2．4GHz 0．35-μm CMOS全集成线性功率放大器设计

摘要：片上系统射频功率放大器是射频前端的重要单元。通过分析和对比各类功率放大器的特点，电路采用SMIC0．35-μmCMOS工艺设计2．4 GHz WLAN全集成线性功率放大器。论文中设计的功率放大器采用不同结构的两级放大，驱动级采用共源共栅A类结构组成，输出级采用共源级大MOSFET管组成。电路采用SMIC 0．35-μm RF CMOS模型用Candence公司的spectreRF工具进行模拟。根据模拟结果，设计的CMOS射频功率放大器工作稳定，在3．3 V工作电压下，1dB压缩点输出功率约为25 dBm，输入功率0 dBm时，输出功率为25．22 dBm。
关键词：无线局域网；稳定性；负栽线匹配；稳定性技术

    CMOS工艺由于低功耗，相对其他工艺简单，在数字电路设计中优势明显。近年来，由于CMOS工艺的提高，特征尺寸不断减小，截止频率已经达到几十赫兹，完全能满足RFIC的设计，应用CMOS工艺设计射频模拟电路成为可能。由于模拟CMOS工艺与数字CMOS工艺兼容，极大地降低了射频模拟设计的成本。随着无线通信的发展，运行于2．4 GHz的ISM频段的无线局域网WLAN得到迅速发展。基于IEEE 802．11b标准的无线局域网由于其11 Mb／s的高传速率满足了当前主流用户的要求，发展尤为迅速。由于应用CMOS工艺设计射频模拟集成电路成本的降低和客户的大量需求，用CMOS工艺实现RFIC设计成为近年来国际上的研究热点。
    随着CMOS工艺的发展，特征尺寸不断减小，CMOS器件的高频性能得到了提高，同时也给RFIC设计带来了一些挑战，如氧化层击穿电压降低，电流驱动能力变弱，衬底耦合严重等。虽然在一个发射机中，低噪声放大器、振荡器、混频器已经解决了采用CMOS技术的集成问题，但功率放大器的集成问题已成为制约单片集成发射机设计的主要因素。从耐压性能考虑，晶体管氧化层耐压能力的降低，降低了输出级电压的摆幅；电子驱动能力的变弱降低了漏极电流数值；另外功率放大器的功耗也是限制其难以集成的原因。

1 射频功率放大器设计
    射频功率放大器分线性和非线性放大器。非线性放大器的效率高，但线性度差，而且结构复杂。本设计采用线性的A类放大器结构，电路简单，线性度好，有利于设计出稳定工作的功率放大器。设计要求电路能够在2．4GHz中心频率，带宽为100 MHz，在输入功率为0dBm时，输出功率20 dBin，输入反射系数S11<-10dB。
1．1 输入匹配网络设计
    由于晶体管输入阻抗是复数，为了实现输入阻抗与信号源阻抗匹配，必须进行输入匹配网络设计。综合考虑输入级晶体管和偏置电路的影响，本设计输入匹配网络采用T形匹配网络，通过仿真，输入端反射系数达到S11<-14dB。
1．2 输出匹配网络设计
    由于CMOS晶体管受最大承受电压和最大输出电流的限制，为了充分利用电压源提供功率的能力，输出匹配网络采用负载线匹配技术，如图1所示。分析射频功率放大器的性能要求，确定晶体管最大输出电流，根据晶体管的性能确定最大输出电压。本次设计首先通过计算确定负载线电阻的大概取值，然后经参数扫描确定最优负载线电阻，以此负载线电阻确定输出匹配网络各个参数。经过优化负载线电阻为6Ω。输出匹配网络采用L匹配。

1．3 级间匹配网络设计
    本设计采用A类单端两级放大结构实现，第一级采用共源共栅结构，共源共栅级特点是高电压增益，第二级采用共源结构，共源级特点是大摆幅，根据各级电路特点，分配功率增益；然后根据功率分配确定第一级的最优输出负载和第二级的最优输入负载。通过测试输入级的输出最优负载为160Ω，输出级的最优输入阻抗为10Ω，以此为条件设计级间匹配网络。
1．4 稳定性设计
   由于集成电容和集成电感以及寄生电容的影响，集成电路在某些条件下形成自激，通过仿真为电路绘制稳定性圆，以此为依据修改电路图。修改后仿真稳定性参数，Kf>1。仿真参数如图2所示。进行稳定设计后，输入0 dBm功率信号时，输出功率为25．22dBm。

