2．4GHz 0．35-μm CMOS全集成線性功率放大器設(shè)計(jì)

摘要：片上系統(tǒng)射頻功率放大器是射頻前端的重要單元。通過分析和對比各類功率放大器的特點(diǎn)，電路采用SMIC0．35-μmCMOS工藝設(shè)計(jì)2．4 GHz WLAN全集成線性功率放大器。論文中設(shè)計(jì)的功率放大器采用不同結(jié)構(gòu)的兩級放大，驅(qū)動級采用共源共柵A類結(jié)構(gòu)組成，輸出級采用共源級大MOSFET管組成。電路采用SMIC 0．35-μm RF CMOS模型用Candence公司的spectreRF工具進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)的CMOS射頻功率放大器工作穩(wěn)定，在3．3 V工作電壓下，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率約為25 dBm，輸入功率0 dBm時(shí)，輸出功率為25．22 dBm。
關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；穩(wěn)定性；負(fù)栽線匹配；穩(wěn)定性技術(shù)

CMOS工藝由于低功耗，相對其他工藝簡單，在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中優(yōu)勢明顯。近年來，由于CMOS工藝的提高，特征尺寸不斷減小，截止頻率已經(jīng)達(dá)到幾十赫茲，完全能滿足RFIC的設(shè)計(jì)，應(yīng)用CMOS工藝設(shè)計(jì)射頻模擬電路成為可能。由于模擬CMOS工藝與數(shù)字CMOS工藝兼容，極大地降低了射頻模擬設(shè)計(jì)的成本。隨著無線通信的發(fā)展，運(yùn)行于2．4 GHz的ISM頻段的無線局域網(wǎng)WLAN得到迅速發(fā)展?；贗EEE 802．11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)由于其11 Mb／s的高傳速率滿足了當(dāng)前主流用戶的要求，發(fā)展尤為迅速。由于應(yīng)用CMOS工藝設(shè)計(jì)射頻模擬集成電路成本的降低和客戶的大量需求，用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)RFIC設(shè)計(jì)成為近年來國際上的研究熱點(diǎn)。
隨著CMOS工藝的發(fā)展，特征尺寸不斷減小，CMOS器件的高頻性能得到了提高，同時(shí)也給RFIC設(shè)計(jì)帶來了一些挑戰(zhàn)，如氧化層擊穿電壓降低，電流驅(qū)動能力變?nèi)?，襯底耦合嚴(yán)重等。雖然在一個發(fā)射機(jī)中，低噪聲放大器、振蕩器、混頻器已經(jīng)解決了采用CMOS技術(shù)的集成問題，但功率放大器的集成問題已成為制約單片集成發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的主要因素。從耐壓性能考慮，晶體管氧化層耐壓能力的降低，降低了輸出級電壓的擺幅；電子驅(qū)動能力的變?nèi)踅档土寺O電流數(shù)值；另外功率放大器的功耗也是限制其難以集成的原因。

1 射頻功率放大器設(shè)計(jì)
射頻功率放大器分線性和非線性放大器。非線性放大器的效率高，但線性度差，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用線性的A類放大器結(jié)構(gòu)，電路簡單，線性度好，有利于設(shè)計(jì)出穩(wěn)定工作的功率放大器。設(shè)計(jì)要求電路能夠在2．4GHz中心頻率，帶寬為100 MHz，在輸入功率為0dBm時(shí)，輸出功率20 dBin，輸入反射系數(shù)S11-10dB。
1．1 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
由于晶體管輸入阻抗是復(fù)數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)輸入阻抗與信號源阻抗匹配，必須進(jìn)行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。綜合考慮輸入級晶體管和偏置電路的影響，本設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用T形匹配網(wǎng)絡(luò)，通過仿真，輸入端反射系數(shù)達(dá)到S11-14dB。
1．2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
由于CMOS晶體管受最大承受電壓和最大輸出電流的限制，為了充分利用電壓源提供功率的能力，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用負(fù)載線匹配技術(shù)，如圖1所示。分析射頻功率放大器的性能要求，確定晶體管最大輸出電流，根據(jù)晶體管的性能確定最大輸出電壓。本次設(shè)計(jì)首先通過計(jì)算確定負(fù)載線電阻的大概取值，然后經(jīng)參數(shù)掃描確定最優(yōu)負(fù)載線電阻，以此負(fù)載線電阻確定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)各個參數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化負(fù)載線電阻為6Ω。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用L匹配。

1．3 級間匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用A類單端兩級放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，第一級采用共源共柵結(jié)構(gòu)，共源共柵級特點(diǎn)是高電壓增益，第二級采用共源結(jié)構(gòu)，共源級特點(diǎn)是大擺幅，根據(jù)各級電路特點(diǎn)，分配功率增益；然后根據(jù)功率分配確定第一級的最優(yōu)輸出負(fù)載和第二級的最優(yōu)輸入負(fù)載。通過測試輸入級的輸出最優(yōu)負(fù)載為160Ω，輸出級的最優(yōu)輸入阻抗為10Ω，以此為條件設(shè)計(jì)級間匹配網(wǎng)絡(luò)。