为了提高效率，开关放大器的导通必须最小电压附近打开。在一个开关电阻驱动的简单并联谐振电路中，要实现最大效率，就要使功率放大器在工作频率下的视在负载的虚部最小(包括元件的寄生电容、封装和印刷电路板上的寄生电容)。如果网络失谐，功率放大器的效率将显著下降。图7说明Q=10和Q=5时，匹配网络失谐后的结果。


图7. 开关模式功率放大器效率和失谐关系

　　如图7所示，漏极电流的最小值发生在谐振频率点。这一事实可以用于验证现有匹配网络是否已针对特定工作频率实现了最优化。同时要注意的是，SPICE仿真时假设：开关电阻的打开和闭合都是瞬间完成的；在开关打开和闭合的过程中，开关的寄生电容并不随之改变；谐振电感和电容没有寄生阻抗。这些方面的影响使实际的开关模式功率放大器的性能低于理想情况下的水平。在特殊的应用中，通常采用迭代的方法实现匹配网络的最优化。

结论

综上所述，Maxim在ISM频段的开关模式功率放大器的重要特点是：

开关功率放大器通过工作在线性电阻区实现低工作电压下效率和输出功率间的优化。这一点不同于A类、B类和C类功率放大器。 所有Maxim的CMOS ISM频段开关模式功率放大器都提供漏极开路输出。用户根据所需输出功率、电流损耗和谐波参数来设计匹配网络。这种灵活性使用户在保证高效率的同时,可以调节射频功率和电流损耗。 为了最大化开关模式功率放大器的效率，开关必须在漏极电压最低时打开，要实现最大效率，就要使开关模式功率放大器在工作频率下所呈现的负载的虚部最小 (包括元件的寄生电容、封装和板上寄生电容)。 与功率放大器的负载相关，漏极电流的最小值会出现在谐振频率处。这一事实可以用于验证现有匹配网络是否已针对特定工作频率和负载实现了最优化。

参考文献
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