基于65 nm工艺的E类功率放大器设计*

任 建，郭国发，张本全，郑艳娜

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

在5G毫米波通信技术的发展中，具有高效率和良好线性度的功率放大器对无线收发机至关重要。好的线性度和高的效率才能保证好的传输能力，基于这一点，近年来国内外学者对于功率放大器（PA）都取得了不错的研究进展。例如Daniel等人提出了一种cascode调制的CMOS工艺E类PA，采用0.18μm CMOS工艺，在2.2 GHz下输出，实现了功率18dBm，功率附加效率（PAE）仅达35%[1]。Nasser等人实现了一种高线性、高性能的推挽放大器，采用模拟和开关两部分，模拟提供所需要的线性度，开关保证整体的效率水平[2]。Alsuraisry等人提出了一种工作频率为5.3 GHz的高效率低成本E类功率放大器，通过选择一种RF的扼流电感，来实现在保持紧凑电路尺寸的同时来提高效率,可实现最大PAE也才42%[3]。针对现有研究的不足，在此通过65 nm CMOS工艺设计一款工作在5 GHz频率下的E类功率放大器。

2 理论与方法

如图1所示是一个传统的零电压式E类PA结构。它由NMOS功率管、并联电容、射频扼流圈、LC串联谐振网络和一个50Ω的交流负载所组成[4]。与D类、F类的功率放大器类似，MOS管可以等效为一个开关和电阻的串联，受输入信号控制。不考虑其它因素影响，漏极的输出电压与输入电流不会同时出现，理论上电

图1 传统零电压式E类功率放大器

源提供的功率将全部转化为输出功率。实际的电路典型效率会比D类和F类PA稍微大一些。电路中并联电容C0包括MOS管和寄生电容；射频电感L0足够大，可减小电流纹波和交流信号对直流供电电源的影响。LC串联谐振网络谐振在基频，起到对输出信号整流滤波的作用，保留基频信号分量并传输到交流电阻上，获得所需的功率。

输出LC串联谐振网络满足下式:

电感值越大，品质因数Q值就越高，选频特性就越好但带宽也越小；电感值越大，自谐振频率会越小，当自谐振频率小于要求的工作频率时，就会失去

电感特性，等效为一个电容。电路中射频电感与并联电容值分别由下二式决定：

3 电路设计与分析

3.1 E类PA整体电路设计

基于上述理论，设计在第一级采用三级级联的D类功率放大器作为驱动级，来实现功率管开关状态快速转换；第二级用自给偏置c ascode结构减小E类功率管的击穿电压。整体设计结构如图2所示。

图2 E类功率放大器整体电路图

为了使功率级MOS管能更好地工作在开关状态下，选取的驱动器需要将输入信号放大到足够大，并且将输入的正弦波信号转换成方波信号。本设计预期输出饱和功率要大于15 dBm，功率增益要大于15 dB。可知预期输出功率与功率增益是比较大的，单凭一级E类的功率放大器很难达到，因此采用两级放大器结构，以获得足够大的输出功率，再通过优化输入输出匹配，最终实现高增益、高效率及良好的线性度。

多增加一级功率放大器，会导致电路总功耗增加，影响电路的效率。本次设计中要求的输出功率比较大，而电路的功耗主要发生在功率级放大电路，所以相比驱动级的功耗就小很多，从而对整体电路的影响可忽略不计。同时，为了防止驱动级电路及功率级电路通过供电电路互相影响造成电路的不稳定，在设计中对功率级电路与驱动级电路分别采用Vdd1和Vdd2电源进行供电。

3.2 电路仿真与分析

设计中电源电压Vdd1与Vdd2为2.5 V，偏置电压Vbia为394.6 mV。使用Cadence软件Spectre进行仿真。S参数仿真结果如图3如示。在5 GHz下，测得小信号增益S21为46.5 dB；在1.6 GHz～5.5 GHz的频率范围内，该功放的增益均大于44 dB，表明设计具备良好的增益性能和平坦度。

图3 S参数仿真曲线

功放的效率是衡量放大器将直流电源消耗的功率转换为射频输出功率的能力。对功率附加效率PAE的仿真曲线如图4所示，E类PA的功率附加效率为46.5%左右，展现出对传统结构的性能提升。

图4 PAE仿真曲线

随着输入功率Pin的不断增加，PA的输出功率Pout在开始时呈线性增加，但当Pin增加到某一点时，Pout不再随Pin线性增加，而是得到压缩，直到进入饱和区，仿真曲线如图5。从仿真可知饱和输出功率值约为18.2 dBm。

图5 输出饱和功率仿真结果

将所设计PA的性能与相关文献的数据进行对比，对比结果如表1所示。从表中可以看出，65 nm CMOS工艺设计与其他工艺相比，在效率上具有一定的优势，输出饱和功率也较高。

表1 各文献设计性能对比

4 结束语

通过采用65 nm CMOS工艺设计了一种工作在5 GHz的E类功率放大器，为了使其具有良好的输出能力，改用驱动及电路和E类放大器组成两级放大，从而提高了功率放大器的增益。采用分别电源供电的形式，减小了主功率级和驱动级电路的影响，在保持电路稳定性的同时，也减小了损耗，提升了功率效率。所设计的E类PA最终达到了高的效率和增益，同时具有良好的线性度，对后续的PA研究具有一定的参考价值。