線性化的X波段CMOS低功耗高效率功放

劉江帆 朱華 曹誠(chéng) 夏青 王哲 李昱冰 李秀萍

【摘? 要】設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段的高效率高線性度的寬帶功率放大器。應(yīng)用并聯(lián)共源共柵結(jié)構(gòu)減小三階交調(diào)和三次諧波分量。應(yīng)用體偏置技術(shù)，提高了功放的功率附加效率，降低了功耗。結(jié)合反饋技術(shù)，輸入端采用雙諧振網(wǎng)絡(luò)，拓展了帶寬。仿真結(jié)果表明，該功率放大器具有33%的相對(duì)帶寬，14.5 dBm的飽和輸出功率，PAEmax達(dá)到45%，輸入三階交調(diào)點(diǎn)為6 dBm，同時(shí)功耗僅為28.5 mW。

【關(guān)鍵詞】功率放大器;并聯(lián)共源共柵;雙諧振;體偏置

1? ?引言

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)要求所有的組件集成在一塊芯片上，CMOS器件具有較低的擊穿電壓和較大的襯底損耗，因此設(shè)計(jì)CMOS功率放大器非常具有挑戰(zhàn) [1]。傳統(tǒng)的功放設(shè)計(jì)主要考慮輸出功率，而在無(wú)線傳感器應(yīng)用中，更重要的是高效率和低功耗[2]。通常，效率與線性度需要權(quán)衡，因此線性化技術(shù)得到了廣泛的研究[3]。此外，各種帶寬拓展技術(shù)也被用來(lái)設(shè)計(jì)寬帶功放[2，4]。本文將設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗高效率的寬帶功率放大器。

2? ?整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的X波段功率放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示。M1、M2是主放大器，A1、A2是輔助放大器，構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，Rf、Cf是反饋回路上的電阻和隔直電容，L1、C1、L2、C2構(gòu)成了輸入端的雙諧振網(wǎng)絡(luò)，L3、C3構(gòu)成了輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)。

3? ?功率放大器的性能分析

如圖1所示，功率放大器由并聯(lián)的兩路共源共柵級(jí)放大器組成，輸出端電流為M2和A2漏端的電流疊加，設(shè)VGS值為直流偏置電壓，vgs為信號(hào)電壓，忽略三階以上的分量，每一路電流都可以展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)表示：

選擇合適的Vbias和Vbiasau值，使主放大器M1偏置在AB類，輔放大器A1偏置在深A(yù)B類，且G3，M=-G3，A，根據(jù)式（2）和式（3），放大器三階交調(diào)和三次諧波分量都將被抑制。仿真結(jié)果顯示，輸入三階交調(diào)點(diǎn)達(dá)到6 dBm，三次諧波分量小于-60 dBc，如圖2和圖3所示。

如圖1所示，該功放加入了負(fù)反饋技術(shù)，可以調(diào)整功放柵極的輸入阻抗，更易匹配。輸入端L1和C1并聯(lián)諧振，L2和C2串聯(lián)諧振，產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，增加匹配帶寬，輸出端在8.5 GHz、10.5 GHz、12 GHz分別load-pull，選擇等效率圓重合的最佳阻抗值由L3和C3進(jìn)行匹配，從而將增益帶寬拓展到8.7 GHz～12 GHz，M2和A2運(yùn)用體偏置技術(shù)，源極與襯底相連，降低了閾值電壓Vth，提高功放增益和效率，在10.5 GHz時(shí)，PAEmax達(dá)到45%，如圖4和圖5所示。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的功放各項(xiàng)性能參數(shù)（仿真）與其它文獻(xiàn)的對(duì)比如表1所示。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)功放設(shè)計(jì)中線性度與效率以及帶寬與增益之間的矛盾進(jìn)行了分析，最終得出采用非線性抵消技術(shù)能夠線性化功率放大器的結(jié)論。采用體電壓偏置技術(shù)能夠降低功耗，提高功率附加效率，采用雙諧振技術(shù)能拓展匹配帶寬，采用寬帶load-pull技術(shù)能拓展增益帶寬，采用負(fù)反饋能提高1 dB壓縮點(diǎn)功率以及拓展帶寬，這些技術(shù)對(duì)功放的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Seungwon Park， Sanggeun Jeon. A full X-band CMOS amplifier with wideband class-E harmonic matching[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2015，57（3）： 645-649.

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