設計工作在245GHz WLAN的功率放大器
技術的迅速發展，對全集成、高性能、低成本的無線收發機的需求變得越來越迫切。而發射機系統中的一個關鍵模塊就是的功率損耗在發射機的總功耗中占有很大比例。于是一個高效率的CMOS 功率放大器的設計就顯得尤為重要。而隨著RF CMOS技術的不斷發展 ，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，能夠和基帶數字電相兼容。最終可以實現片上系統集成（SOC）。所以近年來對于Si的CMOS射頻集成電的研究成為國際上研究的熱點。
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。對于本文的無線局域網而言，由于要求具備高線性。所以兩級分別采用的是A和AB類放大模式。
一個典型的功率放大器一般包括輸入匹配網絡、晶體管放大電、級間匹配網絡、偏置網絡和輸出匹配網絡等 ，
對于功放而言，標準的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到2-3倍的電源電壓，這就給管子的柵氧化層帶來擊穿的。在設計PA時，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結構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。實際在共源共柵結構的放大器中，共柵晶體管是電壓擊穿和熱載流子效應的瓶頸。
所以本文采用了Cascode自偏置結構和厚柵器件，不僅可以改善深亞微米CMOS器件的低擊穿電壓，同時還可以減小熱載流子效應影響。圖3所示的傳統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。為了克服這個問題，圖4所示為自偏置Cascode結構放大電，該結構把M2管的漏端交流電壓Vd2引入到柵端Vg2上，使我們在設計功放時兩個MOS管盡可能有相同的最大漏柵電壓。所以，在熱載流子效應出現之前M2管有一個大的信號擺幅。對G2的偏置是通過Rb-Cb來實現的。圖6所示為M2管的Vd2對Vg2的電壓波形，其最大電壓差為1.4V。與傳統電比較降低了0.4V，所以自偏置的M2管的Vdg的電壓差相對傳統結構的M2管降低了23%。
如果Rb或cb增加，放大器的增益都會有所增加，但是通過電仿真后的電壓波形可知，若Rb或cb增加，導致Vg2的電壓擺幅的降低，從而漏端節點電壓波形將會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M1和M2管盡可能有相同的柵漏信號擺幅，同時也力求在增益和線性之間有個較好的折中來確定。
對于本文的無線局域網應用而言，由于采用的恒包絡調制，要求具備高線性，所以本功率放大器第一級工作在A類，第二級工作在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行了較好的折中。
為了達到功放的設計要求，由于高頻下單級放大器不能實現預定的功率增益指標，所以采用兩級放大結構。如圖7所示，第一級采用共源共柵結構，在提供合適的電壓增益的同時 ，提高了前后級電的隔離度，為匹配提供了便利條件。第二級采用的是厚柵的共源結構以承受更高的電源電壓。主體分為以下幾個部分：（1） C1、C2、L1為輸入匹配，片內實現，使電的輸入端與50Ω端口匹配。
L3為第一級放大電的扼流電感，考慮到功放中流過的電流很大，片外實現。（2） M1與M2為驅動級。（3） C5、C6、L4為級間匹配網絡，除了兩級之間匹配外，還可以用于調整放大電的增益平坦度［5］。（4） M3為功率級。（5） C8、C9、L7構成∏型輸出匹配網絡，能夠有效偶次諧波分量，實現最佳負載匹配［6］。為了減少損耗，輸出匹配網絡C8、C9、L7和扼流電感L6也采用片外實現。（6） CMOS的接地電感對放大器的增益和效率有很大影響，所以在電仿真時把鍵合線和pad的寄生效應一起考慮了。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狀態，非線性效應非常顯著，因此設計放大器電時，小信號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的信號范圍內，該功放的增益有22dB。在1dB功率增益壓縮點處輸出功率為22dBm，相應的PAE為30.4%。圖9為功放的S11參數隨頻率的變化曲線dB所以輸入匹配基本達到設計要求。
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有：輸出三階交接點約為29 dBm;穩定因子K在工作頻段內有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。本版圖設計主要考慮了以下幾個方面的問題：
（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的方式來避免發生電遷移。（2）接地鍵合線的寄生電感嚴重影響各級電的功率輸出。所以，為了使接地鍵合線寄生電感盡量小，設置多個對地焊盤并引出多條鍵合線）對于高頻信號線 ，盡量采用頂層和上層金屬 ，且最好遵循最短信號線的原則用于減少寄生
采用SMIC 0.18um CMOS 工藝RF模型設計了工作于2.45GHz WLAN的功率放大器。通過自偏置技術的應用，該功放工作在3V電源電壓下，其仿能指標表明最大輸出功率可達24.5dBm，對應的PAE達到40%，功率增益為23dB，適合無線b的系統應用。
AMC7834器件是一款針對功率放大器（PA）偏置的高度集成，低功耗，模擬和控制解決方案，能夠對溫度，電流和電壓進行。 該器件集成了一個多通道12位模數轉換器（ADC）;八個12位數模轉換器（DAC）;四個高側電流感測放大器，可以選擇設置它們作為四個閉環漏極電流控制器的一部分;一個精確的片上溫度傳感器和兩個遠程溫度二極管驅動器;四個可配置的通用I /O端口（GPIO）;以及一個精確的內部基準。其高集成度極大地減少了組件數量，并且簡化了PA偏置系統設計。 該器件具有功能集成和寬工作溫度范圍等諸多優勢，因此適合用作多通道射頻（RF）通信系統中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，此器件可用作針對多種晶體管技術（例如LDMOS，GaA和GaN）的偏置解決方案.AMC7834功能集對通用器和控制系統而言同樣有益。 儀器（TI）提供了一個完備的模擬和控制（AMC）產品系列，以滿足各類應用不同的通道數，附加特性或者轉換器解決方案需求。更多信息，敬訪訪問。 特性 8個具有可編程范圍的單調性12位數模轉換器（DAC） 4個雙極DAC...