2 射频放大器电路结构设计
    本射频功率放大器采用两级设计，电路如图3所示。第一级的共源共栅结构是模拟电路中常采用的一种电路设计技术，它能大幅提高输出阻抗，很大程度上提高电压增益，降低输入级的Miller效应，提高输入和输出的隔离度，降低晶体管击穿电压的压力，但此结构在一定的击穿电压和供电电压的情况下，降低了输出电压摆幅。第二级采用共源结构实现功率放大，这种结构可以充分利用大电压摆幅，降低对输出电流的要求，一定程度上减少晶体管的直流损耗。

    在放大电路中NM1、NM2、L1、C1构成第一级放大，M1、M2组成共源共栅结构，L1在低频时提供直流偏置，在高频时与C1谐振，形成高阻抗。如果要L1与M2漏极寄生电容和后级输入电容谐振，L1无法片上集成，再者电路整体性能变差。L3、L4、C3构成T形匹配网络，提供合理的S11参量，C4起到两级电路间交流耦合的作用，L5、C5是级间匹配网络，提供级间最佳功率传输。NM3、L2、C2构成输出级，提供大功率输出，L2、C2在高频时谐振，提供高输出阻抗。由于L2只与M3漏极寄生电容谐振，L2很大，占用芯片面积较大，所以另加电容C2，以减少L2的量值。C6是隔直电容，L6、C7是输出匹配网络，提供最优输出功。
2．1 前仿结果
    使用Candence公司的SpectreRF软件对电路进行仿真，在2.4 GHz中心频率上，在1 dB功率增益压缩点，输出功率为25．0469dBm，如图4所示；输入0dBm功率信号，输出功率为252.2dBm，如图5所示；稳定因子Kf在工作频段内大于3；输入反射系数S11<-14。

2．2 版图结构
    版图在Cadence环境下设计完成。版图设计是制造集成电路的基础，在高频集成电路设计中，版图设计的好坏直接影响电路生产的成品率及可靠性。好的设计不但本身很少带来不可靠因素，而且对于工艺上难以避免的问题，也可预防或减弱其影响。本次设计版图主要考虑以下几个方面的问题：1)功率放大器的输出晶体管栅宽尺寸很大，为了减少栅极电阻和栅极电容对电路性能的影响，MOS管选用并联和叉指布局设计；2)功率放大器输出级晶体管流过的电流很大，为了避免对周围其他器件的影响，在输出管周围用隔离环进行隔离；3)由于输出级的电流很大，输出级金属线采用多层金属，以此来减少流过金属线的电流，避免金属线过宽产生的寄生效应；4)在系统布局上，将输入信号置于左边，输出信号置于右边，从而减少高频输入信号和输出信号之间的相互影响。
2．3 后仿结果
    利用Candence公司的SpectreRF软件对版图提取的参数进行后仿真，在2．4 GHz频率0 dBm输入功率时，输出功率为23 dBm在1 dB功率增益压缩点，输出功率为21．36 dBm，在工作频段内稳定因子Kf>6，在2．4 GHz处，Kf>10,，比较前后仿真数据，输出功率和漏极功率效率都有所下降，这是由于晶体管、电感、电容寄生参数，以及衬底耗散的影响，使功率输出没有达到最优。

3 结论
    利用漏极寄生电容与射频扼流电感谐振，这样电感量很大，占用的芯片面积增加，为了减少芯片面积，用一电容与射频扼流电感并联，在工作频段内谐振，以提供大阻抗。为了避免放大器发生自激现象，通过稳定圆仿真，确定在相应的电极加适当电阻。
    在3．3 V电源电压下，通过负载线技术，最大化利用晶体管的耐压能力和驱动电流能力；优化输入级的输出电阻和输出级的输入电阻，通过级间匹配网络，达到级间最佳功率传输；基于输入阻抗为复数的特点，利用电感与寄生电容的谐振产生纯输入电阻，以此电阻为前提，设计输入匹配网络，最后设计的匹配网络为T形匹配网络。
    采用SMIC 0．35-μm CMOS射频工艺，完成了2．4 GHz功率放大器的设计。应用Candence公司的SpectreRF软件对电路进行后仿真，输入0 dBm功率信号，输出功率为23 dBm。稳定因子在工作频段内Kf>6，B1f>0，可实现全集成并工作于短距离小功率射频收发系统中。