設(shè)計(jì)工作在245GHz WLAN的功率放大器

　　技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)全集成、高性能、低成本的無線收發(fā)機(jī)的需求變得越來越迫切。而發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊就是的功率損耗在發(fā)射機(jī)的總功耗中占有很大比例。于是一個(gè)高效率的CMOS 功率放大器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。而隨著RF CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展 ，使得基于Si CMOS工藝的射頻集成在GHz頻段上的性能上有了很大的提高，而且它具有高集成度、低功耗、低成本的特點(diǎn)，能夠和基帶數(shù)字電相兼容。最終可以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成（SOC）。所以近年來對(duì)于Si的CMOS射頻集成電的研究成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。

　　功率放大器通常分為線性和非線性兩大類，線性放大器有四種： A、B 、AB和 C，它們的主要差別在于柵極偏置情況不同，這類傳統(tǒng)的功率放大器具有較高的線性度，但效率較低;非線性放大器主要有D、E和F。對(duì)于本文的無線局域網(wǎng)而言，由于要求具備高線性。所以兩級(jí)分別采用的是A和AB類放大模式。

　　一個(gè)典型的功率放大器一般包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、晶體管放大電、級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)等 ，

　　對(duì)于功放而言，標(biāo)準(zhǔn)的0.18um CMOS工藝的晶體管漏柵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倍的電源電壓，這就給管子的柵氧化層帶來?yè)舸┑摹Ｔ谠O(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，而最小電壓則受到Knee電壓的。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，提高功率放大器輸出電壓的擺幅，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流子效應(yīng)的瓶頸。

　　所以本文采用了Cascode自偏置結(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。圖3所示的傳統(tǒng)Cascode放大器中M2的柵漏電壓波形，Vg2一直固定在3V，Vd2的正峰值電壓在4.8V，所以柵漏電壓差為1.8V。為了克服這個(gè)問題，圖4所示為自偏置Cascode結(jié)構(gòu)放大電，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Rb-Cb來實(shí)現(xiàn)的。圖6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%。

　　如果Rb或cb增加，放大器的增益都會(huì)有所增加，但是通過電仿真后的電壓波形可知，若Rb或cb增加，導(dǎo)致Vg2的電壓擺幅的降低，從而漏端節(jié)點(diǎn)電壓波形將會(huì)在輸入功率較低的情況下就開始失真。所以Rb或cb的值不僅要依據(jù)M1和M2管盡可能有相同的柵漏信號(hào)擺幅，同時(shí)也力求在增益和線性之間有個(gè)較好的折中來確定。

　　對(duì)于本文的無線局域網(wǎng)應(yīng)用而言，由于采用的恒包絡(luò)調(diào)制，要求具備高線性，所以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。所以，本文的功放在線性度和效率之間進(jìn)行了較好的折中。

　　為了達(dá)到功放的設(shè)計(jì)要求，由于高頻下單級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功率增益指標(biāo)，所以采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)。如圖7所示，第一級(jí)采用共源共柵結(jié)構(gòu)，在提供合適的電壓增益的同時(shí) ，提高了前后級(jí)電的隔離度，為匹配提供了便利條件。第二級(jí)采用的是厚柵的共源結(jié)構(gòu)以承受更高的電源電壓。主體分為以下幾個(gè)部分：（1） C1、C2、L1為輸入匹配，片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，使電的輸入端與50Ω端口匹配。

　　L3為第一級(jí)放大電的扼流電感，考慮到功放中流過的電流很大，片外實(shí)現(xiàn)。（2） M1與M2為驅(qū)動(dòng)級(jí)。（3） C5、C6、L4為級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)，除了兩級(jí)之間匹配外，還可以用于調(diào)整放大電的增益平坦度［5］。（4） M3為功率級(jí)。（5） C8、C9、L7構(gòu)成∏型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，能夠有效偶次諧波分量，實(shí)現(xiàn)最佳負(fù)載匹配［6］。為了減少損耗，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)C8、C9、L7和扼流電感L6也采用片外實(shí)現(xiàn)。（6） CMOS的接地電感對(duì)放大器的增益和效率有很大影響，所以在電仿真時(shí)把鍵合線和pad的寄生效應(yīng)一起考慮了。其中L2和L5為多PAD的鍵合線 功率放大器電圖

　　m）軟件完成的。放大器中的晶體管工作在大信號(hào)狀態(tài)，非線性效應(yīng)非常顯著，因此設(shè)計(jì)放大器電時(shí)，小信號(hào)電的等效模型不再適用，必須充分考慮晶體管的非線為仿真得到的輸出功率、增益和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22dB。在1dB功率增益壓縮點(diǎn)處輸出功率為22dBm，相應(yīng)的PAE為30.4%。圖9為功放的S11參數(shù)隨頻率的變化曲線dB所以輸入匹配基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　圖8 輸出功率、增益和PAE隨輸入功率的變化曲線另外，仿真所得到的其它重要參數(shù)有：輸出三階交接點(diǎn)約為29 dBm;穩(wěn)定因子K在工作頻段內(nèi)有K》1。

