專欄文章

功率放大器通常是無線通訊前端系統中最耗電的元件。近年來有許多毫米波CMOS高效率功率放大器使用了class-F技術的論文發表。本文將回顧class-F的技術並討論文獻上所發表的毫米波高效率諧波調和(harmonic tuned) CMOS功率放大器。

在討論F類(class-F)放大器技術前，我們先回顧在放大器的設計中，依據其偏壓狀態可分為A類(class-A)、AB類(class-AB)、B類(class-B)和C類(class-C)放大器，主要是以在一個週期內(360°)汲極電流在輸出電路流動的時間。如圖一所示，Class-A為整個週期都有汲極電流，定義其導通角(conduction angle)為360°；class-B只有半個週期有汲極電流，其導通角為180°。class-C導通角介於0°到180°。而class-AB的導通角介於180°與360°間。

圖一、(a) class-A，(b) class-B，與(c) class-C放大器

在理想的狀態下分析[1]，我們可以發現雖然直流成分會隨著導通角變小而減少，但是一倍頻成分在導通角為π ~2π這個範圍時並不會隨著導通角變小而減少。此外，當導通角為2π時，電流只有直流以及一倍頻的成分，但當導通角變小後，其他倍頻的成分會逐漸增加，因此會直接影響功率放大器的線性度(Linearity)，由此現象可以知道class-A功率放大器是比較線性的操作，但其效率較低。降低導通角有助於提升效率，但放大器的線性度較差。

Class-F放大器的理想之汲極電壓和電流波型如圖二所示。由圖二可以發現，電流為半弦波，而電壓為方波，彼此之間沒有重疊，代表電晶體不消耗功率，因此從波型的分析上，class-F放大器可以達到100%的效率。要達到這樣的波形第一步是使用class-B的偏壓，其導通角為180°。理想上只有在輸入訊號為正的時候才有輸出電流；而輸入訊號為負的時候，電流為零，因而如圖一(b)所示半弦波的輸出電流。電壓的波形則是使用波形整形(wave shaping)的技術，利用諧波控制輸出匹配網路(harmonic-controlled output matching network)來達成。其輸出匹配網路除了在一倍頻要看到最佳阻抗外，在偶倍頻(even order harmonic)要看到短路(short circuit)，而在奇倍頻(odd order harmonic)要看到開路open circuit)。

圖二、理想class-F放大器之汲極電壓和電流波形

我們可以將電壓的方波以及電流的半弦波分別利用傅立葉級數表示為

根據(1a)與(1b)，其直流功率與一倍頻訊號功率分別可表示為

所以可以得到class-F放大器的理想汲極效率(drain efficiency)為100%。

雖然class-F放大器擁有100%的理想效率，不過電路實現上要達到控制所有諧波的阻抗是很困難的，而且較高次諧波的影響也較小。因此大多數電路諧波控制通常只做到二倍頻與三倍頻的阻抗控制。

參考文獻

[1]   Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Norwood, MA, USA: Artech House, 2006.

[2]   W. Chen, K. Rawat, and F. M. Ghannouchi, Multiband RF Circuits and Techniques for Wireless Transmitters. Berlin: Springer-Verlag, 2016.

[3]   S. N. Ali, P. Agarwal, S. Gopal, S. Mirabbasi and D. Heo, "A 25–35 GHz Neutralized Continuous Class-F CMOS Power Amplifier for 5G Mobile Communications Achieving 26% Modulation PAE at 1.5 Gb/s and 46.4% Peak PAE," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 66, no. 2, pp. 834-847, Feb. 2019.

[4]   Z.-J. Huang, B.-W. Huang, K.-Y. Kao, and K.-Y. Lin, “A high-gain continuous class-F power amplifier in 90-nm CMOS for 5G communication,” in 2019 Asia-Pacific Microwave Conference Technical Digest, Dec. 2019.