（电路与系统专业论文）基于CMOS工艺的射频功率放大器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士论文基于c m o s 工艺的射频功率放人器的设计 摘要 这篇论文以射频发射机末端的功率放大器为研究对象，根据无线局域网的8 0 2 1 1 a 标准，应用a g i l e n t 公司的a d s 电路仿真软件，进行功率放大器的设计与模拟。 首先，在系统分析功率放大器的结构、设计原理、性能指标的基础上，根据功率放 大器的应用背景，选择a 类放大器进行设计。设计时综合多种因素，合理选用共源共栅 结构和共源结构的三级差分放大电路，进行增益和输出功率分配，然后应用a d s 软件 进行设计、优化和仿真。仿真结果为：在1 8 v 的电源电压条件下，输出功率p o u t 在p l d b 点为2 1 7 d b m ，输出饱和功率大约为2 3 5d b m ，在5 2 g h z 处，正向传输系数$ 2 1 达到 2 5 4 d b ，输出三阶互调量为2 9 5 d b m 。功率增加效率p a e 最大为2 9 ，静态工作电流为 8 1 0 m a 。输出结果表明，设计的功率放大器在其工作频率范围绝对稳定，实现了很好的 输入输出匹配，具有较好的线性度和隔离度，最终的仿真结果满足8 0 2 1 l a 标准。 其次，针对三级放大器级数多、效率较低、集成度不高的缺点，提出了一种改进的 二级功率放大器的设计，改进的措施主要包括设计无源螺旋形电感、合理运用c a s c o d e 电感接入、改进偏置电路的设计。仿真结果为：p l d b 点的p o u t 为1 8d b m ，输入输出匹 配的情况下，功率增益为3 0 d b ，l d b 压缩点的p a e 为1 6 ，输出三阶交调点i p 3 是2 6 8 d b m ，静态工作电流为2 5 2 m a 。结果表明，改进的功率放大器各项性能指标达到设计要 求。 最后进行功率放大器的版图设计。根据深亚微米c m o s 工艺的特点，将已设计和 仿真好的功率放大器，采用t s m c0 。1 8pmc m o s 工艺元件库，应用c a d e n c e 软件画出 版图。上述工作对射频电路的设计有一定的参考价值。 关键词：无线局域网，功率放大器，c m o s 工艺，版图设计，a d s 仿真 a b 。t r a c t 一一，_!i盟 _ - - _ _ _ _ - _ - - - _ 一 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fp o w e ra m p l i f i e r , t h ek e yc o m p o n e n ti nt h ee n do fr f 缸- a n s m i t t e r a c c o r d i n gt o t h ew i r e l e s sl a n8 0 2 。llas t a n d a r d rt h ep o w e ra m p l i f i e ri s d e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t ht h ea d s c i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r eo f a g i l e n t f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gp o w e ra m p l i f i e r ss t r u c t u r e ，d e s i g np r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c e ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fp o w e ra m p l i f i e rb a c k g r o u n d ，s e l e c t t h ec l a s sa a m p l i f i e rt od e s i g n b ya p p l y i n gs y n t h e s i z i n g an u m b e ro ff a c t o r s ，s e l e c tt h i r d 。