　　軟件。功率放大器采用 SMIC 0.18μm CMOS工藝。其中放大電中使用的晶體管采用射頻模型。本版圖設(shè)計(jì)主要考慮了以下幾個(gè)方面的問題：

　　（1）由于功放中流過的電流很大，所以在電源線和地線采用幾層金屬并聯(lián)的方式來避免發(fā)生電遷移。（2）接地鍵合線的寄生電感嚴(yán)重影響各級(jí)電的功率輸出。所以，為了使接地鍵合線寄生電感盡量小，設(shè)置多個(gè)對(duì)地焊盤并引出多條鍵合線）對(duì)于高頻信號(hào)線 ，盡量采用頂層和上層金屬 ，且最好遵循最短信號(hào)線的原則用于減少寄生

　　采用SMIC 0.18um CMOS 工藝RF模型設(shè)計(jì)了工作于2.45GHz WLAN的功率放大器。通過自偏置技術(shù)的應(yīng)用，該功放工作在3V電源電壓下，其仿能指標(biāo)表明最大輸出功率可達(dá)24.5dBm，對(duì)應(yīng)的PAE達(dá)到40%，功率增益為23dB，適合無線b的系統(tǒng)應(yīng)用。

　　AMC7834器件是一款針對(duì)功率放大器（PA）偏置的高度集成，低功耗，模擬和控制解決方案，能夠?qū)�溫度，電流和電壓進(jìn)行。 該器件集成了一個(gè)多通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）;八個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）;四個(gè)高側(cè)電流感測(cè)放大器，可以選擇設(shè)置它們作為四個(gè)閉環(huán)漏極電流控制器的一部分;一個(gè)精確的片上溫度傳感器和兩個(gè)遠(yuǎn)程溫度二極管驅(qū)動(dòng)器;四個(gè)可配置的通用I /O端口（GPIO）;以及一個(gè)精確的內(nèi)部基準(zhǔn)。其高集成度極大地減少了組件數(shù)量，并且簡(jiǎn)化了PA偏置系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 該器件具有功能集成和寬工作溫度范圍等諸多優(yōu)勢(shì)，因此適合用作多通道射頻（RF）通信系統(tǒng)中PA的一體化，低成本偏置控制電。憑借靈活的DAC輸出范圍和寬共模電壓電流傳感器，此器件可用作針對(duì)多種晶體管技術(shù)（例如LDMOS，GaA和GaN）的偏置解決方案.AMC7834功能集對(duì)通用器和控制系統(tǒng)而言同樣有益。 儀器（TI）提供了一個(gè)完備的模擬和控制（AMC）產(chǎn)品系列，以滿足各類應(yīng)用不同的通道數(shù)，附加特性或者轉(zhuǎn)換器解決方案需求。更多信息，敬訪訪問。 特性 8個(gè)具有可編程范圍的單調(diào)性12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 4個(gè)雙極DAC...

　　DRV593和DRV594是高效率，高電流功率放大器，非常適合驅(qū)動(dòng)2.8 V至5.5供電系統(tǒng)中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個(gè)電感器和電容器用于輸出濾波器，從而節(jié)省了大量的印刷電板面積。脈沖寬度調(diào)制（PWM）操作和低輸出級(jí)導(dǎo)通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內(nèi)部受到熱和電流過載。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到大約128°C時(shí)，邏輯電平故障信號(hào)發(fā)出信號(hào)，以便在放大器內(nèi)部熱關(guān)斷電激活之前進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)關(guān)斷。當(dāng)發(fā)生過電流事件時(shí)，故障器也會(huì)發(fā)出信號(hào)。如果過流電跳閘，器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見應(yīng)用信息部分）。 根據(jù)系統(tǒng)要求，PWM開關(guān)頻率可設(shè)置為500 kHz或100 kHz。為消除外部元件，DRV593的增益固定為2.3 V /V.對(duì)于DRV594，增益固定為14.5 V /V. 特性 與DRV591相比，操作將輸出濾波器尺寸和成本降低50％ ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作：2.8 V至5.5 V 高效率產(chǎn)生更少熱量 過流和熱 故障燈過流，熱和欠壓條件 兩個(gè)可選擇的開關(guān)頻率 內(nèi)部或外部時(shí)鐘同步 針對(duì)EMI優(yōu)化的PWM方案

