提高共源共柵CMOS功率放大器效率的方案

摘要：利用共源共柵電感可以提高共源共柵結(jié)構(gòu)功率放大器的效率。這里提出一種采用共源共柵電感提高效率的5.25GHzWLAN的功率放大器的設(shè)計(jì)方案，使用CMOS工藝設(shè)計(jì)了兩級(jí)全差分放大電路，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，然后使用ADS軟件進(jìn)行整體仿真，結(jié)果表明在1.8V電源電壓下，電路改進(jìn)后與改進(jìn)前相比較，用來(lái)表示功率放大器效率的功率附加效率（PAE）提高了兩個(gè)百分比。最后給出了功放版圖。

　　功率放大器是射頻發(fā)射機(jī)中的必不可少組成部分，它的主要功能是提供整個(gè)通信系統(tǒng)在發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)時(shí)的運(yùn)作功率。通信系統(tǒng)中消耗能量最多的就是功率放大器，人們希望功率放大器的效率盡可能高，這樣就減少電池的消耗，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。

　　多年來(lái)，人們對(duì)于功率放大器的效率提高技術(shù)做了很多有價(jià)值的研究，如自適應(yīng)偏置技術(shù)、EER技術(shù)、Doherty技術(shù)以及LINC技術(shù)等等，這些方案雖然巧妙，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不適合用于便攜式通信終端的開(kāi)發(fā)，本文中采用共源共柵電感對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，從而提高功率放大器的效率。

　　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)碾妷涸鲆妫惠敵黾?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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)高頻輔助設(shè)計(jì)軟件ADS中的Smithchart來(lái)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