s t a g e d i f f e r e n t i a la m p l i f i e ro fc a s c o d es t r u c t u r ea n dc o ，s o u r c es t r u c t u r er e a s o n a b l y , t od i s t r i b u t e g a i na n do u t p u tp o w e r t h e nu s ea d ss o f t w a r et od e s i g n ，o p t i m i z ea n ds i m u l a t e t h e s i i n u l a t i o nr e s u l t sa r e u n d e rt h ec o n d i t i o n so f1 8vs u p p l yv o l t a g e ，t h eo u t p u tp o w e r p o u tl s u pt o2 1 7d b ma tp ld bc o m p r e s s i o np o i n t ，s a t u r a t e dp o w e ro u t p u ti sa b o u t2 3 5d b m ，a t 5 2g h z ，p o s i t i v et r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t $ 2 1r e a c h e s2 5 4d b ，t h eo u t p u tp o i n to f t h i r d s t a g e i n 由e 】m l o d u l a t i o ni sa b o u t2 9 5d b m t h ep o w e r - a d d e de f f i c i e n c yp a ei s a b o u t2 9 a t s a t u r a t i o np o i n t s t a t i cw o r kc u r r e n ti sa b o u t8 10m a t h eo u t p u tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e r a m p l i f i e ri nt h ef r e q u e n c yr a n g eh a sa b s o l u t es t a b i l i t y , r e a c h e sav e r yg o o di n p u ta n do u t p u t m a t c h o b t a i n sg o o dl i n e a r i t ya n di s o l a t i o n ，t h eu l t i m a t es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e t8 0 2 1 la s t a n d a r d s e c o n d l y , a i mt ol o we f f i c i e n c y ，l o wi n t e g r a t i o na n dm o r es t a g e so ft h et h i r d s t a g e p o w e ra m p l i f i e r , as e c o n d s t a g ep o w e ra m p l i f i e ri sb r i n gf o r w a r dt oa m e l i o r a t et h e s e s h o r t c o m i n g s ，t h em e a s u r e m e n t si n c l u d e st h ed e s i g no fp a s s i v es p i r a li n d u c t o r , r a t i o n a lu s e o fc a s c o d ei n d u c t o r s ，i m p r o v i n gt h eb i a sc i r c u i td e s i g n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e ：t h eo u t p u t p o w e rp o u ti s18d b mi np ld bp o i n t i nt h ec o n d i t i o no fi n p u ta n do u t p u tm a t c h ，t h ep o w e r g a i ni s3 0d ba t5 2g h z ，t h ep a e a tl d bc o m p r e s s i o np o i n ti s1 6 ，t h eo u t p u to f i p 3i s2 6 8 d b m t h et o t a ls t a t i cw o r kc u r r e n ti s a b o u t2 5 2m a t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c eo fi m p r o v e dp o w e ra m p l i f i e rm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , e x e c u t et h ed e s i g n o fl a y o u t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f c m o s t e c h n o l o