[導讀]本文系統(tǒng)分析了射頻CMOS功率放大器的設計方法，并基于TSMC 0.35μm RF工藝設計了一種工作頻率在2.4GHz，電源電壓為3.3V的三級CMOS功率放大器。
摘要 本文系統(tǒng)分析了射頻CMOS功率放大器的設計方法，并基于TSMC 0.35μm RF工藝設計了一種工作頻率在2.4GHz，電源電壓為3.3V的三級CMOS功率放大器。仿真得到輸出功率24dBm，漏級效率為40%， 輸入反射系數(shù)S11為-35dB?？捎糜诙叹嘈」β薀o線通訊系統(tǒng)。
關鍵詞 射頻集成電路 功率放大器 CMOS
1 引 言
近年來，隨著無線和移動通信技術的發(fā)展，射頻集成電路研究成為熱點。功率放大器(Power Amplifier，PA)是射頻收發(fā)系統(tǒng)中功率損耗最大的部分，要求元件有低噪聲和高載流子遷移率，通常選用砷化鎵工藝制造PA , 但隨著集成度的提高及市場需求的推動, 集成度高、成本低的CMOS工藝將成為PA發(fā)展的趨勢[1]。
隨著CMOS工藝的進步，CMOS器件的高頻性能得到了改善，但同時也給功率放大器帶來了一些困難，如氧化層擊穿電壓過低，電流驅動能力差，襯底耦合嚴重等。片上無源器件性能差，尤其片上電感的Q值過低，嚴重影響了功率放大器性能。較為實用的輸出功率小于24dBm的功率放大器可用在短距離小功率系統(tǒng)如Bluetooth, WLAN 中可以降低成本。
本文采用CMOS工藝實現(xiàn)一個工作在2.4GHz的射頻功率放大器，電源電壓3.3V，輸出功率達到24dBm。本功放為效率比較高的C類功率放大結構，采用了三級放大、共柵隔離、I/O端口阻抗匹配等技術來提高電路性能。
2 射頻功率放大器
功率放大器的主要任務是放大RF信號并通過天線將其發(fā)射出去, 且保證信號能夠被正確地接收, 不被鄰近通道的信號所破壞。通常, 采用漏級效率來衡量PA的性能, 定義如下：
（1）
從(1)式可以看出,在理想的情況下, 若 PA本身不消耗功率, 傳遞到負載的功率應該等于來自電源的功率, 效率為100%。但是, PA傳遞給負載功率時, 本身要消耗一定的功率，還需要信號放大電路，也會消耗一定的額外功率, 因此效率不可能達到100%。
線性PA有A類，AB類，B類，C類四種類型，其主要差別在于偏置情況不同,可用如圖1所示的一般模型來統(tǒng)一表示[2]。圖中電感BFL把直流功率送入到晶體管的漏極，假設這個電感很大，足以使通過它的電流基本保持不變。漏極通過電容BFC連至一個振蕩回路以防止負載中有任何直流功耗。電感L和電容C構成輸出端并聯(lián)諧振濾波器，削減了由非線性引起的帶外的發(fā)射功率，晶體管輸出電容可被納入振蕩回路，RL為將下級天線的等效阻抗。
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圖1 線性功率放大器模型 |
PA作為射頻收發(fā)系統(tǒng)的重要單元, 要求同時滿足線性度、增益、輸出功率和效率的要求。但由于電源電壓下降（5V到3V或者更低)導致的阻抗匹配限制, PA很難保證同時達到要求的輸出功率和效率。本設計要求達到的輸出功率為24dBm，為了得到較高的效率，選擇C類結構實現(xiàn)功率放大[3]。
在C類功率放大器中，柵的偏壓設成使晶體管在小于一半周期的時間導通，晶體管漏極得到周期性的一串脈沖構成的電流。如圖2為功率放大器的輸入電壓和漏極電流波形，柵的偏壓Vbias小于晶體管的閾值電壓Vth，輸入正弦信號，在晶體管漏極得到導通角為2φ的脈沖電流。用正弦的上面部分來近似漏極電流，可得到導通角與功率放大器的漏極效率和輸出功率的關系式分別為
（2）
（3） 從公式(2)和(3)可以看出，隨著導通角的減小，漏級效率不斷增大，當導通角等于0時，漏極效率可以達到100%，但此時的輸出功率為0。因此在設計C類功率放大器時，應根據(jù)漏級效率和輸出功率的要求進行折衷得到導通角的大小，進而確定晶體管的工作狀態(tài)。
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圖2 理想C功率放大器電壓電流波形 |
2.1 輸入匹配網(wǎng)絡設計
