CMOS伪差分E类射频功率放大器设计

摘要 分析了E类功放的非理想因素，其中着重分析寄生电感对系统性能的影响，采用伪差分E类功放结构有效地抑制寄生电感的影响。最后基于理想的设计方程和Load Pull技术，采用0．18μmCMOS工艺，设计出高效率的差分E类功率放大器。在电源电压1．8 V，温度25℃，输入信号O dBm条件下，具有最大输出功率26．1 dBm，PAE为60．2％。
关键词 伪差分E类；射频功率放大器；Load pull技术；寄生电感；CMOS

    E类功率放大器是一种高效率的功率放大器，在理想情况下，它可以达到100％的效率。在这种功率放大器中，功率管的驱动电压幅度必须足够强，使得输出功率管相当于一个受控的开关，在完全导通(晶体管工作于线性区)和完全截止(晶体管工作于截止区)之间瞬时切换。由于流过理想开关的电流波形和开关上的电压波形没有重叠，理想开关不消耗功耗，电源提供的直流功耗都转换为输出功率，将达到100％的效率。
    本文针对蓝牙系统，设计时考虑寄生电感的影响，采用TSMC 0．18μm CMOS工艺设计出了一个差分E类功率放大器，有效地抑制了寄生电感对系统性能的影响，同时给出了设计方法和设计过程。

1 理想射频E类功放工作原理及设计方程
    晶体管E类功率放大器由单个晶体管和负载网络等组成。在激励信号作用下，晶体管工作在开关状态。当晶体管饱和导通时，漏端电压波形由晶体管决定，即由晶体管的导通电阻决定。当晶体管截至时，漏端电压波形由负载网络的瞬态响应所决定。
    E类功率放大器要保持高效率，其负载网络的瞬态响应必须满足以下3个条件：(1)晶体管截至时，漏端电压必须延迟到晶体管“开关”断开后才开始上升。(2)晶体管导通时，漏端电压必须为零。(3)晶体管饱和导通时，漏端电压对时间的导数必须为零。
    根据上述3点，具体分析E类功率放大器工作原理及其电路参数的计算。图l为E类功率放大器的电路原理图，其中Cd为MOS管寄生电容与片上电容的和，L1 为高频扼流圈。L0，C0为串联谐振网络，Rload为等效负载。当晶体管饱和导通时，漏端电压为零，由于负载网络的影响，电流Ld(ωt)有一个上升和下降的过程。当晶体管截至时，漏端电压则完全由负载网络所决定。图2所示为理想E类功放漏端电压和电流时域波形，由图可知所以Id(ωt)与 Vds(ωt)不同时出现，使放大器效率趋近于100％，该效率主要由负载网络参数最佳设计来实现的。


    由文献可求得图1所示电路中各个元件的值，即
   
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2 射频CMOS E类功率放大器非理想因素分析
    分析了理想功放的设计方程，有载QL的选择，负载网络元器件的选取等，但是这些理论基础都建立在理想情况下，而在实际设计中，必须考虑非理想的因素。非理想因素有多种：
    (1)寄生电感的影响。
    (2)有限的Chock电感。
    (3)NMOS开关管有限的导通电阻。
    (4)NMOS管寄生电容Cd的非线性。
    (5)负载网络的有限Q值。
    (6)功率放大器阻抗匹配网络的损耗。
    其中寄生电感对功放的设计结果影响最大，因此将着重分析寄生电感的产生及其改进措施。
    寄生电感分析与改进措施
    功率放大器在实际应用中有3个主要的寄生源，分别为RF电路板、封装和IC。具体表现在输出级源级到地的寄生电感，它对功率放大器的输出功率、PAE、稳定性等产生巨大的影响。寄生电感可以分为以下3个方面：
    (1)在IC级，功率放大器一般用通孔结构或者键合线联接到衬底地。在实际应用中，可使用多线键合减小地电感。
    (2)在封装级，通常用接到封装底部的接地片，或通过封装引线架的地连接实现接地。可用各种方法调整引线架，以减小地电感。
    (3)在RF电路板级的地连接一般用通孔接到电路板中间层的专门接地平板。接地的质量由物理特性和与系统地的连接好坏确定。
    接电源(地)的封装线对电路的影响与高速电路中同步开关噪声原理相似。交流电流在封装线上引起的感应电势为
  
    其中，Le为电源和地封装线的总等效电感。假设当Le=1 nH，交流电流幅度i为300 mA时，即可达300 mV，如果电感和寄生电容发生谐振，振荡信号的幅度会更高，必然会对输出信号形成干扰。电源(地)封装线对电路的另一影响是信号或其谐波可能引起振荡，这些影响是很难通过在电源和地之间接并联大耦合电容得到抑制的。因此采用合理的电路结构才能减轻寄生电感对系统的影响。