DRV593和DRV594是高效率，高電流功率放大器，非常適合驅動2.8 V至5.5供電系統中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個電感器和電容器用于輸出濾波器，從而節省了大量的印刷電板面積。脈沖寬度調制（PWM）操作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內部受到熱和電流過載。當結溫達到大約128°C時，邏輯電平故障信號發出信號，以便在放大器內部熱關斷電激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時，故障器也會發出信號。如果過流電跳閘，器件會自動復位（更多詳細信息，請參見應用信息部分）。 根據系統要求，PWM開關頻率可設置為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 高效率產生更少熱量 過流和熱 故障燈過流，熱和欠壓條件 兩個可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案
DRV593和DRV594是高效率，高電流功率放大器，非常適合驅動2.8 V至5.5供電系統中的各種熱電冷卻器元件V.器件的操作僅需要一個電感器和電容器用于輸出濾波器，從而節省了大量的印刷電板面積。脈沖寬度調制（PWM）操作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在內部受到熱和電流過載。當結溫達到大約128°C時，邏輯電平故障信號發出信號，以便在放大器內部熱關斷電激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時，故障器也會發出信號。如果過流電跳閘，器件會自動復位（更多詳細信息，請參見應用信息部分）。 根據系統要求，PWM開關頻率可設置為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 高效率產生更少熱量 過流和熱 故障燈過流，熱和欠壓條件 兩個可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封裝 應用 熱電冷卻器（TEC）驅動器 激...
DRV591是一款高效率，高電流功率放大器，適用于驅動2.8 V至5.5 V電源系統中的各種熱電冷卻器元件PWM工作和低輸出級導通電阻可顯著降低放大器的功耗。 DRV591內部具有熱和電流過載功能。邏輯電平故障器在結溫達到約130°C時發出信號，以便在放大器內部熱關斷電激活之前進行系統級關斷。當發生過電流事件時，故障器也會發出信號。如果過流電跳閘，DRV591會自動復位（更多詳細信息，請參見應用信息部分）。 根據系統要求，PWM開關頻率可設置為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 兩種可選擇的開關頻率 內部或外部時鐘同步 針對EMI優化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 應用 熱電冷卻器（TEC）驅動器 激光二極管偏置 PowerPAD是儀器公司的商標。 參數 與其它產品相比 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的射頻、微波和毫米波產品供應商，攜手知名芯片設計公司Gotmic，提供W波...
CC2595是一款PA解決方案，可擴展任何Zigbee或藍牙收發器的范圍。它是一款經濟高效的高性能RF前端，適用于2.4 GHz頻段的低功耗和低電壓無線應用。如果使用適當的外部元件，其單端RF輸入和輸出使其與任何制造商的收發器兼容。當使用發送/接收（T /R）開關和平衡 - 不平衡轉換器時，它可以與現有和未來的CC24和CC25收發器產品連接。 CC2595通過提供功率放大器來擴展鏈預算，以提高輸出功率。它對高（+20 dBm）輸出功率非常有效，使其適用于電池供電系統。 CC2595包含PA和RF匹配，可用于高性能無線應用的簡單設計。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 低發送電流消耗 3 V時98 mA，+ 20.7 dBm輸出（PAE） = 40％） 符合RoHS標準的3×3毫米QFN-16封裝 參數 與其它產品相比 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...
