呂 杰，劉林海，李 哲，曹 純

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著無線技術的快速發(fā)展，單芯片CMOS收發(fā)機已經(jīng)商用化了。在硅CMOS、GaAs、異質(zhì)結(jié)和SiGe等眾多工藝中，雖然CMOS的高頻性能和噪聲性能不是最好，但是由于它的工藝最為成熟、成本最低和功耗最小，并且隨著集成電路工藝水平的提供，其特征尺寸不斷減小，深亞微米CMOS工藝的特征頻率已經(jīng)達到 50 GHz以上［1］。

由于摩爾定律，隨著工藝的不斷進步，線寬進一步減小，晶體管能夠工作的截止頻率不斷提高，因此CMOS射頻功率放大器越來越多地采用CMOS工藝實現(xiàn)［2］。深亞微米工藝中低的擊穿電壓是設計中需要考慮的一個重要因素。低的擊穿電壓限制了柵漏電壓，從而使得晶體管的供電電壓受限，因此限制了功率放大器的輸出功率［3］。提高功率放大器的線性度以及功率附加效率成為功率放大器的關鍵技術，也是功率放大器研究重點和熱點。

當今世界商用的射頻設計技術，尤其是CMOS功率放大器核心設計技術一直掌控在國外為數(shù)不多的大公司手中，這嚴重限制了我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文基于RF CMOS工藝進行功率放大器的設計，采用雙反饋結(jié)構實現(xiàn)高功率輸出和高的功率附加效率，可以將射頻及基帶芯片單片集成在一顆芯片中，有助于實現(xiàn)射頻基帶芯片的一體化設計，降低設計及封裝成本。因此基于CMOS工藝的射頻功率放大器研究對于打破國外技術壟斷、降低芯片成本具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義［4］。

1 結(jié)構分析

功率放大器按照工作狀態(tài)可分為線性和非線性2類，其中線性功率放大器主要有:A、B、AB和C四種類型，它們的主要差別是柵極偏置條件不同，這類放大器有相對不錯的線性度，效率也可以達到較好的水平［5］。非線性功率放大器主要有D、E和F三類，這類放大器的輸出功率比較高，但是線性度相對較差。B類放大器的效率明顯高于A類放大器，實際中它的典型效率一般為60%。對于 AB類功率放大器，晶體管在大半個周期內(nèi)處于導通狀態(tài)，其導通角在180°～360°。當驅(qū)動電壓幅度減小時，晶體管導通角增加，使得輸出電流的直流成分、基頻成分都會減小，在負載阻抗保持不變時，輸出電壓的幅度也會成比例減小，導致輸出功率下降［6］。概括地說，AB類功率放大器的線性度要比A類差，但是比B類要好，而效率比A類好，但比B類差。由于它兼顧了線性度和效率，所以在實踐中得到廣泛應用［7］。

本文是基于SMIC 0.18 μm RF CMOS工藝設計一款高線性度和高功率的功率放大器，隨著CMOS工藝的發(fā)展，其供電電壓逐漸降低，這就對高功率功率放大器的設計提出了一定的要求，在SMIC 0.18 μm RF CMOS工藝中，最高供電電壓為3．3 V，在負載阻抗為50 Ω時其最大輸出功率僅為

此時輸出功率約為0.108 9 W(約20 dBm)，距離目標設計的23 dBm(約為0.199 mW)的最大輸出功率尚有一定的差距，此時電源電壓已經(jīng)是該工藝提供的最大工作電壓，因此必須進行阻抗變換，變換后的電阻最大值為:

在實際電路中，由于存在一些不可避免的功耗損失，如晶體管上的電壓降以及互連線上的損耗。因此，在實際設計中可以根據(jù)仿真情況看該輸出阻抗是否滿足設計要求。當輸出功率小于所希望的值時，那么變換后的電阻還需要更?。?］。若輸出功率超過了應滿足的值，那么變換后的電阻可以加大以提高效率。對于CMOS PA的設計，效率和線性度是2個非常關鍵的指標。根據(jù)以上分析，本文功率放大器采用2級放大，AB類工作:驅(qū)動級采用自偏置的共源共柵結(jié)構，不僅可以提高增益，增加反向隔離，而且能有效緩解柵氧擊穿和熱載流子效應帶來的可靠性問題;功率級利用厚柵器件，從而可以在更高的電壓下工作以提高輸出功率［9］。

