在工業、科學和醫療(ISM) 300MHz至450MHz波段的短程無線通訊系統中，低成本的ASK和/或FSK發送器和收發器是其核心器件。這些短程通信器件(SRD)的典型應用包括無線遙控門禁系統(RKE)、胎壓檢測(TPM)、遙控和安全系統。

系統設計需要考慮射頻鏈路的預算、天線設計、電池壽命及射頻調整電路等諸多因素，另外，還會涉及到輸出功率與發送器電流消耗的折中。Maxim低成本的收發芯片(如：MAX1472、MAX7044、MAX1479和MAX7030/MAX7031/MAX7032)集成了獨特的功率放大器(PA)，允許用戶在保證高效率的同時，合理控制RF輸出功率和發送器電流損耗，這種折中控制是提高電池壽命的關鍵，符合現今創新節能產品的嚴格要求。Maxim器件在進行上述折中選擇時不需要修改電路，可以較為容易地設計ResourceSmart™方案。通過簡單地改變功率放大器的負載阻抗，可以改變其輸出功率和電流損耗。

本應用筆記簡單介紹了功率放大器的理論，并給出了Maxim LFRF發送器和收發器內部使用的PA的仿真結果。

功率放大器綜述

A類、B類和C類功率放大器

A類功率放大器的信號有一個偏置點，當輸入信號幅度改變時，器件消耗的平均電流并不改變。圖1中，M1可以看作是幅度為IDC的電流源。

圖1. A類功率放大器的原理圖

放大器最大輸出功率對應的輸出阻抗為：

RLOPT = VDD/IDC (式1)

最大輸出功率定義為：

POUTMAX = _ × VDD × IDC (式2)

因此，A類功率放大器的效率最大值為50%1。假設，在保證偏置電流為IDC的同時，M1漏極電壓擺幅最低可以到地電位。工作在線性電阻區會使A類CMOS功率放大器的實際效率降低到40%以下。這意味著工作電壓確定后，為了保持高效，A類功率放大器的偏置電流必須隨著輸出功率的改變而改變。由于A類功率放大器的偏置點不隨輸入信號的改變而改變，所以在注重增益的線性度的應用中，此類功率放大器是最佳結構。

B類和C類功率放大器與A類相比，可以實現更高效率，但通常輸出功率較低，并且有較大失真。

A類、B類和C類CMOS功率放大器的共同特點是有源器件被視作電壓控制電流源，并且不希望其工作在線性電阻區。

D類、E類和F類功率放大器

與A類、B類和C類功率放大器相反，D類、E類和F類CMOS功率放大器通過工作在線性電阻區來優化效率和輸出功率。這些功率放大器通常被稱作“開關模式”功率放大器。因為這些功率放大器可以在低工作電壓下實現高效率，所以被廣泛用于ISM頻段的收發裝置。圖2所示，在開關模式的功率放大器中，輸出級電路由大信號方波驅動。

圖2. 開關模式功率放大器的原理圖

可以把輸出級晶體管看作一個按照設定頻率、占空比進行開關操作的電阻。從圖2還可以看出，輸出級晶體管的電流含有豐富的諧波成分。這些諧波成分取決于驅動信號的占空比和幅度、場效應管的導通電阻和功率放大器的負載電阻。在D類功率放大器中，通過改變輸入信號的占空比改變輸出功率，即脈寬調制(PWM)模式。D類功率放大器通常用于輸出功率連續變化的音頻系統。

對于E類功率放大器，輸入信號的占空比恒定不變。匹配網絡用于最小化輸出級開關導通時的漏極電壓。通過最小化輸出級開關的導通壓降，可以降低開關管的功耗，提高PA的整體效率。

F類功率放大器與E類功率放大器相似，但設計匹配網絡時要特別注意諧波阻抗，以實現最高效率。因為要考慮諧波電阻，F類功率放大器匹配網絡設計一般更復雜。

開關模式功率放大器

所有Maxim的CMOS ISM頻段收發器都提供漏極開路的功放輸出。在整個300MHz至450MHz頻段內，驅動信號的占空比固定在25%。用戶根據所要求的輸出功率、電流損耗和諧波參數來設計匹配網絡。通過只對特定的無線應用提供必要的輸出功率，極大地降低了功耗。

圖3是開關模式功率放大器輸出級的簡化模型。

圖3. 開關模式功率放大器的簡化模型

圖中，RSW是FET的導通電阻，CPA是等效的器件寄生電容總和，CPKG是封裝電容，CBOARD是板上電容。表1列出了Maxim ISM頻段主要收發器件的開關電阻和電容值。

表1. 開關電阻和電容值