g yi nd e e ps u b m i c r o n ，b yu s i n gt s m co 18 岬c m o s t e c h n o l o g yl i b r a r ya n d c a d e n c es o f t w a r e ，d r a wt h el a y o u to ft h ep o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t st h a th a v eb e e nc o m p l e t i n g d e s i g na n ds i m u l a t i o n t h e s ea b o v ej o b sh a v ec e r t a i nv a l u et ot h ew o r ko ft h er fc i r c u i t d e s i g n 1 1 顾一i ：论文摹于c m o s 工艺的射频功率放大器的设计 k e y w o r d s ：w i r e l e s sl a n ，p o w e ra m p l i f i e r , c m o st e c h n o l o g y , l a y o u td e s i g n ，a d s s i m u l a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：荨盘立 叼年6 月乡p 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：季短蕊 。毽年6 月弓b 日 硕上论文基于c m o st 艺的射频功率放大器的设计 1 概述 1 1 课题背景 最近十年，国际互联网( i n t e r n e t ) 和企业内部网( i n t r a n e t ) 的迅猛发展促进了个人电脑 p c ( p e r s o n a lc o m p u t e s ) 的普及，使得人类的工作方式和生活方式发生了巨大而深刻的变 化，各种信息，广泛地通过网络传播到信息终端个人电脑。同时，各种无线通信技术， 如无线寻呼、移动通信蜂窝技术等相继出现。这些技术的广泛推广和应用已经使人类摆 脱了通信场所的限制。此外为了便于用户携带方便，各种智能终端，如膝上电脑( l a p t o p ) 和手机( m o b i l ep h o n e ) 的体积越来越小。这些智能终端f 逐渐成为人类工作学习和生活 不可缺少的工具。 为了适应未来电子商务的巨大需求、信息传播的日益普及和信息爆炸增长对通讯领 域的更高要求，人们渴望将网络和无线通信的优点合二为一。具体来说，就是希望直接 以无线方式、低成本接入当地的有线网络，实时地共享并交换各种信息资源。这就是无 线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k s ) 发展的原动力【l j 。 无线局域网( w l a n ) 是利用全球通用且无须申请许口的i s m 频段( 2 4 g h z 频段、 5 0 g h z 频段) ，在无线的环境中实现便捷式移动通信。无线局域网既可作为有线网络的 延伸和扩充，又适于某些难以布线的特殊场合。它的主要优点是可在办公室内灵活的重 新布置电话、计算机等设备，而不必改变墙壁上出口的连线。以上这些主要的优点促进 了无线局域网的快速发展，无线局域网已成为通讯领域新的热门课题之一。 目前，由于无线局域网的巨大市场潜力，世界各国的工业界和科技界都投入巨大的 力量，加强这方面的研究和开发工作，出于对高集成度、低成本、低功耗和小型化的追 求，制作性能更灵活、应用更方便的无线局域网芯片组是未来的发展趋势。 无线局域网芯片组以整体的系统而言，射频电路约占3 0 - - 5 0 ，其主要的零组件 包含功率放大器( p a ，p o w e r a m p l i f i e r ) 、低噪声放大器( l n a ，l o wn o i s e a m p l i f i e r ) 、发 送接收器、合成器、同向双工器( d i p l e x e r ) 、双工器( d u p l e x e r ) 、表面声波滤波器( s a wf i l t e r i 及发送接收转换器( t r s w i t c h ) 等功能；中频部份有a d d a 调制与解调器、锁相回路 ( p l l ) 、电压控制振荡器( v c o ) 、表面声波滤波器等；基频部份有数字信号处理器( d s p ) 、 微控制器( m c u ) 和内存( f l a s h 、s r a m ) 等。为了适应大容量、高速率的多媒体数据业务 的传播要求，无线局域网射频前端系统对低成本、低功耗和高容量提出了要求。而功率 放大器更是射频系统模块中的关键组件，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，它 的使用效率决定了电池的消耗与使用时间，因此，功率放大器将是业界研发的重点【2 j 。 本课题主耍研究的县基于无线局域网8 0 2 1 1 a 标准的功率放大器的设计。 