High-efficiency class E power amplifier using SI-GE HBT technology

J.A. Tirado-Méndez & H. Jardón-Aguilar

Centre of Research and Advanced Studies - National Polytechnic Institute;Telecommunications Section Av. IPN, No. 2508, Col Sn. Pedro Zacatenco, México D.F., México.

Received: January 29^th 2002.
Accepted: October 3^th 2002.

Abstract

One of the most important goals of RF circuit designers is improving efficiency and autonomy in handsets for personal communications. Currently, low-level voltage supplies are used to avoid big weight and volume. Besides, autonomy and efficiency are closely linked to the energy consumed by the circuits. Power Amplifier (PA) is one of the circuits, which spends more energy from the battery. Improving the PA efficiency, handset performance is also improved. Previous publications have mentioned the difference of power amplifiers where the circuit output works as I) a current source or II) as a switch. The class E power amplifiers are devices whose output works as a switch achieving great performance and high power efficiency, reaching, in an ideal case, 100 % of efficiency. In this paper, a low-level voltage class E power amplifier is analyzed, designed, simulated, built and characterized, using a silicio-Germains HBT transistor as an active element. The circuit was optimized using a harmonic balanced simulator (Microwave Office ® [1]). 70°% power efficiency was measured after an optimizing procedure, although better performance can be expected with an improved switching transistor and more precisely lumped elements. The prototype was designed to operate at 900 MHz and fed with 2.4 V, but it is well known that low-level polarization voltages affect efficiency, linearity, power gain, bandwidth, noise figure, as well as cost in RF circuits. However the class E PA reported in this paper reaches high efficiency, high power gain as well as a good bandwidth, with low-level polarization voltage.

Keywords: High-Efficiency, Class E Power Amplifier, Low-level voltage.

Resumen

Una de las principales metas de los diseñadores de circuitos de RF es llevar a cabo equipos personales de comunicación de mayor eficiencia y autonomía. Actualmente se utilizan fuentes de alimentación de bajos niveles con el fin de evitar peso y volumen excesivo en los sistemas personales. Además, la autonomía y la eficiencia están íntimamente ligadas a la energía usada por los circuitos. El amplificador de potencia es uno de los dispositivos que extrae más energía de la batería, por lo cual, incrementando la eficiencia del amplificador, se mejora el desempeño del equipo personal. En publicaciones anteriores se ha señalado la diferencia de los amplificadores de potencia donde la etapa de salida de éste trabaja como I) fuente de corriente o como II) interruptor. Un amplificador de potencia clase E es un circuito cuya salida trabaja como un interruptor, obteniendo un gran desempeño y poseyendo una gran eficiencia en potencia, alcanzando, en un caso ideal, el 100%. En este artículo se analiza, diseña, simula, construye, y se caracteriza un amplificador de potencia clase E, usando un transistor HBT de Silicio-Germanio como elemento activo. El circuito se optimizó mediante un simulador de balance armónico (Microwave Office ® [1]). Se obtuvo una eficiencia medida del 70%, después de un proceso de optimización, sin embargo, se puede esperar un mejor desempeño si se utiliza un transistor con mejores características y elementos discretos de mayor precisión. El circuito fue diseñado a una frecuencia de operación de 900 MHz y polarizado con 2.4 V. Sin embargo, es bien sabido que bajos voltajes de polarización conllevan a una degradación de la eficiencia, la linealidad, la ganancia en potencia, el ancho de banda, la figura de ruido, así como el costo. El amplificador de potencia clase E reportado en este artículo posee una alta eficiencia, ganancia en potencia, así como un amplio ancho de banda con bajo nivel de polarización de voltaje.

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References

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