CMOS射频功率放大器的设计方法

意义的指标， 其定义为［： １ ８ １
电 电 降 放 管 通曳 消 功 比 加 源 压 低， 大 导 阻 耗 率的 重 大，
导致加性功率效率 （Ａ ） Ｐ Ｅ 降低 。 也就是说 ，Ｍ Ｓ工艺 的 ＣＯ
＊本 文 受 国 家 自然 科 学 基 金 重 大 研 究 项 目资 助 （ 号 ＃ ００ ０ １ 编 ９ ２７ ０ ）
方法 。
件（ｌ ａｚｉ ｕｉ Ｎｎｎａ Ｃｍ ｏｅｔＩ Ｃ 或组件 Ｌ ｅ ｉｔｎ ｎ ｏｌｅ ｏ ｐｎｎ， ） ｎ ｒａｏ ｓ ｇ ｉ ｒ ． Ｉ Ｎ 实现整个模块的线性化方法， 又称反相相位法（ｕ－ｈｓ ｏｔ ａ ｐ － ｉ） ｎ 。它把幅度时变的带通信号分离成两个常包络且调 ｇ
制相位相反的时变相位信号 ， 分别放大后在输出端进行
放线性化 的论 文更少 。 从 历史发展 和 目前 的研究 现状来 看 ：Ｍ Ｓ工艺 尺 ＣＯ 寸减小 ， 击穿 电压 下降 ； 工作频率升高 ， 高频增益下降 ；
功率放大器可分 为 电流源类和开关类 ， 设计 中选择 哪类功放 主要取决于系统所采用 的信号调制方式 ， 另外 与电路采用的工艺息息相关。但是 ， 任何一种单一 的功 放很难 同时满足在很 宽功率输 出范 围内 ，Ａ Ｐ Ｅ高 、线性 度好 的要求 。 一般说来 ， 当输 出功率接近最大时 ， 效率最 高， 但是线性度变差 ； 出功率从最大值 回退时 ， 输 线性度 比较好 ， 但是效率较低 。 在功率可控的无线通信系统 中， 功放经常工作在低于最大输 出功率 以下很宽的范围内。 在 这段范 围 内的平均 功率效率才是最 为重要且有实 际
２． ８ ％，考虑到实际电路因素，平均功率效率还要远低 ５
于此值 。所 以在满足其它性 能指标 的基础上 ， 较高的平 均功率效率才具有实 际意义。另外 ， 现代通信技术为 了 提 高频谱利用率 ， 普遍 采用 同时调 幅调相 的技术 ， 号 信 需要线性放大 ， 同时为 了防止不 同通信系统 的相互干扰 以及本系统 内相邻信道之 间的串扰 ， 也需要线性非常好 的功率放大器 。所 以 ， 在很宽 的输出功率范 围内射频功 率放大器研究 的热点是 ：
能充分利用功放 的放大能力 ， 往往造成 巨大浪费。 （） ２ 预失真 这种 方 法在输 人端 对 基 带信 号进行 预 失 真 ， 偿调 补 制模块和功放模块造成 的功率压缩 ， 从而输 出线性化信 号 。它既可以采用模拟预失真也可以采用数字预失真。 模拟预失真需要设计 与功放功能相反 的组件 ， 在精度上 很难实现 ； 数字预失真则需要 自动控制机制 ， 实现起来
１２ 功 率 放 大 器 的研 究 热 点 ．
ＣＯ Ｍ Ｓ片上系统最难实现的组件之一。 从二十世纪 ０年代初［人们就开始尝试采用 Ｃ Ｏ ８ ［ ｕ ＭＳ 工艺进行功率放大器 的研究 和设计 ， 到 １９ ［， 直 ９４年［ 才 ２ １ 出现 Ｃ Ｏ Ｍ Ｓ射频功率放大器的相关报导 。 一直 以来大部 分文献 只针对单一 功放 的设 计 ， 只有少量 文献［６ 系 ３１ －从 统组件的层次进行研究 ， 而使用 Ｃ Ｏ Ｍ Ｓ工艺实现片上功
功率合成。 但是， 信号分离器使用模拟电路很难实现， 即
使使用数字电路实现 ， 也存在带宽窄 、 功耗大等间题 ； 而 且两路信号很难保持相位和幅度均衡 ， 一般用于窄带信 号 。到 目前为止还没有采用这种方法实现 一个 完 整 的 ＣＯ Ｍ ｓ功放 系统 。 （） ６ 包络消除与恢复（ Ｅ Ｅ Ｒ） 这种方法提取 出信号 的幅度 和相位信息 ， 分别放大 后再进行相位和幅度 的合成 ， 出射频信号 。相位和幅 输 度的合成一般使用高效率 的开关类功率放大器 ， 管子 的 栅极接相位信号 ， 电源电压用幅度信号进行调制 。这种 方法的优点是平均效率 比较高 ， 一般是线性功放 的 ３ ５ － 倍； 且线 性 度 只与 包络 通 道 有 关 ， 高线 性 性 能 比较 方 提
