设计工作在245GHz WLAN的功率放大器

　　技术的迅速发展，对全集成、高性能、低成本的无线收发机的需求变得越来越迫切。而发射机系统中的一个关键模块就是的功率损耗在发射机的总功耗中占有很大比例。于是一个高效率的CMOS 功率放大器的设计就显得尤为重要。而随着RF CMOS技术的不断发展 ，使得基于Si CMOS工艺的射频集成在GHz频段上的性能上有了很大的提高，而且它具有高集成度、低功耗、低成本的特点，能够和基带数字电相兼容。最终可以实现片上系统集成（SOC）。所以近年来对于Si的CMOS射频集成电的研究成为国际上研究的热点。

　　功率放大器通常分为线性和非线性两大类，线性放大器有四种： A、B 、AB和 C，它们的主要差别在于栅极偏置情况不同，这类传统的功率放大器具有较高的线性度，但效率较低;非线性放大器主要有D、E和F。对于本文的无线局域网而言，由于要求具备高线性。所以两级分别采用的是A和AB类放大模式。

　　一个典型的功率放大器一般包括输入匹配网络、晶体管放大电、级间匹配网络、偏置网络和输出匹配网络等 ，

　　对于功放而言，标准的0.18um CMOS工艺的晶体管漏栅间的最大电源电压为2V，击穿电压大约是4V。在功放中，管子漏端的直流与交流电压之和可达到2-3倍的电源电压，这就给管子的栅氧化层带来击穿的。在设计PA时，晶体管所能承受的最高电压Vmax受到晶体管击穿电压的，而最小电压则受到Knee电压的。而功率放大器采用Cascode结构可以缓解晶体管击穿的压力，提高功率放大器输出电压的摆幅，从而降低对晶体管最大电流能力的要求，提高功率放大器的效率，并减小输出晶体管的尺寸。实际在共源共栅结构的放大器中，共栅晶体管是电压击穿和热载流子效应的瓶颈。

　　所以本文采用了Cascode自偏置结构和厚栅器件，不仅可以改善深亚微米CMOS器件的低击穿电压，同时还可以减小热载流子效应影响。图3所示的传统Cascode放大器中M2的栅漏电压波形，Vg2一直固定在3V，Vd2的正峰值电压在4.8V，所以栅漏电压差为1.8V。为了克服这个问题，图4所示为自偏置Cascode结构放大电，该结构把M2管的漏端交流电压Vd2引入到栅端Vg2上，使我们在设计功放时两个MOS管尽可能有相同的最大漏栅电压。所以，在热载流子效应出现之前M2管有一个大的信号摆幅。对G2的偏置是通过Rb-Cb来实现的。图6所示为M2管的Vd2对Vg2的电压波形，其最大电压差为1.4V。与传统电比较降低了0.4V，所以自偏置的M2管的Vdg的电压差相对传统结构的M2管降低了23%。

　　如果Rb或cb增加，放大器的增益都会有所增加，但是通过电仿真后的电压波形可知，若Rb或cb增加，导致Vg2的电压摆幅的降低，从而漏端节点电压波形将会在输入功率较低的情况下就开始失真。所以Rb或cb的值不仅要依据M1和M2管尽可能有相同的栅漏信号摆幅，同时也力求在增益和线性之间有个较好的折中来确定。

　　对于本文的无线局域网应用而言，由于采用的恒包络调制，要求具备高线性，所以本功率放大器第一级工作在A类，第二级工作在AB类。A类放大模式能提供更好的线性度，而AB类放大模式比A类放大模式又具备更高的效率。所以，本文的功放在线性度和效率之间进行了较好的折中。

　　为了达到功放的设计要求，由于高频下单级放大器不能实现预定的功率增益指标，所以采用两级放大结构。如图7所示，第一级采用共源共栅结构，在提供合适的电压增益的同时 ，提高了前后级电的隔离度，为匹配提供了便利条件。第二级采用的是厚栅的共源结构以承受更高的电源电压。主体分为以下几个部分：（1） C1、C2、L1为输入匹配，片内实现，使电的输入端与50Ω端口匹配。