由于晶體管的輸入阻抗為電容與電阻的串聯(lián)，為了減少輸入端信號反射，必須進行阻抗匹配設計，使輸入阻抗與信號源的內阻50Ω匹配[4]。如圖3所示,由L1，L2，C2組成的T形網(wǎng)絡實現(xiàn)電路的輸入阻抗與源阻抗的匹配,C1為隔直電容，通過仿真，輸入端反射系數(shù)可達到-35dB。
圖3 輸入匹配網(wǎng)絡
2.2 輸出匹配網(wǎng)絡的設計
天線作為功率放大器的輸出負載，一般可以等效為50Ω的電阻，3.3V的電源電壓不能為50Ω的負載提供的24dBm的輸出功率，故必須進行阻抗變換，減小R，使輸出達到需要的功率。如圖4虛線右方為由L，C組成的阻抗變換網(wǎng)絡將負載50Ω的電阻變換為較小電阻Rs，其變換公式為
(4)
(4)Rs的取值應折衷考慮，取值過大，輸出不能得到需要的功率，取值過小，導致輸出電流過大，在晶體管導通電阻上的損耗增大，功率放大器效率降低。
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圖4 主放大電路結構 |
2.3 主放大電路設計
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在主放大電路中，晶體管M1，M2與電容C5電感L1構成第一級，共源共柵結構提供高電壓增益，共柵管M2用于減少調諧輸出和調諧輸入的相互作用，以及減少M1管Cgd的影響，L1與C5在2.4GHz時諧振，提供高阻抗負載[5]；M3，M4電感L2構成第二級；M5 和L4 為輸出功率放大電路，由于輸出管M5的尺寸很大，用電感L3和電容C3的串聯(lián)電路實現(xiàn)輸出管的輸入匹配設計。其中電容C3在直流時隔斷直流通路，并可減小柵端的有效電容。B1，B2，B3 為電路提供直流工作點，L2，L4實現(xiàn)扼流功能。
3 模擬結果
設計基于TSMC 0.35μm SiGe CMOS射頻工藝庫，使用Cadence公司的SpectreRF仿真工具，電源電壓取3.3V。為保證導通電阻最小化，輸出管尺寸取L=0.35μm ,W=165×11×15μm，輸出級偏置電壓VB3=0.35V。
仿真所得的輸入反射參數(shù)曲線如圖5所示，在2.4GHz處S11低于-35dB，輸入網(wǎng)絡在以2.4GHz為中心頻率的100MHz帶寬范圍內都達到了良好的匹配。
圖6為功率放大器的輸出功率參數(shù)，輸入0dBm中心頻率在2.4GHz的正弦信號, 在功放輸出端可得到250mW的輸出，且各次諧波處的功率損耗很小。本功放的漏級效率約為40%。
圖5 輸入反射系數(shù)S11
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圖6 功率放大器的輸出功率 |
在低電源電壓下，通過輸出阻抗變換增大輸出功率，利用輸入和級間匹配網(wǎng)絡減小反射功率，主電路采用共源共柵，三級放大結構，可得到較優(yōu)電路性能。
最后，基于TSMC 0.35μm CMOS射頻工藝，完成了2.4GHz功率放大器的設計。仿真表明，在3.3V的電源電壓，0.35V的輸出級偏置電壓情況下，功放輸出功率24dBm，漏級效率為40%，可工作于短距離小功率射頻收發(fā)系統(tǒng)。
參考文獻
1 張國艷，黃如，張興等，CMOS射頻集成電路的研究進展[J]。微電子學，2004, 34(4) :377-383.
2 H Lee Thomas, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits Second Edition. Bei Jing: Publishing House of Electronics Industry, 2005.
3 Ramakrishna Sekhar Namyanaswami, RF CMOS Class C Power Amplifiers for Wireless Communications. University of California, Berkeley, fall 2001.
4 宗國翼,朱恩,李智群，可用于無線局域網(wǎng)802.11a 標準的5GHz CMOS功率放大器設計[J]。電子器件，2005, 28(1):161-163.
5 郭德彬，周峰，唐璞山，一種900-MHz 20-mW CMOS 功率放大器的設計[J]。微電子學，2002，32(1):62-65.
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