1 概述硕：l 论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 功率放大器的研究现状 功率放大器负责提供整个通信系统在发射与接收时的运作功率，属于相当重要的线 性i c ，评估一个放大器的性能，尤其是在接收的系统电路中，通常会以其处理微弱信号 的能力，作为判定性能优劣的依据，若放大电路处理小信号能力强，其抑制或消除噪声 的能力也愈强。另外使用者评估某个移动设备时，除了其通信品质外，还有一项重点是 待机时间，而功率放大器是整个发射端最耗电的组件，大部份的功率消耗在此电路中， 因此，功率放大器的设计与制造是非常重要的项工作。任何无线通信产品要将信号发 射出去，都透过电路最后一级的功率放大器，功率放大器可以依不同的需求，例如工作 频率、频宽、供应电压、输出功率、效率及放大器操作类别适用在不同的通信产品上。 就目前功率放大器的发展状况而言，前四大厂商：r fm d 、h i t a c h i 、c o n e x a n t 与 m o t o r o l a 掌握了绝大部分的全球市场，其中北美厂商拥有超过一半的市场占有率。全球 占有率近2 0 的r fm d ，以供应n o k i a 为主，因此产品多为g s m 系统所使用；h i t a c h i 则以供应日本手机厂商为主；c o n e x a n t 以量产c d m a 系统为主，主要供应e r i c s s o n 与 s a m s u n g 使用，而m o t o r o l a 则是以供应自制移动电话为优先，不足的部分则向c o n e x a n t 采购1 2 】。由于我国的i c 芯片设计发展比较晚，射频芯片的设计还处于一个比较新的阶段， 在国内，针对无线局域网w l a n 这样一个较新的技术领域，研究功率放大器的设计对 于降低芯片成本和实现射频芯片的国产化具有重要的现实意义和实际应用价值。 目前大部分商用功放使用g a a s 器件【2 】【3 】 4 】，但是，g a a s 器件比c m o ss i 器件造价 高，且混合工艺做成的系统体积比较大，而流行的片上系统要求功放能和其它射频前端 组件、基带电路、d s p 电路等用主流的c m o s 工艺集成在同一芯片上，以减小体积、 降低造价、增加系统可靠性。在c m o s 射频前端中，低噪声放大器、混频器、滤波器 的研究和设计比较成熟，而2 0 0 m w 以上、高效率、高线性的深亚微米c m o s 射频功率 放大器仍然是c m o s 片上系统最难实现的组件之一 3 】【4 】。 从二十世纪8 0 年代初，人们就开始尝试采用c m o s 工艺进行功率放大器的研究和 设计，直到1 9 9 4 年，才出现c m o s 射频功率放大器的相关报导。一直以来大部分文献 只针对单一功放的设计，只有少量文献( 卜屹】从系统组件的层次进行研究，而使用c m o s 工艺实现片上功放线性化的论文更岁1 3 】。 虽然c m o s 的高频性能和噪声性能不是最好的，但是由于它的工艺最为成熟、成 本最低、功耗最小、集成度最高，所以应用最为广泛。并且随着技术水平的提高，特别 是按比例缩小技术，其频率特性和噪声特性也逐渐得到改善，深亚微米c m o s 工艺其 m o s f e t 的特征频率己经达到5 0 g h z 以上。因此用c m o s 工艺设计射频集成电路 r f i c ( r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 经成为可能，而且是近几年世界性范围内研究 2 硕j 二论义 皋于c m o s 工艺的射频功率放火器的设计 的热点，世界各国的研究人员在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的 研究。s i l i c o n l a b 和英飞凌是最早用c m o s 工艺制造收发器的公司，高通在收购 b e r k a n a 后，也大力采用r f c m o s 工艺 2 】。美国许多成功的新兴集成电路无生产线芯片 设计公司( f a b l e s s ) 和众多的芯片设计公司都比较集中在这一领域。 1 2 2 针对c m o s 工艺的局限性设计功率放大器可行性研究现状 为了尽量减小c m o s 的局限性对功率放大器产生的负面效应，国内外学者通过不 懈的努力，采取了各种各样的措施来解决该问题，并且己取得了一定的成果。 ( 1 ) 针对单片功放结构的改进【5 】【6 】 在功放的设计中，采用差分结构来减小偶次谐波失真；采用c a s c o d e 结构来加大电 源电压，以提高输出功率；采用m o d e 1 0 c k i n g 技术来稳定输出频率，降低功耗，以提高 效率；采用改进的前置放大级，以提高整个功放的效率，等等。这些措施都取得了很好 的效果。 ( 2 ) 针对c m o s 工艺特定器件的改进【1 4 - 1 6 】 影响功放效率和线性度指标提高的一个重要部件是片上电感的实现。