一種應用于NB?IoT通信的高線性CMOS功率放大器

摘" 要： 為滿足復雜的NB?IoT通信調制模式對功率放大器輸出線性度的要求，提出一種面向NB?IoT通信應用的700～900 MHz高線性度CMOS功率放大器（PA）。該放大器采用兩級結構，工作于AB類放大狀態，驅動級和輸出功率級分別采用自偏置的共源共柵結構和共源放大器結構，驅動級為功率級提供大的電壓輸出擺幅。為提高線性度，采用二極管線性化偏置技術改善晶體管輸入電容的非線性導致的增益壓縮和相位失真現象，將輸出1 dB壓縮點提升3.2 dB。采用65 nm/1.2 V CMOS工藝完成電路版圖設計，整體放大器的版圖尺寸為0.68 mm×1 mm。仿真結果表明，在700～900 MHz工作頻帶內，功率放大器的小信號增益大于19 dB，輸入反射系數S11小于等于-12 dB，功率附加效率（PAE）峰值為29.6%，輸出1 dB壓縮點為22.7 dBm。所提出的功率放大器電路具有高線性度、低功耗、小尺寸的特點，可有效滿足NB?IoT通信并用于700～900 MHz頻段內射頻信號功率放大的應用需求。

關鍵詞： 功率放大器； NB?IoT通信； 線性度； 自偏置共源共柵結構； 增益壓縮； 1 dB壓縮點；" PA電路版圖

中圖分類號： TN722?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）02?0035?06

A high linearity CMOS power amplifier for NB?IoT communication

ZHANG Jiakang， LIU Bo， ZHANG Liwen， LUO Yixin， HOU Linbing

（Henan University of Science and Technology， College of Information Engineering， Luoyang 471023， China）

Abstract： In order to meet the requirements of complex NB IoT communication modulation modes for power amplifier output linearity， a high linearity CMOS power amplifier （PA） at 700～900 MHz for NB?IoT communication applications is proposed. In this amplifier， a two?stage topology is adopted， and is operated at class AB amplification state. The self?biased common?source common?gate structure and common?source amplifier structure are adopted at the driver stage and the output power stage， respectively. The driver stage can provide large voltage output swing for the power stage. In order to improve linearity， the diode linearized bias technology is used to improve the gain compression and phase distortion caused by the nonlinearity of the input capacitance of the transistor， and the output 1 dB compression point is increased by 3.2 dB. The circuit layout design is completed by means of 65 nm/1.2 V CMOS technology， and the layout size of the overall amplifier is 0.68 mm × 1 mm. The simulation results show that， at 700～900 MHz work frequency band， the small signal gain of the power amplifier is greater than 19 dB， the input reflection coefficient S11 is less than or equal -12 dB， the peak value of power added efficiency （PAE） is 29.6%， and the output 1 dB compression point is 22.7 dBm. The proposed power amplifier circuit has the characteristics of high linearity， low power consumption， and small size， which can effectively meet the application requirements of NB?IoT communication and RF signal power amplification in the 700～900 MHz frequency band.

Keywords： power amplifier; NB?IoT communication; linearity; self?biased common?source common?gate structure; gain compression; 1 dB compression point; PA circuit layout

0" 引" 言

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）版本14提出了兩個用于物聯網通信應用的低功耗廣域網（LPWAN）標準：窄帶物聯網（NB?IoT）和LTE?M，同時定義了用于NB?IoT通信的最大輸出功率[1?2]為14 dBm。該標準提出了面向NB?IoT通信的多個信號通信頻帶范圍，其中700～900 MHz頻段是目前全球部署的常規物聯網中應用最為廣泛的頻段之一。

作為無線通信系統中前端接發機的核心部件，功率放大器（PA）對整機系統的通信性能和待機時間起到了決定性的作用。此外，愈發復雜的NB?IoT通信調制模式對功率放大器的輸出線性度有更嚴苛的要求，因此，高線性PA設計技術也成為了研究熱點[3?6]?！?br>