　　L3为第一级放大电的扼流电感，考虑到功放中流过的电流很大，片外实现。（2） M1与M2为驱动级。（3） C5、C6、L4为级间匹配网络，除了两级之间匹配外，还可以用于调整放大电的增益平坦度［5］。（4） M3为功率级。（5） C8、C9、L7构成∏型输出匹配网络，能够有效偶次谐波分量，实现最佳负载匹配［6］。为了减少损耗，输出匹配网络C8、C9、L7和扼流电感L6也采用片外实现。（6） CMOS的接地电感对放大器的增益和效率有很大影响，所以在电仿真时把键合线和pad的寄生效应一起考虑了。其中L2和L5为多PAD的键合线 功率放大器电图

　　m）软件完成的。放大器中的晶体管工作在大信号状态，非线性效应非常显著，因此设计放大器电时，小信号电的等效模型不再适用，必须充分考虑晶体管的非线为仿真得到的输出功率、增益和PAE随输入功率的变化曲线。由图可知，在输入功率小于0dBm的信号范围内，该功放的增益有22dB。在1dB功率增益压缩点处输出功率为22dBm，相应的PAE为30.4%。图9为功放的S11参数随频率的变化曲线dB所以输入匹配基本达到设计要求。

　　图8 输出功率、增益和PAE随输入功率的变化曲线另外，仿真所得到的其它重要参数有：输出三阶交接点约为29 dBm;稳定因子K在工作频段内有K》1。

　　软件。功率放大器采用 SMIC 0.18μm CMOS工艺。其中放大电中使用的晶体管采用射频模型。本版图设计主要考虑了以下几个方面的问题：

　　（1）由于功放中流过的电流很大，所以在电源线和地线采用几层金属并联的方式来避免发生电迁移。（2）接地键合线的寄生电感严重影响各级电的功率输出。所以，为了使接地键合线寄生电感尽量小，设置多个对地焊盘并引出多条键合线）对于高频信号线 ，尽量采用顶层和上层金属 ，且最好遵循最短信号线的原则用于减少寄生

　　采用SMIC 0.18um CMOS 工艺RF模型设计了工作于2.45GHz WLAN的功率放大器。通过自偏置技术的应用，该功放工作在3V电源电压下，其仿能指标表明最大输出功率可达24.5dBm，对应的PAE达到40%，功率增益为23dB，适合无线b的系统应用。

　　AMC7834器件是一款针对功率放大器（PA）偏置的高度集成，低功耗，模拟和控制解决方案，能够对温度，电流和电压进行。 该器件集成了一个多通道12位模数转换器（ADC）;八个12位数模转换器（DAC）;四个高侧电流感测放大器，可以选择设置它们作为四个闭环漏极电流控制器的一部分;一个精确的片上温度传感器和两个远程温度二极管驱动器;四个可配置的通用I /O端口（GPIO）;以及一个精确的内部基准。其高集成度极大地减少了组件数量，并且简化了PA偏置系统设计。 该器件具有功能集成和宽工作温度范围等诸多优势，因此适合用作多通道射频（RF）通信系统中PA的一体化，低成本偏置控制电。凭借灵活的DAC输出范围和宽共模电压电流传感器，此器件可用作针对多种晶体管技术（例如LDMOS，GaA和GaN）的偏置解决方案.AMC7834功能集对通用器和控制系统而言同样有益。 仪器（TI）提供了一个完备的模拟和控制（AMC）产品系列，以满足各类应用不同的通道数，附加特性或者转换器解决方案需求。更多信息，敬访访问。 特性 8个具有可编程范围的单调性12位数模转换器（DAC） 4个双极DAC...