针对c m o s 工艺的片上电感品质因数q 值较低( 一般 1 6 d b m 最人饱和输出功率p m a x 2 3d b m 线性度( i p 3 )良好 稳定性在上作频段内绝对稳定 效率( 在p m a x 点) 2 5 增益 2 0 d b 3 1 2c m o s 工艺简介 这次设计采用的是台积电t s m c 公司0 1 8l am 的r fc m o s 工艺，该工艺是台积电 推出的射频集成电路设计的工艺模型之一，它是一种b s i m 3 v 3 模型，其电源电压包括 1 8 v 和3 3 v ，采用1 p 6 m ( 1 p o l y6 l a y e r - m e t a l ，l 层多金6 层金属) 的分层结构。工艺 中包含n pm o s 、m i m 电容、螺旋电感、m o s 可变二极管、普通二极管、电阻、e s d 以及顶层金属连接模型。模型适用范围在一4 0 到1 2 5 ，频率不超过2 0 g h z 的电路设 计。本次采用的是1 8 v 电源电压的三阱c m o s 工艺，对于其中的n pm o s 管，单个 硕七论文基于c m o s 工艺的射频功率放火器的设计 m o s 管的栅宽是2 5pm ，栅长为o 1 8um ，m o s 管的栅指数的数目范围为1 6 1 2 8 。 c m o s 工艺里面相关特定的器件版图与偏置正常工作的基准环境温度一般为2 5 0 c 。 3 1 3m o s 器件尺寸的选择 t s m c 工艺m o s 管的主要参数有形( 栅宽) 、( 栅长) 、n ( 栅指数) ，形，为r n 通常所说的总栅宽，由于c m o s 工艺中的版图模型中的形、，是固定的，我们只有通 过改变栅指数，才能达到改变总栅宽的目的。针对功率放大器的特点和本次设计的应用 背景，在频率为5 2 g h z 时，通过对栅指数进行了扫描，来看增益的变化。 ，、r 焉堕 济q i 君 刁e 。 ，一 一， 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 n r 图3 1 3 1m o s 管增益随n r 参数的变化曲线 由图3 1 3 1 可以看出栅指数的变化对于m o s 管增益的影响，但这仅给出了一种变 化的趋势，具体的耿值需要在电路仿真中不断地调整和优化。 前面讲过本次设计的应用频率范围，超过了5 g h z ，下面我们来验证n ，为4 的m o s 管的截止频率z ，只有当z 高于这个频率范围，m o s 管才能用于本次的设计当中来。 s h o r t c i r c u i tc u r r e n tg a i nv e r s u sv g s f r e q ，g h z 图3 1 3 2m o s 管截止频率的测量图 圈 f 【i sf r e q u e n c ya t w h i c hs h o r t - c i r c u i t c u r r e n tg a i n = 1 1 7 3 射频功率放大器设计硕_ 二论文 图3 1 3 2 用来测试的m o s 管的截止频率，截止频率z 是指电流增益为1 时的信 号频率，可见m o s 管截止频率为f = 4 9 g h z ，远远高于本课题中功放的工作频率，是满 足要求的。 3 2 射频功率放大器的模块划分 一个功率放大器主要由输入匹配网络、输出匹配网络、偏置网络几大部分构成，各 组成部件之间的连接如图3 2 1 所示。 z 1i 乙乙， l卜 憎薹昆 ，放大电路和阻 酬配网络i j t l 负载 l 射频源l f 抗变换网络 纠 i t r ， t偏置网络l f，tr ， 图3 2 1 功率放大器的结构 为了使功率放大器能够正常工作，可通过直流偏置网络为功放提供合适的静态工作 点，输入匹配网络将源输入阻抗互与射频源的阻抗( 一般为5 0 q ) 进行匹配，以便能 够减小输入端信号的反射，输出匹配网络用来匹配乙和负载阻抗，使功放的输出功率达 到最大。由于放大器的m o s 管工作在大信号状态，小信号模型在这里不再试用，必须 充分考虑m o s 管的非线性特性。 3 3 放大电路的设计 在此次设计中，鉴于要得到较高的输出功率，因此放大电路采用三级级联结构，并 且分别对各级的电路进行增益分配，分配的准则是第一级满足高增益，第二级满足较高 增益和较高输出功率，最后一级即输出级满足最高输出功率。这三级电路均采用差分结 构提高共模抑制比，第一级采用共源共栅放大结构，将输入匹配网络送来的信号进行预 放大，同时抑制噪声；第二级同样采用共源共栅放大结构，为增益级；第三级采用共源 放大器结构，将输出功率通过输出匹配网络加到负载上。三级电路分别采用电阻来得到 偏置电压，各级之间通过隔直流电容进行耦合。 3 3 1 差分结构设计 差分结构的电路如图3 3 1 1 所示，是模拟电路中最常采用的一种电路设计，它对差 模信号具有放大作用，而对共模噪声具有抑制作用【3 0 】。 硕士论文基于c m o s 工艺的射频功率放大器的设计 v d d ： 图3 3 1 1 差分电路结构 本次设计中，m o s 管工作在开关状态，作为开关使用的m o s 管，工作在可变电阻 区，漏级的电流可表示如下： i l r1 厶= 以巳 ( 一) 一寺2 ，0 1 或1 1 1 州l 1 ，就会发生振荡。 