一种自偏置预失真线性功率放大器

陈 波,张海鹏,许生根,齐瑞生

(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)

0 引 言

随着无线通信的快速发展,对于全集成CMOS射频收发系统的需求越来越大。在射频电路中,功率放大器占据着非常重要的角色,因为它消耗了整个电路中绝大部分功耗。一个好的功率放大器不仅更加节能,增加待机时间,而且能提高整个系统的性能。由于高速数字无线传输在多媒体中应用,正交频分复用技术——像WiFi等标准变得非常的流行。而正交频分复用技术(OFDM)要求无线电收发机具有非常高的线性度。功率放大器的线性度和效率存在着一个折中的关系,很难同时做到高线性度和高效率的功率放大器。CMOS射频功率放大器有两个主要的缺陷,一个是热载流子效应[1],另一个是氧化层击穿[2,3]。这两个问题都随着工艺尺寸变小而变得更严重。本次采用SMIC 0.18μm的CMOS工艺设计了一款中心频率为2.4GHz的功率放大器。该功率放大器采用共源——共栅结构,并且在共栅MOS管栅端采用自偏置电压技术,可以有效的防止氧化层击穿和热载流子效应,同时采用预失真技术,增加了功率放大器的线性度。

1 预失真电路

1.1 预失真电路概述

根据功率放大器不同的失真原因,发明了许多不同种类的预失真电路。其中一种方法是通过在功率放大器的输入端加一个非线性电容[4],从而增加电路的线性度。另一种方法是通过在输入端并联几个偏置在不同电压的MOS管[5]。

1.2 预失真电路设计

随着输入功率的增加,功率放大器增益会出现压缩,从而导致了功率放大器在输入功率较大时信号出现失真。本次设计是针对该现象提出的一种预失真电路,如图1所示。该电路从VS点向M1的源端看过去相当于一个可变电阻Rds和一个电容CS并联,可变电阻Rds随着输入功率的增加而增加。可以算出该电路的S21为:

式中,Z0大小为50Ω,是电路的特征阻抗,S21随着Rds增加而增加。而Rds随着电路的输入功率增加而增加,VS点电压也会升高。通过ADS的HARMONIC BALANCE对该电路的仿真可以看出VS点的电压和该电路增益随着输入功率的变化趋势,如图2所示,该预失真电路的增益随着功率的增加而增加,并且VS升高。而作为整个电路的偏置电压时,VS升高会提高电路的增益,从而提高了压缩点附近的线性度。

图1 预失真电路

图2 电压VS和增益随着输入功率的变化趋势

2 自偏置技术

用深亚微米CMOS工艺来设计功率放大器一直存在许多挑战,特别是氧化层击穿和热载流子效率带来的限制,而且这两种问题会随着工艺技术的进步而变得越来越严重。标准的0.18μm CMOS工艺的MOS管最大的栅漏电压为2.0V,击穿电压大约为4.0V。

自偏置Cascode结构如图3所示,随着Vd2升高,Vg2也将跟着升高。通过改变R1、C1的值,可以使图3中M1和M2的栅漏之间的信号摆幅相等。这样可以推导出自偏置电路的传递函数H(s)为:

式中,Cgs2为M2的栅源电容。当R1或C1增加时,放大器的增益都会有所增加。但是R1或C1改变会改变M1和M2的栅漏信号摆幅,也会造成漏端节点电压波形在输入功率较低的情况下就开始失真。所以R1和C1的值不仅要根据确保M1和M2管尽可能有相同的栅漏信号摆幅,同时也力求在增益和线性之间有个较好的折中的要求来确定。通过ADS瞬态仿真得到的M1和M2的栅漏的信号摆幅如图4所示。由图4可知,M1和M2管的栅漏的信号摆幅基本相同。

