0.18 μm CMOS高效高增益功率放大器设计

张海鹏，汪 洋，李 浩

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

射频功率放大器是无线发射机中的核心模块之一，在根据设计要求保证一定的效率和线性度的情况下，要求输出大功率给外部负载。功率放大器通常是无线收发机中功耗最大的模块，为了降低功耗，延长电池寿命，要求它具有较高的效率。此外，随着通信技术的发展，信道容量急剧增加，许多无线通信系统都采用了幅度/相位组合调制技术，功率放大器在输出大功率时要防止发生幅度失真，这就对功率放大器的线性度提出了很高的要求。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］，另一个是栅介质层击穿［2］。这两个问题都随着工艺尺寸变小而变得更严重［3］。标准的0.18 μm CMOS工艺的晶体管最大的栅漏间电压为2V，击穿电压在4V左右。在功率放大器中，管子漏端的直流与交流电压之和可能达到两倍乃至三倍的电源电压，管子有发生栅介质层击穿的危险［4］。本文采用了两级自偏置共源共栅结构，可以有效防止栅介质层击穿和热载流子效应。

1 自偏置结构

传统共源共栅结构放大电路如图1(a)所示。M1作为共源管，M2作为共栅管。射频信号从M1管的栅极G1输入，M2管的栅极接一个电压Vdd为2.4V的直流电压源。在最大输出功率的情况下，D2端的电压波动的峰值为1.5Vdd。在这种结构中，晶体管M1的栅漏电压摆幅较小，这是因为D1的电压值一直低于G2的电压值，其差值等于M2管的栅源电压。因此，电源电压受限于M2的击穿电压。其仿真结果如图1(b)所示。在这次仿真中，电源电压为2.4V，工作频率为2.4GHz。为了克服这个问题，引入了一种自偏置共源共栅结构如图2(a)所示。该结构把节点D2交流电压VD2通过一个Rb-Cb阻容网络耦合到节点G2，有利于在设计功放时确保两个MOS管尽可能有相同的最大栅漏电压摆幅。对G2的偏置是通过调整Rb－Cb来实现的。这样，既保证了M2管有一个大的信号摆幅，又能够避免M2管出现热载流子效应。

M2管的VD2和VG2的电压波形如图2(b)所示，其最大电压差为1.3V。与图1(b)中传统电路的最大电压差2.0V比较降低了0.7V，所以自偏置M2管的VDG电压差相对传统结构的M2管降低了约35%。

自偏置共源共栅结构虽然能够消除高压击穿的可能，但是Rb-Cb值的确定至关重要，它们对电路的线性度和增益有一定的影响，该结构的小信号等效电路如图3所示［5］。

图1 传统共源共栅放大器结构及瞬态仿真波形

图2 自偏置共源共栅放大器结构及瞬态仿真波形

图3 自偏置共源共栅结构的小信号等效电路图

根据图3中的自偏置共源共栅结构小信号等效电路等效电路，可以得到关于Vgs2的方程组:

同理，也可以得到关于Vg2的方程组:

联立两个方程组求解可以得到电压增益表达式:

从式3可知，如果Rb或Cb增加，放大器的增益都会有所增加，但是通过电路仿真后的电压波形可知，若Rb或Cb增加，导致Vg2的电压摆幅降低，从而漏端节点电压波形将会在输入功率较低的情况下就开始失真。所以Rb和Cb的值不仅要依据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度之间有个较好的折中。

2 完整的电路拓扑结构及分析

本次设计的功率放大器的完整电路及其S参数特性如图4所示。功率放大器由两级电路构成，每一级都采用自偏置共源共栅结构，在提供适当增益的同时，提高了前后级电路的隔离度，为阻抗匹配提供了便利条件。晶体管M1和M2为驱动级，其栅宽分别设置为0.6mm和0.3mm，M3和M4为功率输出级，其栅宽分别设置为2mm和1.5mm。按照微米设计规则，所有器件的栅长都为0.18 μm。其中，C1、C2、C3为输入匹配电路，L4、C4为输出匹配电路。

图4 功放电路结构及S参数仿真结果

图4(b)中的仿真结果表明，在 2.4GHz时，S21大约在 31dB，S11和 S22分别为 －70dB和 －20.35dB。

电路在2.4GHz时的1dB压缩点、输出功率、功率增益以及功率附加效率的仿真结果如图5、6所示。从图5中可以看出，功率放大器的输出功率在输入为－11.3dBm的时候开始压缩，此时1dB压缩点的输出功率为20.5dBm。从图6中可以看出，功率放大器的小信号功率增益为32dB，最大输出功率为23dBm，功率附加效率达到49%。

图5 1dB压缩点仿真结果

图6 两级自偏置共源共栅结构功放

3 结束语

设计的功率放大器采用Cadence SpectreRF软件进行模拟和优化。一种自偏置共源共栅的拓扑结构电路在本次设计中得到了采用，用以减小晶体管的热载流子效应。电路仿真结果显示，在2.4V电源电压下，电路的输出功率达到20.3dBm，功率增益为32dB，对应的功率附加效率为49%，满足指标要求。

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

［2］ Zhang H P，Ma L J，Wei T L，et al.Experimental Research on TF SOI LDMOS Ring Oscillator with EM NMOSFET and AM PMOSFET Assemblies at High Temperature［C］.Suzhou:International Symposium on Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits，2009:447 －450.

［3］ Zhang H P，Jiang Lifei，Sun Lingling，et al.A novel SOI LDMOS with a Trench Gate and Field Plate and Trench Drain for RF applications［C］.Sydney:International Symposium on Communications and Information Technologies，2007:34 －39.

［4］ 陈波，张海鹏，许生根，等.一种自偏置预失真线性功率放大器［J］.杭州电子科技大学学报，2010，30(6):1－4.

［5］ 赵明付.2.4GHz CMOS功率放大器设计［D］.杭州:杭州电子科技大学，2009:33－35.