　　DRV593和DRV594是高效率，高電流功率放大器，非常適合驅(qū)動(dòng)2.8 V至5.5供電系統(tǒng)中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個(gè)電感器和電容器用于輸出濾波器，從而節(jié)省了大量的印刷電板面積。脈沖寬度調(diào)制（PWM）操作和低輸出級(jí)導(dǎo)通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內(nèi)部受到熱和電流過載。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到大約128°C時(shí)，邏輯電平故障信號(hào)發(fā)出信號(hào)，以便在放大器內(nèi)部熱關(guān)斷電激活之前進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)關(guān)斷。當(dāng)發(fā)生過電流事件時(shí)，故障器也會(huì)發(fā)出信號(hào)。如果過流電跳閘，器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見應(yīng)用信息部分）。 根據(jù)系統(tǒng)要求，PWM開關(guān)頻率可設(shè)置為500 kHz或100 kHz。為消除外部元件，DRV593的增益固定為2.3 V /V.對(duì)于DRV594，增益固定為14.5 V /V. 特性 與DRV591相比，操作將輸出濾波器尺寸和成本降低50％ ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作：2.8 V至5.5 V 高效率產(chǎn)生更少熱量 過流和熱 故障燈過流，熱和欠壓條件 兩個(gè)可選擇的開關(guān)頻率 內(nèi)部或外部時(shí)鐘同步 針對(duì)EMI優(yōu)化的PWM方案9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封裝 應(yīng)用 熱電冷卻器（TEC）驅(qū)動(dòng)器 激...

　　DRV591是一款高效率，高電流功率放大器，適用于驅(qū)動(dòng)2.8 V至5.5 V電源系統(tǒng)中的各種熱電冷卻器元件PWM工作和低輸出級(jí)導(dǎo)通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV591內(nèi)部具有熱和電流過載功能。邏輯電平故障器在結(jié)溫達(dá)到約130°C時(shí)發(fā)出信號(hào)，以便在放大器內(nèi)部熱關(guān)斷電激活之前進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)關(guān)斷。當(dāng)發(fā)生過電流事件時(shí)，故障器也會(huì)發(fā)出信號(hào)。如果過流電跳閘，DRV591會(huì)自動(dòng)復(fù)位（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見應(yīng)用信息部分）。 根據(jù)系統(tǒng)要求，PWM開關(guān)頻率可設(shè)置為500 kHz或100 kHz。為了消除外部元件，增益固定在大約2.3 V /V。 特性 ±3-A最大輸出電流 低電源電壓工作：2.8 V至5.5 V高效率產(chǎn)生的熱量 過流和過熱 過流，過熱和欠壓條件下的故障燈 兩種可選擇的開關(guān)頻率 內(nèi)部或外部時(shí)鐘同步 針對(duì)EMI優(yōu)化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 應(yīng)用 熱電冷卻器（TEC）驅(qū)動(dòng)器 激光二極管偏置 PowerPAD是儀器公司的商標(biāo)。 參數(shù) 與其它產(chǎn)品相比 TEC/激光 PWM 功率放大器   Vs (Min) (V) Vs (Max) (V) rDS(on) (Ohms) Output Current (Typ) (A) ...

　　上海馥萊電子是一家專業(yè)的射頻、微波和毫米波產(chǎn)品供應(yīng)商，攜手知名芯片設(shè)計(jì)公司Gotmic，提供W波...

　　CC2595是一款PA解決方案，可擴(kuò)展任何Zigbee或藍(lán)牙收發(fā)器的范圍。它是一款經(jīng)濟(jì)高效的高性能RF前端，適用于2.4 GHz頻段的低功耗和低電壓無線應(yīng)用。如果使用適當(dāng)?shù)耐獠吭�件，其單端RF輸入和輸出使其與任何制造商的收發(fā)器兼容。當(dāng)使用發(fā)送/接收（T /R）開關(guān)和平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器時(shí)，它可以與現(xiàn)有和未來的CC24和CC25收發(fā)器產(chǎn)品連接。 CC2595通過提供功率放大器來擴(kuò)展鏈預(yù)算，以提高輸出功率。它對(duì)高（+20 dBm）輸出功率非常有效，使其適用于電池供電系統(tǒng)。 CC2595包含PA和RF匹配，可用于高性能無線應(yīng)用的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。它采用3×3mm，16引腳QFN封裝，帶有裸露焊盤。 特性 低成本和小包裝 非常少的外部組件 2.0-V到3.6- V操作 掉電模式下小于1μA的電流消耗 低發(fā)送電流消耗 3 V時(shí)98 mA，+ 20.7 dBm輸出（PAE） = 40％） 符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的3×3毫米QFN-16封裝 參數(shù) 與其它產(chǎn)品相比 射頻增益塊放大器   Number of Channels (#) Frequency (Min) (MHz) Frequency (Max) (MHz) Noise Figure (Typ) (dB) P1dB (Typ) (dBm) Gain (Typ) (dB) Impedance Match...