應(yīng)用于移動手機的SOI線性射頻功率放大器的設(shè)計

林俊明，鄭耀華,鄭瑞青，章國豪

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

0 引言

隨著信道容量急劇增加，通信系統(tǒng)采用多種調(diào)制方式相結(jié)合的非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，這對功率放大器的線性度提出了更高要求，為了適應(yīng)當(dāng)前低功耗及高效率的功率放大器的要求，本文就負載線和傳統(tǒng)功率放大器理論，設(shè)計了應(yīng)用于1.95 GHz WCDMA發(fā)射機的線性功率放大器。

SOI(Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)有著成為主流硅工藝的趨勢。SOI是近十多年的新型微電子材料，可以有效解決高電壓、高集成和低功耗的問題。SOI有著非常低的器件噪音和可以抑制浮體效應(yīng)，對于像濾波器和選頻電路等對噪音要求非常嚴格的電路來說，這無疑是更好的解決方案。SOI工藝可以通過將疊加MOS器件的形式來解決其耐壓問題，而且它有著非常低的功耗和所有的器件都集成在一塊相互絕緣的硅襯底上，并有很好的隔離作用，因此SOI工藝是實現(xiàn)單片射頻功率放大器的一個很好的選擇。

1 電路設(shè)計

功率放大器一般輸出功率高而增益較低，為了輸出較高增益和兼顧整體功率放大器的效率與線性度并且實現(xiàn)較低靜態(tài)功耗，最終選擇電路的拓撲結(jié)構(gòu)為三級AB類放大器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電路示意圖

整個功率放大器除了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(OMN)和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(IMN)，還有級間匹配網(wǎng)絡(luò)(MMN)，級間匹配網(wǎng)絡(luò)可調(diào)整放大器之間的增益平坦度并使每級的效率最高。先設(shè)計輸出級，最后設(shè)計輸入級，且每級都必須無條件穩(wěn)定。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將50 Ω變換成功率輸出級最優(yōu)阻抗的共扼，此時的匹配并不是傳統(tǒng)的共扼匹配，因為最優(yōu)輸出阻抗并不是輸出最大資用功率時的阻抗，這里的共扼只是為了消除MOS管的輸出電容。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)決定了放大器的輸入反射系數(shù)，所以級間匹配將50 Ω的波源阻抗轉(zhuǎn)換到根據(jù)式(2)計算出來的阻抗，輸入級與波源共扼匹配而實現(xiàn)最大功率傳輸。第二級放大器的設(shè)計指標根據(jù)第三級的輸入 1 dB壓縮點功率 IP1dB，3，設(shè)計本級的輸出1 dB壓縮點OP1dB，2，要求滿足關(guān)系為：

式(1)的目的是在第二級的線性范圍內(nèi)，保證第三級輸出也在線性范圍內(nèi)，第二級的輸出匹配與輸入匹配思想與第三級的設(shè)計思路相同，這樣就可以保證每級都能達到預(yù)定的1 dB壓縮點輸出功率。

1.1 MOS晶體管的選擇與尺寸估算

MOS管的尺寸參數(shù)主要是柵寬與溝道長度，在能實現(xiàn)功能指標的情況下一般都選擇其最小的溝道長度，這是因為MOS器件的發(fā)展趨勢是每年按比例縮小的，因此設(shè)計也應(yīng)該適應(yīng)當(dāng)前的MOS工藝。

傳統(tǒng)功率放大器輸出電流的基波項可為[4]：

式中，Imax為 MOS管漏極最大電流，α為放大器的導(dǎo)通角。功率放大器的輸出功率可表示為：

式中，RL為負載阻抗。根據(jù)選擇的溝道長度，單位柵寬時可以通過的最大電流Ion，max(μA/μm)。 當(dāng)功率放大其偏置在B類時，導(dǎo)通角為π，所以

