2016年電子技術(shù)應(yīng)用第5期 

作者：李 紅，賀章擎，徐元中

摘  要： 設(shè)計了一個工作頻率高達20 GHz、最高輸出功率23.4 dBm的CMOS功率放大器（PA），該PA由兩級放大器組成，采用全差分Cascode電路結(jié)構(gòu)。PA的輸入、級間、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)均采用片上變壓器實現(xiàn)，實現(xiàn)單端輸入、單端輸出，功率合成器用來提高PA的輸出信號擺幅。該PA基于 TSMC 0.18 μm CMOS工藝模型進行設(shè)計，采用Agilent ADS軟件進行PA性能仿真和片上變壓器的設(shè)計，版圖仿真結(jié)果表明：在20 GHz頻段內(nèi)，PA的輸入、輸出完全匹配（S11=-13.85 dB、S22=-10.94 dB），小信號增益S21達到21.5 dB，芯片面積僅為0.56 mm2。

0 引言

    隨著人們對無線數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，無線收發(fā)器的工作頻率需要相應(yīng)地上升，以實現(xiàn)寬帶高速通信網(wǎng)絡(luò)，如已成功應(yīng)用于智能手機的60 GHz收發(fā)器的短距離無線傳輸速率超過4 Gb/s。高頻毫米波無線收發(fā)器早期采用分立元件設(shè)計，具有難度大、成本昂貴和質(zhì)量大等缺陷，不適用于目前智能設(shè)備的應(yīng)用。

    CMOS作為IC制作的主流工藝，常用于不同頻率范圍的無線收發(fā)器設(shè)計[1]。頻率越高，收發(fā)器需要采用更小節(jié)點的CMOS工藝，0.18 μm節(jié)點處MOSFET管的最高工作頻率為53 GHz，65 nm MOSFET的最高工作頻率為250 GHz。CMOS工藝節(jié)點下降，MOSFET管可承受的交流電壓擺幅也相應(yīng)變小，對無線收發(fā)器中功率放大器(Power Amplifier，PA)的影響最大，因為PA通常需要處理大信號，MOSFET管可承受電壓擺幅的大小決定了PA的輸出功率。所以，如何基于CMOS工藝設(shè)計一個高頻、高輸出功率的PA是一個難點。

    本文基于TSMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝設(shè)計了一個工作頻率達到20 GHz的PA，該PA采用全變壓器耦合的結(jié)構(gòu)，輸出端采用功率合成器實現(xiàn)兩路子PA的輸出信號相加，增大PA的輸出功率。版圖仿真結(jié)果表明，該PA的輸出功率可達23.4 dBm，效率為20.1%，芯片面積僅為0.56 mm2。

1 20 GHz PA的電路結(jié)構(gòu)

    本文所提出的PA電路如圖1所示，采用兩級放大器結(jié)構(gòu)，放大器均為全差分Cascode電路增大PA的增益，避免諧波信號的干擾。射頻信號經(jīng)過輸入變壓器耦合至驅(qū)動級的輸入端，經(jīng)過放大后由級間功分器輸出4路信號至功放級，功放級放大后的信號輸入至功率合成器，最后輸出至負載RL。

    輸入變壓器將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號，驅(qū)動級共源MOS管的柵端偏置電壓從變壓器的次級線圈接入；級間功分器將兩路輸入信號轉(zhuǎn)為四路差分信號輸出，變壓器的主線圈作為驅(qū)動級電源電壓VDD_DA輸入節(jié)點，次級線圈作為功放級共源MOS管的柵端偏置電壓接入點；輸出功率合成器的作用與級間功分器正好相反，變壓器的主線圈作為功放級電源電壓VDD_PA輸入節(jié)點，考慮到功放級的電流較大，在設(shè)計功率合成器時需要重點考慮金屬耐流。下面詳細介紹以上無源器件的實現(xiàn)。

2 無源器件的設(shè)計

    無源器件是20 GHz CMOS PA的關(guān)鍵模塊，其設(shè)計直接影響PA的性能，該PA包括以下3個無源器件：輸入變壓器、級間功分器和輸出功率合成器。為了增加金屬耐流，變壓器、功分器和合成器均采用超厚頂層金屬M6作為主線圈，金屬層M5作為次線圈，主、次線圈垂直堆疊，增加線圈間的耦合，同時減小器件尺寸，3個無源器件的面積分別為：100×174 μm2、150×120 μm2、150×400 μm2，如圖2所示。

    圖3所示為應(yīng)用于20 GHz CMOS PA中的片上無源器件的效率仿真結(jié)果，可以看到，在20 GHz處，變壓器、功分器和合成器的效率分別為：89.1%、86.8%和84.1%。其中效率計算公式如式(1)所示[2]：

3 20 GHz PA的版圖設(shè)計

    圖4所示為20 GHz CMOS PA的版圖，面積為0.65×0.86 μm2，射頻輸入、輸出端均采用截距為100 μm的GSG(Ground-Signal-Ground)焊盤，其中射頻焊盤S采用高隔離度、低寄生電容的設(shè)計[3]，降低片上損耗。MOSFET管的版圖也進行了優(yōu)化設(shè)計，降低寄生電容和電阻，提高MOSFET的性能。為了保證芯片充分接地，襯底接觸孔填充于空白處，電源、接地總線繞版圖四周，方便接線。

4 PA的仿真結(jié)果與分析

    基于TSMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝模型對20 GHz PA進行版圖仿真，結(jié)果如圖5~圖7所示。圖5所示為S參數(shù)的仿真結(jié)果，20 GHz處，S11=-13.85 dB、S12=-56.8 dB、S21=21.5 dB、S22=-10.94 dB。圖6所示為單聲大信號的仿真結(jié)果，掃描輸入功率范圍-30~10 dBm，20 GHz PA的最高輸出功率Psat為23.4 dBm，功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)為20.1%，輸出1 dB壓縮點20.43 dBm，功率增益為21.4 dB。圖7所示為PA的諧波分量，可以看到，所提電路結(jié)構(gòu)對諧波分量的抑制均大于40 dB，線性度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

    基于TSMC 0.18 μm 1P6M RFCMOS工藝設(shè)計了一個工作頻率為20 GHz的PA，采用變壓器耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)射頻信號傳輸和阻抗匹配。高效率的片上無源器件優(yōu)化了PA的整體性能，功率合成器用以提高PA的輸出功率。所設(shè)計20 GHz CMOS PA的最高輸出功率可達23.4 dBm，20.1% PAE，芯片面積僅為0.56 mm2，可應(yīng)用于下一代無線移動通信系統(tǒng)。

參考文獻

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