共源共柵CMOS功率放大器效率的提高方案

　　1 共源共柵電感的工作機(jī)理

　　本次功率放大器設(shè)計(jì)中使用到共源共柵(Cascode)結(jié)構(gòu)，這種共源共柵管的源極存在著較大的寄生電容，這在本次5.25GHz功率放大器的設(shè)計(jì)中是不得不考慮的。由模擬電路知識(shí)可知：如果電路中有電容，那么電路上的信號(hào)就要對(duì)電容進(jìn)行充放電。所以共源共柵管源極的寄生電容就要從電源汲取電流進(jìn)行充放電，這樣勢(shì)必增加了額外的功耗，從而降低了功率放大器的效率。

　　如果給這些寄生電容提供一種能量交換渠道，使其盡可能少地從電源處汲取電流，那么就會(huì)降低這些寄生電容對(duì)功率放大器效率的影響。根據(jù)對(duì)模擬電路的基本認(rèn)識(shí)，不難想到可以引入電感，電感和寄生電容之間可以進(jìn)行能量的交換，從而減少了寄生電容對(duì)電源處電流的依賴，也就減少了額外功耗，會(huì)在一定程度上提高功率放大器的效率。圖1是上述思想的具體實(shí)現(xiàn)，中間的共源共柵電感是一個(gè)對(duì)稱型電感，可以拆成兩個(gè)電感量相同的電感，他們的電感量是該對(duì)稱型電感的一半。加入輸入信號(hào)后，電感與共源共柵管的源極寄生電容會(huì)發(fā)生諧振，進(jìn)行能量的交換，這就降低了寄生電容充電時(shí)對(duì)電源處電流的依賴程度。

　　本次A類兩級(jí)功率放大器設(shè)計(jì)，原理圖中第一級(jí)加入了共源共柵電感，第二級(jí)并未添加，主要是從版圖面積的角度考慮的，因?yàn)殡姼性谛酒兴加玫拿娣e比其他元件都要大很多。此外，在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)，有意將原理圖中一個(gè)共源共柵電感拆分成兩個(gè)電感，這是為了提高電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，從而有利于功率放大器的整體性能，關(guān)于這一點(diǎn)，將在后面的版圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行分析。

　　圖1共源共柵電感的應(yīng)用

　　2 功率放大器設(shè)計(jì)

　　放大電路如圖2所示，電路結(jié)構(gòu)為差分形式，采取兩級(jí)放大，分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)。驅(qū)動(dòng)級(jí)采用差分的共源共柵(Cascode)結(jié)構(gòu)，可以提供適當(dāng)?shù)碾妷涸鲆?輸出級(jí)也是差分的共源共柵結(jié)構(gòu)，在提供一定的電壓增益的同時(shí)，還提供輸出功率，這種結(jié)構(gòu)可以提高功放輸出電壓的擺幅，從而降低對(duì)MOS管最大電流能力的要求，提高功放的效率。兩級(jí)之間采用的耦合電容Cp和Cn在提高隔離度的同時(shí)起到級(jí)間阻抗匹配的作用。電感Lp1、Lp2、Ln1、Ln2用作負(fù)載，電感Lnp用來抵消源極寄生電容對(duì)功放效率的影響，其中Lp1、Ln1和Lnp采用工藝庫(kù)里的片上螺旋電感來實(shí)現(xiàn)，而Lp2和Ln2可以采用高Q值的鍵合線電感實(shí)現(xiàn)，這樣可以有效提高功放的增益，當(dāng)然只要工藝條件允許，在對(duì)增益要求不是很高的情況下，也可以采用工藝庫(kù)里的片上螺旋電感來實(shí)現(xiàn)。單路輸入信號(hào)經(jīng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào)Vpin和Vnin,放大后的兩路信號(hào)Vpout和Vnout經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成一路信號(hào)送至天線。其中，輸入匹配采用共軛匹配以達(dá)到最大增益，輸出匹配采用功率匹配以輸出最大功率，都是以簡(jiǎn)單的LC匹配網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)形式，通過高頻輔助設(shè)計(jì)軟件ADS中的Smithchart來設(shè)計(jì)。

　　圖2 兩級(jí)A類放大電路結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真結(jié)果

　　圖3為輸出功率與功率增益的仿真結(jié)果，可以看出，輸入1dB壓縮點(diǎn)(IP1dB)-9dBm對(duì)應(yīng)的輸出1dB壓縮點(diǎn)(OP1dB)為19.7dBm;功率增益接近30dB,一般來說，功率增益達(dá)到25dB,就算是較高的增益了，所以本方案的A類功率放大器的增益還是比較理想的。

　　圖3 輸出功率與功率增益

　　功率附加效率是功率放大器設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的指標(biāo)，用來表征功率放大器的效率，關(guān)系到電池的使用壽命。本次所設(shè)計(jì)的是A類功率放大器，為線性功率放大器，所以功率附加效率不會(huì)高，但是通過對(duì)電路的改進(jìn)，還是可以將功率附加效率提高一點(diǎn)。圖4是對(duì)功率附加效率的仿真結(jié)果，將電路不加共源共柵電感與加共源共柵電感對(duì)功率附加效率的影響進(jìn)行了對(duì)照，可以看出，電路改進(jìn)后，功率附加效率為17.985%,比電路改進(jìn)前的15.975%提高了2個(gè)百分點(diǎn)，雖然不是很高，但至少說明了共源共柵電感的作用，以后對(duì)于線性功率放大器效率的提高來說，添加共源共柵電感就是一個(gè)很好的思路，不過，共源共柵電感用得不好的話，就很容易浪費(fèi)芯片的面積，得不償失。

　　圖4 電路改進(jìn)前后功率附加效率的對(duì)照

　　4 版圖設(shè)計(jì)

　　本次功率放大器版圖設(shè)計(jì)使用臺(tái)積電0.18umCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為Cadence公司的Virtuoso版圖設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)行環(huán)境為linux操作系統(tǒng)。

　　設(shè)計(jì)中采用了差分對(duì)，差分對(duì)的元件數(shù)量是同等情況下單端電路的兩倍，所以差分對(duì)的版圖面積大約都是單端電路的兩倍。人們希望輸入差分信號(hào)能夠被無失真的放大和傳輸，也就是說，輸入是純差分信號(hào)的話，輸出也必須是純差分信號(hào)，為此，在版圖設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，要特別注意對(duì)稱性的設(shè)計(jì)。

　　圖5給出了A類功率放大器的版圖，信號(hào)由左端輸入右端輸出，Vpin、Vnin為輸入差分信號(hào)，Vpout、Vnout為輸出差分信號(hào)，Vpb1、Vnb1為第一級(jí)放大器電路的偏置電壓引出端，Vpb2、Vnb2為第二級(jí)放大器電路的偏置電壓引出端，電源電壓引出端Vdd分布于整個(gè)版圖的上下兩邊，接地端gnd分布于整個(gè)版圖的左圖5A類功率放大器版圖右兩邊。縱觀整個(gè)版圖，做到了對(duì)稱性設(shè)計(jì)，面積約為1.3mm×1.3mm。

　　圖5 A類功率放大器版圖

　　5 總結(jié)

　　采用臺(tái)積電0.18umCMOS工藝設(shè)計(jì)了中心頻率在5.25GHz的功率放大器，其中使用了共源共柵電感對(duì)功率放大器電路進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上提高了功率放大器的效率，仿真得出的性能參數(shù)也正說明了這點(diǎn)，基本能夠滿足WLAN802.11a系統(tǒng)在5.15GHz~5.25GHz和5.25GHz~5.35GHz兩個(gè)頻段的要求。