2 電路設計

根據(jù)PA的指標要求，綜合考慮到效率和線性度，本文提出一種雙負反饋結(jié)構的AB類的PA，如圖1所示。

圖1 雙負反饋CMOS功率放大器

射頻放大器包括2級:驅(qū)動級和功率輸出級，級聯(lián)后增益可以大于23 dB。AB類的結(jié)構，使得功率附加效率可以在35%以上。工作在2.4 GHz頻段上，分別在PA的輸入、2級之間、PA的輸出設計匹配網(wǎng)絡，容易實現(xiàn)3 dB帶寬不低于200 MHz，其中輸出匹配網(wǎng)絡將50 Ω的天線阻抗變換到一個更小的阻抗，便于輸出大的功率;驅(qū)動級和功率輸出級之間的阻抗變換網(wǎng)絡將功率輸出級的輸入阻抗變換到更大的阻抗，使驅(qū)動級得到一個高的增益;輸入匹配網(wǎng)絡將驅(qū)動級的輸入阻抗匹配到50 Ω，減小輸入反射系數(shù)。

其中，M4采用厚柵MOS管設計，用于輸出大功率;M1～M3采用薄柵MOS管設計。一條反饋路徑在第1級的輸入和第2級的輸入之間，由一個可變電容CA和電容C1構成，這個反饋路徑抑制二次諧波，進而提高PA的線性度;另一條反饋路徑由電容C2和C3構成，將共柵極放大管M2和M4的柵極相連。這樣一來，耦合到M4柵極的信號經(jīng)180°相移后反饋到M2的柵極，這個信號和M2管源極和漏極的信號變換在相位上一致，使得M2和M4這2個共柵管的柵源、柵漏電壓的變化減小，進而減小非線性。因此，可以實現(xiàn)輸出1 dB壓縮點不小于23 dBm。M1～M4均采用多個管子并聯(lián)構成，通過開關進行切換。通過SPI總線來控制M1～M4，每個開關由一個主開關管和一個輔助管構成，確保能有效地打開和關斷:主開關管控制柵極偏壓和柵極直接的通斷，輔助管在柵極關斷時將柵極接到地，以確保完全關斷。這樣一來，就能實現(xiàn)在SPI接口的3 bit控制下，功率調(diào)整范圍18～23 dBm。

功率放大器版圖如圖 2所示，采用 SMIC 0.18 μm RF CMOS工藝，占用芯片面積0.9 mm×0.9 mm，其中左半部分為偏置電路，右半部分為功率放大器核心電路，芯片外圍由P襯底和N襯底構成的保護環(huán)環(huán)繞，用來減小功率放大器與其他模塊間的干擾。

圖2 功率放大器版圖

3 仿真結(jié)果

功率放大器功率增益隨輸出功率變化曲線如圖3所示，由圖3可以看出，在不同工藝角下，功率放大器的功率增益均大于24 dB，功率增益壓縮點均大于23 dBm。

圖3 功率放大器功率增益隨輸出功率變化曲線

功率放大器另一個重要指標是對功率附加效率(PAE)的要求，功率放大器PAE后仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，在不同工藝角下，功率放大器的峰值附加效率均大于40%。在工藝角為ff，環(huán)境溫度為－45°時，功率放大器的峰值附加效率甚至達45%。

在輸入功率設定為0 dBm的條件下，在輸入信號頻率為1.8～3.2 G，不同輸入頻率下功率放大器的功率增益曲線如圖5所示，在后仿真環(huán)境下，由于寄生參數(shù)的影響，放大器的頻帶明顯變窄，其帶寬由前仿真的500 MHz減小到400 MHz，這個主要是由于高頻下寄生電容等參數(shù)等影響，使得其帶寬減小，該指標依然滿足系統(tǒng)對帶寬的要求。

圖4 附加效率(PAE)隨輸入功率變化曲線

圖5 功率放大器功率增益隨頻率變化曲線

功率放大器輸入端口設計為50 Ω輸入阻抗，對功率放大器作S參數(shù)掃描，得到其輸入反射系數(shù)S11，用來衡量其輸入阻抗匹配特性，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸入反射系數(shù)隨頻率變化曲線

其中實線為前仿真結(jié)果，虛線為后仿真結(jié)果，與增益特性曲線相類似，后仿真結(jié)果與前仿真結(jié)果相比帶寬明顯變窄，但是在要求的2.0～3.0 GHz，S11＜－15 dB，能夠滿足設計要求。

4 結(jié)束語

基于2.4 GHz無線接入方式的應用，采用SMIC 0.18 μm RF CMOS工藝，實現(xiàn)了2級功率放大器從結(jié)構選擇、電路、版圖及后仿真等方面的研究和設計。結(jié)果表明，功率放大器在功率輸出、線性度及附加效率方面都取得了較好的性能，后仿真結(jié)果表明，電路在工作頻率范圍內(nèi)，功率增益為24 dB，輸出1 dB壓縮點為23 dBm，峰值功率附加效率為40%。對于基于CMOS工藝的功率放大器設計具有一定的參考價值。

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