对于各种无源负载和信号源的阻抗，如果网络的乙和z 训实部均大于o ，那么图 3 4 1 中的二端口网络，在给定频率范围内绝对稳定。否则，网络将是潜在不稳。 硕上论文 基于c m o s 工艺的射频功率放大器的设计 图3 4 1 二端口网络的稳定性 由反射系数表达式，给定频率范围内潜在不稳的条件是： 叫 1 川 1 i t , h i = 卜两s , 2 s 正2 , f , i 1 i r 。，f = 1 是：+ 1 1 ：z - z o z + z o 1 z ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 表明所有的参数都是对同一特征阻抗乙( 5 0 q ) 的归一化参数。 式( 3 6 ) ( 3 7 ) 表明源和负载是无源的，而式( 3 8 ) ( 3 9 ) 表明输入和输出阻抗必 须是无源的( 也就是其实部必须非负) 。式( 3 6 ) ( 3 9 ) 的解给出二端口网络达到绝对 稳定所需要的条件。在详细讨论绝对稳定的充分必要条件前，先来看一下( 3 6 ) ( 3 9 ) 的图示分析。 若图3 4 1 中的二端口网络潜在不稳，其中使得乙和乙口的实部为正的r 。和r ，的值 可以用图解法在s m i t h 圆图中表示出来。 ， 首先确定f ；和r ，的耿值范围，使相对应的i f 胁l = 1 和i f 。l = 1 ，令式( 3 8 ) ( 3 9 ) 的幅 值为1 ，从中得出r 。和r ，的值。r 。和r ，的值均在圆上( 称之为稳定圆) ，圆的方程由公 式( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 给出。 l r f _ 卜 a = s 。是：墨：是。 使l r 加l = 1 的r ，的值( 输出稳定圆) ： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 3 射频功率放人器设计硕上论文 ( 半径) q 2 酱警c 凰心， 使i r 。叫l = 1 的r ，的值( 输入稳定圆) ： - | ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 半径)( 3 1 6 ) 铲铸并咽。 将二端口器件在某一频率的s 参数代入式( 3 1 3 ) 至( 3 1 6 ) ，可以算出半径和圆心， 并在s m i t h 圆图上画出该圆，能使l r 加l = 1 和l r 删i = 1 的r ，和r ，的取值就可以很清楚地 看出来。图，3 4 2 表示i r 加l _ 1 和l f 洲l ：1 的稳定圆。在r ，的平面上，稳定圆边界的某一 边，有i r 抽i 1 。同理，在f 。的平面上，稳定圆边界的某一边，有l r 州i 1 。 还需要在s m i t h 圆图上确定哪一部分代表稳定区，换句话说，r ，在哪些区域取值( 其 中n i 1 ) 使得l i 刎l 1 。为此，可以看出如果z ，= z 。，那么r f = 0 ，而且由式( 3 8 ) 还有i r 加i = t s , 。i 。如果s 。的幅值小于1 ，而i r “= o 时，i r 加l 1 ，s m i t h 圆图的中心处代表非稳定工作点。图3 4 3 表示所讨论的两种情况。阴影部分表示r ，的稳定工作取值。同样，图3 4 4 表示r ，的稳 定区和非稳定区。 2 4 亿) 图3 4 2 s m i t h 圆图上的稳定圆( a ) r ， ( 6 ) 平面；c o ) r ，平面 硕_ ：论文基于c m o s t 艺的射频功率放大器的改计 hi = i s ，。ff o r f ，= 0 图3 4 3 s m i t h 圆图上说明r ，平面的稳定圆 对于绝对稳定器件，网络中的任何无源负载和信号源必定得到稳定条件。从作图的 观点看，对于i 墨。l 1 ，网络的绝对稳定是不可能的。因为r ，= o 和r ，= 0 的置端条 件将使1 1 1 m i l 或i r 。小 l 。 ( 口) i r o u , i = i s ：2 l i o 汀。= 0 ( 6 ) 图3 4 4 s m i t h 圆图上说明f ，平面的稳定圆 3 射频功率放大器设计 硕上论文 i ； l a l 0 ( 3 2 1 ) r e ( 乙+ 乙) 0 ( 3 2 2 ) 来构成绝对稳定状态，但电阻会引入额外的损耗，从而会产生功率增益、噪声系数以及 效率的下降。 本次设计中的5 g h zc m o s 功率放大器将采用三级放大器级联的形式，并使每级都 工作在绝对稳定区内，以保证整个放大器在工作频段内工作稳定。 3 5 三级放大器电路结构设计 通过以上放大电路的研究与设计，结合增益和功率分配，经过分析计算和对电路的 优化，得到图3 5 1 的放大器电路结构图。 