图3 自偏置Cascode结构

图4 ADS瞬态仿真得到的M1和M2的栅漏信号摆幅

3 完整的电路设计

本次设计的功率放大器的完整电路如图5所示。功率放大器采用两级放大电路结构,并且都采用共源共栅结构,在提供适当的增益同时,降低Miller电容的影响,提高了前后级电路的反向隔离度。M 1,M2为第一级功率放大器,采用共源共栅结构,它工作在A类,主要起提高增益的作用;同时A类放大器拥有非常好的线性度,所以第一级提高了整个功率放大器的增益的同时也没有降低太多的线性度。M 3,M4为第二级功率放大器,第二级也采用共源共栅结构,不过第二级工作在AB类。因为AB类放大器具有较好的线性度,同时也具有较高的效率。C1,C2,L3,为输入匹配电路,C8,L4为输出匹配电路,C9,L5为谐振电路,它可以抑制各次谐波。R2,C3,R6,C6为反馈电路,它们使电路稳定的工作。L1,L2为两个大电感,起遏制交流的作用。

通过ADS对该电路的小信号从1到3.5GHz仿真的数据如图6所示。在2.4GHz时,S21大约在24.4dB,S11和S22分别大约为-60dB和-19dB,反向隔离度S12大约为-36dB。可以看出该功率放大器在输入输出都得到了很好的匹配,同时,反向隔离也非常的好。

图5 功率放大器的完整电路

图6 功率放大器的S参数

传统和线性化后的功率放大器增益和输出功率仿真结果的比较如图7所示。传统功率放大器是没有经过预失真处理的放大器。由图可知传统和线性化后的功率放大器在输入小的信号功率时,它们的增益是一样的。但是随着输入信号功率的增加,传统功率放大器的增益很快下降,而线性化功率放大器的增益基本保持不变。线性化功率放大器的1dB压缩点的输出功率为22.5dBm,同时该点的PAE是25.1%。

由图7可知,传统功率放大器在输入功率为-10dBm,增益就开始下降,造成AM-AM效应,从而导致了放大器的线性度变差。而经过线性化的功率放大器在输入功率-1dBm之前的增益基本上没变化,从而使放大器在输入大功率时候的线性度也不比输入功率较小的时候差。图8为对传统和线性化功率放大器的IMD3。IMD3是基波和三阶交调分量的差,它越小说明放大器线性度越好。由图可见,经过线性化后的功率放大器具有比传统功率放大器小的IMD3,这也说明了预失真电路有改善线性度的作用。

图7 增益和输出功率的仿真结果

图8 IMD3仿真结果

4 结束语

本次采用预失真线性化方法和自偏置电路技术,设计了一款基于SMIC 0.18μm工艺的两级共源共栅自偏置预失真线性功率放大器。经Agilent的ADS软件对该两级共源共栅自偏置预失真线性功率放大器进行仿真,证实工作在2.4GHz下的该功放的大信号增益约为23dB,1dB压缩点的输出功率为22.5dBm,此时的PAE是25.1%。该两级共源共栅自偏置预失真线性功率放大器相对传统的功率放大器拥有较好的线性度。可以运用于高速数字无线传输等。

[1] Tirdad Sowlati,Domine M W Leenaerts.A 2.4GHz 0.18μm CMOS self-biased cascode power amp lifier,[J]ieee journal of solid-state circuits,2003,38(8):1 318-1 324.

[2] Zhang H P,Ma L J,Wei T L,etal.Experimental Research on TF SOICMOS Ring Oscillator with EM NMOSFET and AM PMOSFET Assemb lies at High Temperature[C]//In Proc.Of the 16th IEEE IPFA,2009,pp.447-450.

[3] Zhang H P,Jiang Lifei,Sun Lingling,et al.A novel SOILDMOS with a Trench Gate and Field Plate and Trench Drain for RF applications[C]//In Proc.Of ISCIT2007,2007,pp.34-39.

[4] Wang CZ,yanathanm y,Larson l e.A Capacitance-Compensation Technique for Improved Linearity in CMOSClass-AB Power Ampli?ers[J].ieee journal of solid-state circuits,2004,39(11):1 927-1 936.

[5] Kim Bonkee,Ko Jin-Su,and Lee Kwyro,A New Linearization Technique forMOSFETRF Amplifier Using Multip le Gated Transistors,ieeem icrowave and guided waveletters,2000,10(9):371-373.