　　DRV593和DRV594是高效率，高电流功率放大器，非常适合驱动2.8 V至5.5供电系统中的各种热电冷却器元件V.器件的操作仅需要一个电感器和电容器用于输出滤波器，从而节省了大量的印刷电板面积。脉冲宽度调制（PWM）操作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在内部受到热和电流过载。当结温达到大约128°C时，逻辑电平故障信号发出信号，以便在放大器内部热关断电激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时，故障器也会发出信号。如果过流电跳闸，器件会自动复位（更多详细信息，请参见应用信息部分）。 根据系统要求，PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为消除外部元件，DRV593的增益固定为2.3 V /V.对于DRV594，增益固定为14.5 V /V. 特性 与DRV591相比，操作将输出滤波器尺寸和成本降低50％ ±3-A最大输出电流 低电源电压工作：2.8 V至5.5 V 高效率产生更少热量 过流和热 故障灯过流，热和欠压条件 两个可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案

　　DRV593和DRV594是高效率，高电流功率放大器，非常适合驱动2.8 V至5.5供电系统中的各种热电冷却器元件V.器件的操作仅需要一个电感器和电容器用于输出滤波器，从而节省了大量的印刷电板面积。脉冲宽度调制（PWM）操作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在内部受到热和电流过载。当结温达到大约128°C时，逻辑电平故障信号发出信号，以便在放大器内部热关断电激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时，故障器也会发出信号。如果过流电跳闸，器件会自动复位（更多详细信息，请参见应用信息部分）。 根据系统要求，PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为消除外部元件，DRV593的增益固定为2.3 V /V.对于DRV594，增益固定为14.5 V /V. 特性 与DRV591相比，操作将输出滤波器尺寸和成本降低50％ ±3-A最大输出电流 低电源电压工作：2.8 V至5.5 V 高效率产生更少热量 过流和热 故障灯过流，热和欠压条件 两个可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封装 应用 热电冷却器（TEC）驱动器 激...

　　DRV591是一款高效率，高电流功率放大器，适用于驱动2.8 V至5.5 V电源系统中的各种热电冷却器元件PWM工作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV591内部具有热和电流过载功能。逻辑电平故障器在结温达到约130°C时发出信号，以便在放大器内部热关断电激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时，故障器也会发出信号。如果过流电跳闸，DRV591会自动复位（更多详细信息，请参见应用信息部分）。 根据系统要求，PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为了消除外部元件，增益固定在大约2.3 V /V。 特性 ±3-A最大输出电流 低电源电压工作：2.8 V至5.5 V高效率产生的热量 过流和过热 过流，过热和欠压条件下的故障灯 两种可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 应用 热电冷却器（TEC）驱动器 激光二极管偏置 PowerPAD是仪器公司的商标。 参数 与其它产品相比 TEC/激光 PWM 功率放大器   Vs (Min) (V) Vs (Max) (V) rDS(on) (Ohms) Output Current (Typ) (A) ...

　　上海馥莱电子是一家专业的射频、微波和毫米波产品供应商，携手知名芯片设计公司Gotmic，提供W波...

　　CC2595是一款PA解决方案，可扩展任何Zigbee或蓝牙收发器的范围。它是一款经济高效的高性能RF前端，适用于2.4 GHz频段的低功耗和低电压无线应用。如果使用适当的外部元件，其单端RF输入和输出使其与任何制造商的收发器兼容。当使用发送/接收（T /R）开关和平衡 - 不平衡转换器时，它可以与现有和未来的CC24和CC25收发器产品连接。 CC2595通过提供功率放大器来扩展链预算，以提高输出功率。它对高（+20 dBm）输出功率非常有效，使其适用于电池供电系统。 CC2595包含PA和RF匹配，可用于高性能无线应用的简单设计。它采用3×3mm，16引脚QFN封装，带有裸露焊盘。 特性 低成本和小包装 非常少的外部组件 2.0-V到3.6- V操作 掉电模式下小于1μA的电流消耗 低发送电流消耗 3 V时98 mA，+ 20.7 dBm输出（PAE） = 40％） 符合RoHS标准的3×3毫米QFN-16封装 参数 与其它产品相比 射频增益块放大器   Number of Channels (#) Frequency (Min) (MHz) Frequency (Max) (MHz) Noise Figure (Typ) (dB) P1dB (Typ) (dBm) Gain (Typ) (dB) Impedance Match...