利用ADS設(shè)計(jì)變壓器用于功率放大器設(shè)計(jì)

1、利用ADS設(shè)計(jì)變壓器用于功率放大器設(shè)計(jì)蘇國(guó)東，趙明付，孫玲玲，文進(jìn)才(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)Agilent&HDU微電子測(cè)試與建模聯(lián)合中心*摘要：本文基于0.18um RF-CMOS工藝，以Agilent-ADS為仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一種工作于2.45GHz全集成的功率放大器設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明ADS軟件在建模和仿真分析方面表現(xiàn)出很好的性能。電路采用自偏置技術(shù)來(lái)緩解CMOS器件低擊穿電壓的限制。利用ADS-Momentum仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出匹配的Transformer相對(duì)較低的插入損耗。在電源電壓3V時(shí)，功率放大器功率增益為23dB，

2、輸出1dB壓縮點(diǎn)約為23dBm，對(duì)應(yīng)的功率附加效率PAE可達(dá)36%，且實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出的良好匹配。關(guān)鍵詞： CMOS；Agilent-ADS；功率放大器；Transformer；Momentum1引言近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)全集成的收發(fā)芯片需求越來(lái)越大。而發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊是射頻功率放大器，從功耗方面考慮，功率放大器的功率損耗在發(fā)射機(jī)的總功耗中占有很大比例，因此實(shí)現(xiàn)高輸出功率、高效率、高集成線性化的功率放大器顯得尤為重要。但對(duì)于射頻功率放大器而言，特征尺寸的減小，使得晶體管的耐壓能力也急劇下降，使得采用先進(jìn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)集成化功率放大器面臨著低擊穿電壓、低功率增益和大

3、的襯底損耗的壓力和挑戰(zhàn)。由于差分結(jié)構(gòu)的功放相對(duì)單端結(jié)構(gòu)功放，它降低了通過(guò)襯底耦合而對(duì)其它電路的干擾，而且其源端的虛地能夠抑制源端的電感帶來(lái)的增益降低等諸多優(yōu)勢(shì)。所以本文采用了差分結(jié)構(gòu)，輸入、輸出采用在片的Transformer來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)全集成功率放大器。針對(duì)低擊穿電壓?jiǎn)栴}，采用了自偏置技術(shù)1緩解CMOS器件低擊穿電壓的限制，同時(shí)在功放輸出級(jí)采用了厚柵器件提高了輸出功率2。的電源電壓，這就給管子的柵氧化層擊穿帶來(lái)危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)PA時(shí)，晶體管所能承受的最高電壓Vmax受到晶體管擊穿電壓的限制，而最小電壓則受到Knee電壓的限制。而功率放大器采用Cascode結(jié)構(gòu)可以緩解晶體管擊穿的壓力，提高功率放大

4、器增益和輸出電壓的擺幅，從而降低對(duì)晶體管最大電流能力的要求，提高功率放大器的效率，并減小輸出晶體管的尺寸。實(shí)際在共源共柵結(jié)構(gòu)的放大器中，共柵晶體管是電壓擊穿和熱載4流子效應(yīng)的瓶頸。所以本文采用了自偏置Cascode結(jié)構(gòu)和厚柵器件，不僅可以改善深亞微米CMOS器件的低擊穿電壓，同時(shí)還可以減小熱載流子效應(yīng)影響,如圖1所示。該結(jié)構(gòu)把M2管的漏端交流電壓Vd2引入到柵端Vg2上，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)功放時(shí)兩個(gè)MOS管盡可能有相同的最大漏柵電壓。所以，在熱載流子效應(yīng)出現(xiàn)之前M2管有一個(gè)大的信號(hào)擺幅，對(duì)G2的偏置是通過(guò)Rb-Cb來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖5所示為M2管的Vd2對(duì)Vg2的電壓波形，其最大電壓差為1.4V。與傳統(tǒng)電