２ ＭＯ Ｃ ｓ射 频 功 率 放 大 器 的 线 性 化 方 法 和 功 率 效 率增 强技 术 无论是经典 的调幅信号 、 单边带信号 、 残余边带信 号， 还是现代 的脉 冲成形信号 、 多载波 Ｏ Ｄ ／ Ｆ Ｍ Ｆ Ｍ Ｏ Ｄ Ａ信 号， 都需要线性放大 。 另外 ， 为确保功放在分配 的带宽 内 放大信号 ， 防止千扰相邻信道 ， 也需要 对功率放大器进 行线性化处理 。 ２ １ 线性化方法 ． 功放 的输 出功率一般很 大 ， 其非线性特征容易对相 邻信道 的信号和其它频段 的信号造成强干扰 。 克服的方 法， 一是确保其使用 的器件具有很高 的线性度 ， 这通 常 是很 困难 的 ； 二是通过采用一些方法 ， 对器件 引起 的非 线性进行校正 ， 即一般所说 的线性化 。一般采用第二种
比较复杂。随着现代制造工艺的飞速发展，采用 Ｃ Ｏ Ｍｓ 数模混合的预失真方法 ，将是未来几年深亚微米 Ｃ Ｏ Ｍｓ
功放线性化的主流研究方 向之一 。 （） ３ 负反馈 根据反馈信息的不 同， 又可以分为笛卡尔反馈和极 点 反馈 。负反馈在 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ射频领 域应用 受 限 的两 大 因 素， 一是信号延时比较大 ， 二是 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ工艺实现 的匹配 网络损耗 比较大 ， 品质因数不高 。 一般说来 ， 延时是恶化 功放线性性能 的主要原 因 ， 负反馈延 时主要 由匹配 网络 引起 。 典型 的高功率 ２ Ｈ 射频功放 ， Ｇｚ 从输人到输 出的 延时一般为 ５ ｎ。如果延时降低 ５ １ ， － ｓ Ｓ ｏ － ０倍 即可应用 于多载波线性化领域 。 （） ４ 前馈 这种方法把 功放 的输 出信号 衰减后 与功放输 人端 的信号相 比较 ， 差值信号经 过 同倍放大 ， 在输 出端 补偿 功放的非线性。 前馈功率放大器没有延时 、 速度快 ， 能在 几个射频周期 内快速测量信号 的变化 ， 能满足宽带多载 波系统线性化 的指标要求 ， 以在沉寂 了半个世纪后又 所 重新成为研究的热点。 但是 由温度变化和器件老化 引起 的漂移是开环系统致命 的缺点 ， 如何消除漂移是近年来 研究的热点。另外 ， 两个通道 的增益和相位失配对 系统 线性度影 响也很 大 。 （） ５ 非线性器件的线性化 （ＩＣ ＺＮ ） 另外一种 比较常用 的线性化方法 ， 是利用非线性器
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Ｃ ｓ射频 功率放大象 的设计方法 ＊ ＭＯ
支传德 ，杨华 中， 汪 葱
（ 清华大学 电子工程系， 北京 １０８ ） ００４
摘 要 ：使 用主流的 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ工 艺设计 高效率 、 高增益和一定输 出功 率的射 频功 率放 大器仍然是无 线通信 片上 系统 面临的主要挑 战之 一 。本 文 简述 了 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ射频 功率放 大器的研 究热． 设计 难 ． 点和 级， 重点讨论 了负载线 匹配、 线性 区扩展 和功 率效率增 强等 关键技 术 ， 并提 出了一种 改进 型 的 包络 消除 与恢复（ Ｅ 的线性扩展 法 ， Ｅ Ｒ） 能满足宽带通信 系统的功率放 大需要 。 关键 词 ：Ｃ Ｏ Ｍ ｓ射频 功 率放 大器 包络 消除与恢复 线性 区扩展
进步除了提高功放 的工作频率外 ， 对输 出功率 、 线性度、 Ｐ Ｅ等指标 的改善难度加大 ， Ａ 实现起来更 困难 。 １ ｓ射频功 率 放大器 的设计 难点和研 究热 点 Ｃ ＭＯ 射频功率放大 器 与一般 线性射 频放 大器 的主要 区 别之一是 ： 了提 高输 出功率 ， 为 放大管 的输 出阻抗 和负 载阻抗一般不成共辘 匹配关系 ， 而是采用下面论述 的负 载线 匹配方法 。
１ １负载 线 匹配方 法 ．