硕j ：论文 基于c m o s _ t 艺的射频功率放火器的设计 图3 5 1 三级功率放大器的主体结构 电路采用三级放大的差分电路结构，第一、第二级为共源共栅级，在提供合适的电 压增益的同时，提高了前后级电路的隔离度，为阻抗匹配提供了便利的条件，第一级( 驱 动级) 的m o s 管的总栅宽为2 4 0 1 1m ，第二级( 中阳j 级) m o s 管的总栅宽为4 0 0 l am ， 与其成c a s c o d e 结构的m o s 管总栅宽为4 8 0pm ，第三级为共源级，整个m o s 管的总 栅宽为4 0 0pm ，共源级便于充分利用电源电压的摆幅，来尽量提高输出功率。各级之 间采用电容耦合，同时电容还起到阻抗匹配的作用。电阻的使用为每级功率放大器提供 合适的偏置电压。在每一级m o s 管的源级，电感不仅起到负载的作用，同时还与级间 耦合电容组成谐振网络，使整个电路工作在谐振点。其中，第一级的c a s c o d e m o s 管的 源级采用的是片上电感，其余的为片外电感，输出端信号通过片外的平衡一非平衡 ( b a l a n c e d u n b a l a n c e d ，简称b a l u n ) 转换器将两路差分信号转换为一路单端信号，由 天线发射出去。整个电路的电源电压为1 8 v ，电路的整个工作电流为8 1 0 m a 。 3 6 匹配电路设计 在功率放大器的设计中，阻抗匹配电路的设计是关键，若匹配电路设计不当，则功 率就不能有效地传输至下一级，因而得不到最佳输出，这样，不仅使功率放大器的效率 显著下降，而且频率响应变坏，得不到良好的工作性能。事实上，许多实际的匹配网络 并不是仅仅为减小功率损耗而设计的，它们还具有其它的功能，如减小噪声干扰、提高 功率容量和提高频率响应的线性度。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就 是将给定的阻抗值变换成其它更合适的阻抗值。匹配电路可以分为下述三种：输入匹配 电路，输出匹配电路和级间匹配电路。 在设计功率放大器的匹配电路上，目前普遍采用传统的最佳负载曲线方法，在此方 法中一般采用手算分析求得，这种方法的缺点是不直观，比较复杂，花费的时间也比较 2 7 3 射频功牢放大器设计 硕二l 论文 长；另一种方法就是新的负载牵引( l o a d p u l l ) 匹配手段，运用a d s 2 0 0 3 c ( a g i l e n td e s i g n s y s t e m ) 提供l o a d p u l l 模拟的方式，可以同时看到多种关键指标跟随输出负载变化而变 化的情况，从而根据需求得到最佳输出负载，此种方法的优点是匹配准确性程度高、直 观、方便快捷和大大缩短开发时间。 3 6 1 负载牵引( l o a d p u l l ) 技术的应用 在s m i t h 圆图上，功率放大器的输出功率随负载阻抗的变化曲线称为l o a d p u l l 曲线， 通过这组曲线，可以知道功率放大器的负载变化对功率放大器输出功率的影响。该技术 的应用是以电路稳定工作为前提的。 下面以本次设计的功率放大器为例，简要介绍一下负载牵引技术的应用： 在功率放大器的工作电压v d e 为1 8 v 的前提下，整个电路的输出功率为 匕= o 5 x xc o n j ( k ) ( 3 2 3 ) 其中和k 是表示输出基频的电压和电流，c o n j ( i t o 耐) 是表示取括号中数值共轭 的函数。由于在s m i t h 圆图上，功率的描述是以d b m 为单位的，需要通过合适的变换 将功率变量变为以d b m 为单位，其变换公式如式( 3 2 4 ) 所示。 砌= 1 0 x l o g ! o ( 气) + 3 0 + ( 3 2 4 ) 在l o a d p u l i 技术中，应用最广泛也是最重要的一个函数是等高线函数c o n t o u r o t 3 4 1 。 在同一等高线上的输出功率相同，在a g i l e n t a d s 环境中等高线输出功率公式如下： 如c a n t 0 1 蝌一p = c o n t o u r ( p a a ，d b m ，匕懈叫o ：( n u m b e r 跏- 1 ) x 卿) ( 3 2 5 ) 。其中，毛懈表示最大的输出功率，该公式表明在s m i t h 圆图上可以看到一个以 一为中心的，以如咖为步进的( n u m p d , t 砌。一1 ) 条等高线图，如图3 6 1 1 所示。 0 与 星 o 3 中 星 i n d e p ( p d e l c o n t o u r s _ p ) f o 0 0 0t o3 6 o o o ) 图3 6 1 1输出功率的最大值及其对应的负载阻抗图 由图3 6 1 1 可以看出，在一簇等高线的中心，即最大输出功率点在s m i t h 圆图上所 处的位置，该处的负载阻抗值为( 2 0 5 7 2 + j 3 9 6 ) o h m ，此阻值即为本次设计的最佳阻抗。 2 8 硕十论文基于c m o s 工艺的射频功率放人器的设计 3 6 2 匹配网络的设计 通过以上的分析，我们得到了最佳负载阻抗。