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)計中是不得不考慮的。由模擬電路知識可知：如果電路中有電容，那么電路上的信號就要對電容進(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，那么就會降低這些寄生電容對功率放大器效率的影響。根據(jù)對模擬電路的基本認(rèn)識，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電源處電流的依賴，也就減少了額外功耗，會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對稱型電感，可以拆成兩個電感量相同的電感，他們的電感量是該對稱型電感的一半。加入輸入信號后，電感與共源共柵管的源極寄生電容會發(fā)生諧振，進(jìn)行能量的交換，這就降低了寄生電容充電時對電源處電流的依賴程度。

　　本次A類兩級功率放大器設(shè)計，原理圖中第一級加入了共源共柵電感，第二級并未添加，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)計時，有意將原理圖中一個共源共柵電感拆分成兩個電感，這是為了提高電路結(jié)構(gòu)的對稱性，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

　　放大電路如圖2所示，電路結(jié)構(gòu)為差分形式，采取兩級放大，分別為驅(qū)動級和輸出級。驅(qū)動級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，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MOS管最大電流能力的要求，提高功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp和Cn在提高隔離度的同時起到級間阻抗匹配的作用。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功放效率的影響，其中Lp1、Ln1和Lnp采用工藝庫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，在對增益要求不是很高的情況下，也可以采用工藝庫里的片上螺旋電感來實(shí)現(xiàn)。單路輸入信號經(jīng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成兩路信號Vpin和Vnin,放大后的兩路信號Vpout和Vnout經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成一路信號送至天線。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)計軟件ADS中的Smithchart來設(shè)計。

　　圖2 兩級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)計中一個很重要的指標(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高，但是通過對電路的改進(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功率附加效率的影響進(jìn)行了對照，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照

　　4 版圖設(shè)計

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

　　設(shè)計中采用了差分對，差分對的元件數(shù)量是同等情況下單端電路的兩倍，所以差分對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能夠被無失真的放大和傳輸，也就是說，輸入是純差分信號的話，輸出也必須是純差分信號，為此，在版圖設(shè)計過程當(dāng)中，要特別注意對稱性的設(shè)計。

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

　　圖5 A類功率放大器版圖

　　5 總結(jié)

　　采用臺積電0.18umCMOS工藝設(shè)計了中心頻率在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兩個頻段的要求。