射频功率放大器 的输入匹配 网络可 以使用共扼阻抗 匹配方法 ， 但是它不适于大信号模式下 的输出匹配网络。 主要 因为功率放大管 的 电流输 出驱 动能力有 限 ，且输 出 电压摆幅受电源电压的限制 ；而共扼匹配理论假设放大 管的驱动能力不受 限制 ， 出电压摆幅也不受限。另外 ， 输 共扼匹配没有充分利用管子的电流输出能力 ，如果充分 利用应采用 比源阻抗实部更小 的负载电阻 ，它是最大电 压与最大电流的比值 ， 一般称作负载线匹配电阻［ ７ １ ０
手机 、无绳 电话 、射频标签 （ ＦＤ Ｒ Ｉ） 、无线局域 网 （ Ａ） ＷＬ Ｎ 等无线通信市场的快速发展 ， 不断推动射频前 端收发器 向高集成 、 低功耗 、 结构紧凑 、 价格低廉 的方向
发展 。
功率放 大器 简称 功放 ） （ 是无线发射器 中必不 可少 的组成部分 ， 也是整个 发射机 中耗能最 多 的部件 ， 出 输 功率一般 比较大 。现代通信技术为 了提高频谱利用率 ， 普遍采用 同时调幅调相 的技术 ， 要求功放有很好 的线性 度 ；通信 的移动特性要求功放 的功率效率尽可能地高 。 相对于其它无线收发组件 ， 大功率 、 高线性 、 高效率是功 率 放大器 的基 本设计 要求 。 目前大部分商用功放使用 Ｇ Ａ 器件 ， ａｓ 但是 ，ａ ｓ ＧＡ 器 件比 Ｃ Ｏ Ｓ 器件造价高 ， Ｍ Ｓ ｉ 且混合工艺做成的系统体积 比较大， 而流行的片上系统要求功放能和其它射频前端 组件 、基带 电路 、Ｓ ＤＰ电路等用主流的 Ｃ Ｏ Ｍ Ｓ工艺集成 在 同一 芯 片上 ， 以减小体 积 、 降低造价 、 增加 系统可靠 性 。在 Ｃ Ｏ Ｍ Ｓ射频前端 中， 低噪声放大器 、 混频器 、 滤波 器、 放大器 的研 究和设计 比较成熟 ， ２０ Ｗ 以上 、 而 ０ｍ 高 效率 、 高线性 的深亚微米 Ｃ Ｏ Ｍ Ｓ射频功率 放大器仍然是
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《 电子技术应用》 ０６ ２０ 年第 ９ 期
本 刊郊翁：ｔ＠ ｓ ．ｏ ｃ ｅ ｎ ｅ ｃ ｍ．ｎ ａ ｃ
是输出功率 的概率密度 函数 ； 分别表示输人功率 函 数、 输出功率函数 、 平均功率效率 。 在类似 Ｃ Ｍ Ｄ Ａ的多载波 系统 中 ，当峰均 比为 ｌｄ ＯＢ 时， Ａ类 功 放 的 理 论 平 均 功 率 效 率 仅 为 ５ Ｂ类 为 ％，
现 相 同性 能 指 标 功 放 的 难 度 增 大 。 最 后 ，深 亚 微 米 ＣＯ Ｍ ｓ硅衬底 阻值 比较低 ，一般在 ００ － Ｏｌｃ ．１ １ｆ／ｍ左右 ， 片上 电感 、 变压器 的损耗 大 ， 对功率放大器 的设计极 为 不利 。 以上三点仍然 是 困扰 深亚微米 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ射频 功率放 大 器 设 计 的难 题 。
（） 回退 １ 功率 它在过去的大功率功放 中比较常用 。基本思路是降 低功放输人信号 的强度 ， 以免功率增 益出现压缩 。但是 功率 回退时 ， 功率效率急剧下降 ， 平均功率效率更低 ， 不
（ 如何提高功率效率， １ ） 特别是平均功率效率； （） ２ 如何提高功放的线性度。 １３ 研究 Ｃ Ｏ ． Ｍ ｓ射频功率放大器的难点
负载线匹配方法广泛用于功率放大器的设计 ， 但是 在深 亚微米 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ工艺 中 ，管子 的沟 道夹断 电压 比较 高 ， 的甚 至达到供 电电压 的一半［， 有 ９ 用传 统 的负载线 ］ 匹配方法往往达不到设计指标 ， 此时必须兼顾管子 的饱 和区与线性 区 ， 得到最佳 负载阻抗值 。如何通过理论与 实践相结合 的方法 ， 取得 预期 的结果 ， 仍然是亚待解决 的难题之一 。 另外 ， 深亚微米 Ｃ Ｏ Ｍ ｓ管 的击穿 电压很低 ， 输 出电压摆幅不能过大 ， 使得在 同等输 出功率条件下实