由于一般最终的负载为5 0 0 h m ，为了 能够在5 0 0 h m 的负载上面得到最大的输出功率，需要在输出端口通过匹配网络将5 0 0 h m 与最佳阻抗匹配，同时为了尽量减少输入信号的衰减，在电路的输入端口也需要进行匹 配，匹配电路的设计应该满足一定的工程设计要求。 在一般情况下，工程设计所追求的两个主要目标：第一是满足系统要求，第二是采 用最低的成本和最可靠的方法实现第一个目标。成本最低且可靠性最高的匹配网络往往 就是那些元件数目最少的网络。图3 6 2 1 描述了一种典型的应用情况，为了向5 0 q 的 负载传送最大功率，要求m o s 管的置端必须为z 1 和z s 。输入匹配网络设计将使信号 源阻抗( 5 0 q ) 变换到源阻抗z s ，而输出匹配网络将使5 0 q 终端变换到负载阻抗z 1 。 c 芦 ” 一 吁 l c b ” 号 ) 广 c 2 c l = # 吲 图3 6 2 1l 型匹配网络结构 c i - 声 - l ” 匡 1 乜 在设计匹配网络时有两种方法可供选择：采用解析法求出元件的值和利用s m i t h 圆 图作为图解设计工具。第一种方法可以得到非常精确的结果，但需要进行复杂的计算。 第二种方法不需要复杂的计算，而且更加直观，容易验证，对于初步设计也比较省时。 在使用s m i t h 圆图设计匹配网络时，串联一个电抗，对应的阻抗在s m i t h 圆图上沿 着等电阻圆移动，再并联一个电纳，对应的导纳将在s m i t h 圆图上沿着等电导圆的移动。 每一次沿着等电阻圆或等电导圆的移动都将给出一个新的阻抗或导纳值。 ( 1 ) 输入端口网络的设计 在本次设计中，为了减小输入端的损耗，二端口网络的输入阻抗z 加( 如图3 6 2 2 所示) 要与源阻抗( 5 0 f 2 ) 匹配，图3 6 2 4 为输入端的阻抗匹配网络图，由图可以看 出，本次设计的功率放大器工作在5 2 g h z 。其中由l 1 ，c l 组成的l 形无源网络实现电 路的输入阻抗与源阻抗的匹配，l l 为片外电感，c l 为芯片焊盘的寄生电容、连线寄生 电容以及m i m ( 金属绝缘体金属) 电容之和，c 2 为隔直流电容，匹配网络l 1 、c 1 的参 数值由s m i t h 圆图得到。 2 9 3 射频功牢放大器设计硕j ：论文 f r e q ( 4 5 0 0 g h zt o7 0 0 0 g h z ) 图3 6 2 2s m j t h 圆图表示的输入阻抗值 图3 6 2 3 利用s m j t h 圆幽进行输入端口匹配 c c 2 c = 1 0 0p f l l 1 l = 2 2 5 5n h r = 啬0 3 1 p f 工 c = 0 p fi 图3 6 2 4 输入匹配网络 ( 2 ) 输出端口网络的设计 为了完成输出端口的设计，使输出端能够达到所要的输出功率和抑制噪声的目的， 3 0 硕1 ：论文綦于c m o s 工艺的射频功率放人器的设计 需要进行输出滤波器和匹配网络的设计。 a 匹配网络的设计 按照负载线匹配理论，要使m o s 管输出达到一定的功率p 。，输出m o s 管的负载 应为心口，而功率放大器的实际负载q ( 通常为5 0 q 的天线或者带通滤波器) ，与心。并 不相同，因此放大器的输出端需要个负载匹配网络。图3 6 2 ，6 中通过一个l 型匹配 网络将负载电阻尺f 匹配到民该匹配网络由l 1 、c 1 组成。l l 、c 1 的值通过s m i t h 圆 图得到。 利用s m i t h 圆图将负载尺，匹配到见町的图形如3 6 2 5 所示： 图3 6 2 5 利用s m i t h 圆图进行输出端口匹配 l i _ 1 1 _ = 8 7 3 0 19p h r = 图3 6 2 6 负载匹配网络 r r i r = 5 0o h m b 谐波短路终端的设计 传统功率放大器的输出电流中包含有各次谐波成分，而其中最主要的是二次谐波成 分，功率放大器的输出应提供一个高阶( 主要是二阶) 谐波短路终端。 谐波短路终端可以用一个高q 值的l c 并联谐振网络实现，由图2 5 1 所示，可以 看出，由l 、c 组成的简单的并联谐振回路在基频处谐振，阻抗为无限大，提供滤波功 3 l 3 射频功率放人器设计硕上论文 能，从而削减了由存在的非线性引起的频带外的信号输出，而在各高阶谐波处的阻抗远 小于负载阻抗。满足要求的电容将具有较大的电容量，而电感量却相对较小，实现 起来相对比较困难，但对于输出功率不是特别大的功率放大器，采用l c 并联谐振网络 来实现谐波短路功能是比较合适的。 由于在高频时，l 、c 具有一定的寄生效应，本生的电阻值不能忽略，因此自身也 会消耗一定的能量，为了使输出功率的损耗尽量小，l 、c 要具有高的品质因素q 。在 一个谐振电路中，谐振频率y o n 带宽( b w ) 的比率称作为电路的品质因素q 。 q = 嘉 ( 3 2 6 ) 但由于q 和b w 成反比，q 越大，b w 越小，所以二者之间要进行折中考虑。对于 五附近的窄带频率范围，滤波器可以看作是一个具有负载q 值的带通滤波器，由输人 到输出的传输增益系数( 频率响应) 曲线图3 7 4 ( c ) 可以看出，图形上出现的峰值即 为电路的谐振点() ，带宽大约是。to5