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2.5 GHz高线性度瓦级CMOS功率放大器的设计

时间:2015-11-21  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

功率电感着CMOS工艺节点越来越小,可提供的电源电压也越来越小,但是MOS管的阈值电压并没有随之下降,这样为了增加PA的输出功率必须采用更大尺寸的MOS管,导致功率和面积增加。为了增加PA的输出功率,功率合成器广泛应用于CMOS PA的设计[2,4-6],同时实现阻抗变换、差分信号转单端信号、静电保护等功能。根据输入信号接入形式,片上功率合成器可以分为串联和并联两种形式,其中串联功率合成器实现电流相加,并联功率合成器实现电压相加[4]。功率最大传输效率Gmax用来衡量功率合成器的性能:

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图 1所示功率合成器用来实现两个子放大器的输出电压相加,其三维几何结构如图 2所示,总面积大小为1 360 μm×450 μm,合成器的主线圈和次线圈均采用半圆结构,线圈宽30 μm,线间距3 μm。基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺参数,采用电磁仿真软件Momentum对该合成器进行仿真,仿真结果如图3所示,该功率合成器在2.5 GHz的功率传输效率达到82%。

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3 二次谐波短路

为了提高PA的线性度,系统级的数字预失真(DPD)[8]、电路级的偏置电路[4]、器件级的预失真[2]等技术被广泛应用于PA的设计,但是由于设计的复杂度,系统级和电路级的设计不免带来芯片面积和功耗的增加。DPD一般将PA的幅度和相位非线性参数存储查找表(LUT)中,LUT中的参数可以根据PA的实际测量结果更新,然后提供一个与PA相反的非线性特性,但是DPD需要复杂的基带处理算法,直接导致芯片面积和功耗的增加,同时还需要完整的预失真系统级设计,增加了PA的设计难度。作为一种器件级的线性度提高技术,PMOS补偿技术一般用来抵消NMOS栅端电容随栅端电压的变大而下降,使得NMOS栅端电容基本不随栅端电压摆幅变化,降低PA的相位失真,但是PMOS管的加入会导致功率增益下降[2]。

本设计采用器件级的二次谐波短路技术,串联的LC网络大功率电感器生产厂家谐振在两倍工作频率(5 GHz),接在差分功率放大器的共模节点:共栅管的栅端和功率合成器主线圈的中间节点(如图4所示),减小二次谐波因反馈存在和基频产生的交调失真。二次谐波短路对PA线性度的提高程度如图5所示,三次谐波交调失真(IMD3)用来衡量PA的线性度,在图4所示的节点加上二次谐波短路电路之后,IMD3最高达到7 dB的提升,对PA的线性度改善明显。

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4 仿真结果

首先对该PA进行小信号S参数仿真,扫描频率范围1.5 GHz~3.5 GHz,仿真结果如图 6所示。图中可以看到输入回波损耗S11达到-25 dB,输入阻抗在2.5 GHz完全匹配,S21达到25 dB,说明电路整体在2.5 GHz谐振,参数取值合理。

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然后对PA进行大信号仿真,2.5 GHz单频点信号接在PA输入端,输入功率扫描范围-25 dBm~5 dBm,仿真PAE、输出功率和功率增益如图7所示,该PA最高输出功率达到31.8 dBm,最高PAE为32.9%,功率增益为19.5 dB。采用功率合成器可以实现瓦级输出功率,为高输出功率的CMOS PA提供了一种非常有效的解决方案,降低了系统的设计难度。

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最后,为了对该PA的线性度进行仿真,两路频率相差5 MHz的双声信号(2.502 5 GHz和2.497 5 GHz)同时接在PA的输入端,同样对输入功率进行扫描,仿真IMD3和五次谐波交调失真(IMD5)如图 8所示,其中IMD3在输出功率等于20 dBm时为-40 dBc, IMD5在输出功率等于26 dBm时为-40 dBc。虽然IMD3和IMD5存在一定程度的不对称,可能导致相邻信道抑制比(ACPR)和误差相量幅度(EVM)的下降,但是对线性输出功率并不会产生明显影响,而且这一问题可以采用其他线性度提高技术来解决。

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