3 射频CMOS E类功率放大器设计
    功率放大器的输出级是电路最关键、最复杂的部分，因为它的输出是芯片射频接口，除了器件的非线性特性外，还必须要考虑Pad、输出功率管漏端到地的寄生电感、封装结构、输出电压摆幅、MOS器件击穿和输出端口的阻抗匹配等多种因素的影响。在这些因素中，输出功率管漏端到地的寄生电感对功放性能影响最严重，包括键合线电感、PCB板级电路寄生电感等的影响。键合线电感的经验值是1 nH／mm，可以并联大量的键合线来减少键合线电感值，但是很难控制其精度，有文献在仿真时仅加入0．4 nH的电感模拟这些寄生量，但是从测试结果分析来看，寄生电感远不只0．4 nH，因此取1．5 nH来模拟功率管源端到地的寄生电感量。
3．1 应用理想方程的功放级设计
    功放内核电路如图3所示，采用伪差分E类功率放大器，为简化分析过程，分析右半边电路图，L5为片上平面螺旋电感，L6，L7，Ls为键合线电感。输出级为E类功放，Choke电感L6阻止交流信号通过，并给晶体管提供直流电流Idc。反馈网络Cs和Rs增强功率放大器的稳定性和降低输出电压驻波比。 L7、C3组成一个串联LC网络，包括一个谐振网络和部分剩余电感，当该谐振网络的品质因子足够高时，流过该网络的电流为理想的正弦型信号，所有的谐波成分都被滤除。并联电容Cs由两部分组成，一部分是晶体管的寄生电容，另一部分是实际引入的电容。


    在设计之初，先利用理想设计方程，估算E类功率放大器的各个参数，再采用谐波平衡法(Harmonic Balance)适当地调整参数。其中Pout=24 dBm，电源电压VDD=1．8 V，取Qt=5，根据之前给出的设计方程得出

  
    以上参数选取依赖于理想设计方程参数，只考虑到最佳负载为实部的情况，考虑到一些非理想因素，利用ADS软件，采用Load Pull技术适当地调整参数。
3．2 应用Load Pull技术的功放级设计
    在功放级设计中，如何使输出功率最大化是最主要的设计目标。
    基本思路是通过CAD技术进行Load Pull仿真确定最佳的源和负载阻抗。所谓的Load Pull仿真，就是在负载阻抗很大范围内扫描，逐点作谐波平衡分析计算出输出功率，在圆图上画出等功率圆。因此根据设计目标的输出功率，就能在圆图上找到与之对应的一系列的输出阻抗。同样的原理，可以画出等PAE的圆，折中考虑输出功率，PAE和负载网络的有载QL等就能确定最佳阻抗。
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4 仿真结果与分析
    根据负载牵引仿真结果得到负载的最佳阻抗值，下面就是采用适当的匹配形式(集总参数或分布参数)实现输出匹配网络，并将该输出匹配网络加入到电路中进行源负载牵引仿真，以便得到源的最佳输入阻抗。
    这样通过两次负载牵引得到最佳输入输出阻抗，并选择适当的匹配电路将50 Ω变化到所需的阻抗。图4结果表明，将负载匹配到31+j24时，该结构具有最大输出功率26．78 dBm，最大PAE为60．56％。采用L型匹配网络实现输入、输出阻抗的匹配。


    表1的Load Pull结果是有一定条件完成的，其前级驱动信号并不是理想的开关信号，而是输入信号为O dBm，经过Cascode驱动级放大后的信号。利用理想设计方程得到的结果比较差的原因是，得出理想方程的假设条件和实际应用条件不一样，具体有：
    (1)驱动信号并不是理想的具有足够驱动能力的占空比为50％的方波信号。
    (2)仿真时在输出级功率管的源端加入了1．5 nH的寄生电感。
    (3)RFC电感并不是无穷大。
    (4)输出级功率管的导通电阻并不为O，需要一定的导通时间。
    (5)负载谐振网络Q值也是有限的。

5 结束语
    分析比较了CMOS工艺和GaAs工艺的优缺点，以及设计过程中所要考虑的非理想因素，着重分析寄生电感的产生，对功放性能的影响，以及如何抑制寄生电感对功放的影响。最终采用理想设计方程和Load Pull技术，基于0．18μm CMOS工艺实现了一个差分的E类功放，ADS仿真结果表明采用差分结构较好地抑制了漏端电感对功率放大器性能的影响，提高功放的PAE，为实现单片集成发射机奠定了基础。