基波電壓的估算，如果考慮knee電壓，則基波電壓最大值為：

因此最優(yōu)阻抗的估計表達式可以表達為：

由式(3)～式(7)可以解得最大電流為：

式中，Vdd為電源電壓，則MOS管柵寬大約為：

式中Imax表示漏極允許通過的最大電流，Ion，max表示單位柵寬允許通過的最大電流，不過這里求得的柵寬是一個估算值，因此在設(shè)計過程中可以根據(jù)實際情況進行優(yōu)化。

1.2 偏置電路設(shè)計

為了實現(xiàn)全集成電路設(shè)計，選擇在片內(nèi)集成偏置電路，本文采用的偏置電路如圖2所示。通過合理調(diào)節(jié) MOS管M1和M2的寬長比，可以實現(xiàn)任意偏置電壓，不過在設(shè)計中應(yīng)該選擇使功耗最小的設(shè)計方案。

對于圖2所示的電路，可得其漏極電流表達式為：

圖2 偏置電路示意圖

忽略閾值電壓，則可求解得：

其中：

由式(11)～式(12)可知，通過合理調(diào)節(jié) MOS管 M1和M2的寬長比，可以實現(xiàn)任意偏置電壓，不過在設(shè)計中應(yīng)該選擇使功耗最小的設(shè)計方案。

1.3 輸出匹配電路

匹配電路的類型有L型、PI型和T型，在對Q值沒特定要求的情況下，可以選用元件最小的L型匹配網(wǎng)絡(luò)，通過使用雙L型匹配網(wǎng)絡(luò)還可以增加放大器的帶寬，不過其缺點是降低了電路的Q值。由于功率放大器的輸入端是調(diào)制信號，因此選取L型中高通匹配網(wǎng)絡(luò)，而級間匹配采用雙L型或者是T型匹配網(wǎng)絡(luò)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)使用L型中的高通匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖1(b)所示。

2 電路仿真與討論

仿真軟體采用Agilent公司的ADS2011，其仿真結(jié)果如下：放大器穩(wěn)定性分析仿真結(jié)果如圖3(a）所示，穩(wěn)定因子在中心頻率處K=4.6＞1，因此整個功率放大器在中心頻率處是無條件穩(wěn)定的。對電路進行S參數(shù)仿真，如圖3(b）所示，功率放大器的正向增益為27.7 dB。根據(jù)功率增加效率的表達式，可以描繪輸出功率與PAE曲線，如圖4所示。圖4(a)中，標記m10和m11對應(yīng)的輸出功率分別為31.440 dBm，29.860 dBm，輸入功率為2.5 dBm。結(jié)果顯示在輸出功率為30 dB時，PAE約為42%。功率放大器對輸入反射系數(shù)要求較高，因為輸出一般接的是天線，因此對輸出反射系數(shù)要求有所下降，因為功率放大器一般要求輸出大功率，這會造成輸出不匹配現(xiàn)象。圖5(a)顯示本設(shè)計的整體電路的輸入反射系數(shù)在中心頻率處為-22.35 dB，輸入和輸出反射系數(shù)的史密斯曲線如圖5(b)所示。

3 結(jié)束語

圖3 電路仿真結(jié)果1

本文討論了SOI工藝的物理特性及其在MOS器件中的應(yīng)用情況，并結(jié)合LoadPull技術(shù)和IBM公司0.18 μm SOI CMOS工藝，設(shè)計一種應(yīng)用于1.95 GHz的WCDMA全集成功線性率放大器。功率放大器采用三級AB類放大器級聯(lián)結(jié)構(gòu)，在工作電壓為2.5 V的情況下，CMOS射頻功率放大器無條件穩(wěn)定，1 dB壓縮點輸出功率約為30 dBm，增益約為 28 dB，最大功率附加效率(PAE)約為42%，最后通過仿真軟件給出模擬結(jié)果。

圖5 電路仿真結(jié)果3

[1]LEE T H.CMOS射頻集成電路設(shè)計(第2版)[M].余志平譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]林成魯.SOI-納米技術(shù)時代的高端硅基材料[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[3]E.da Silva.High frequency and microwave engineering[M].London：MPG Book Ltd，2001.

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