5、路的最大壓差1.8V比較降低了0.4V，所以自偏置的M2管的Vdg的電壓差相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的M2管降低了23%。32 自偏置技術(shù)對(duì)于功率放大器而言，標(biāo)準(zhǔn)的0.18um CMOS工藝的晶體管柵漏間的最大電源電壓為2V，擊穿電壓大約是4V。在功放中，管子漏端的直流與交流電壓之和可達(dá)到2-3倍3 Transformer設(shè)計(jì)為了耦合輸出端高的輸出功率，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的Transformer不僅要有阻抗匹配的功能同時(shí)還要有盡可能低的插入損耗。盡管目前國(guó)際上流行的DAT能夠很好的實(shí)現(xiàn)功率耦合，但是它也有不易穩(wěn)定的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的Transformer是基于傳統(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)的變壓器理論，通過(guò)在輸入、輸出端加電容

6、的方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)小尺寸和低損耗的雙重優(yōu)勢(shì)。而且輸入、輸出端的電容起到不同的作用，輸入端的電容能夠很好的降低損耗；而通過(guò)優(yōu)化輸出端的電容值可以調(diào)節(jié)變壓器的中心頻率5。本設(shè)計(jì)中的Transformer都是通過(guò)ADS-Momentum仿真的。(1)輸入端Transformer設(shè)計(jì)。輸入端是一個(gè)5：4的變壓器，W=10,S=2.通過(guò)測(cè)試可知，該Transformer在2.45GHz處有1.7dB插損。(2）輸出端Transformer設(shè)計(jì)6.該Transformer的差分初級(jí)線圈寬度為40um，間距為2.5um，次級(jí)線圈寬帶為30um.由仿真結(jié)果可知該變壓器在2.45GHz處只有1.54dB插損，

7、而且相位特性很好。4 功放的設(shè)計(jì)和仿真通常情況下，無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)采用了非恒包絡(luò)調(diào)制方式，因此對(duì)功率放大器的線性要求較高。本功率放大器第一級(jí)工作在A類，第二級(jí)工作在AB類。A類放大模式能提供更好的線性度，而AB類放大模式比A類放大模式又具備更高的效率。采用這種方式，功率放大器可以在線性度和效率之間進(jìn)行了良好的折中。圖8為本文設(shè)計(jì)的功放結(jié)構(gòu)示意圖。電路仿真和優(yōu)化采用Agilent ADS實(shí)現(xiàn)。圖9、10、11為仿真得到的增益、輸出功率和PAE隨輸入功率的變化曲線。由圖可知，在輸入功率小于0dBm的信號(hào)范圍內(nèi)，該功放的增益有23dB。在1dB功率增益壓縮點(diǎn)處輸出功率為23dBm，相應(yīng)的PAE為36%

8、。圖12顯示了該放大器有良好的輸入、輸出匹配特性。 聯(lián)系人： 趙明付 聯(lián)系方式：Tel:Address: 杭州市杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院CAD所1016信箱 Postcode：3100185結(jié)論本文以Agilent-ADS仿真軟件為平臺(tái)，采用0.18um RF-CMOS 工藝設(shè)計(jì)了工作于2.45GHz 應(yīng)用于WLAN的功率放大器電路采用自偏置技術(shù)來(lái)緩解CMOS器件低擊穿電壓的限制。利用ADS-Momentum仿真，實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出匹配的Transformer相對(duì)較低的插入損耗。在電源電壓3V時(shí)，功率放大器功率增益為23dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)約為23dBm，對(duì)應(yīng)的功

9、率附加效率PAE可達(dá)36%，且實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出的良好匹配。參考文獻(xiàn)：1 SOWLATI T, LEENAERTS D. A 2.4 GHz 0.18-m CMOS Self-Biased Cascade Power AmplifierJ. IEEE Jourcal of Solid-State Circuits. 2003. vol.36,no.8:1318-1324.2 YOO C, HUANG Q. A common-gate switched 0.9-W class-E power amplifier with 41% PAE in 0.25-um CMOSJ. IEEE Jourcal

10、 of Solid-State Circuits. 2001. vol.36：823-830.3 FALLESEN C, ASBECK P. A 1W 0.35m CMOS Power Amplifier for GSM-1800 with 45% PAEC. IEEE International Solid-State Circuits Conference.2001: 158-159.4 CHI B Y,YU Z P, SHI B X. Analysis and Design of CMOS RF Integrated CircuitsM.Beijing:Tsinghua University Press,in chinese.2007. vol.38,no2:336-343.5 Boshi Jin, Kichon Han, Jinsung Choi, Daehyun Kang, and Bumman Kim. The fully-integrated CMOS RF Power amplifier using the semilumped trasformer. MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS. 2008. vol.50,