基于65 nm工藝的E類功率放大器設計*

任 建，郭國發，張本全，鄭艷娜

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

在5G毫米波通信技術的發展中，具有高效率和良好線性度的功率放大器對無線收發機至關重要。好的線性度和高的效率才能保證好的傳輸能力，基于這一點，近年來國內外學者對于功率放大器（PA）都取得了不錯的研究進展。例如Daniel等人提出了一種cascode調制的CMOS工藝E類PA，采用0.18μm CMOS工藝，在2.2 GHz下輸出，實現了功率18dBm，功率附加效率（PAE）僅達35%[1]。Nasser等人實現了一種高線性、高性能的推挽放大器，采用模擬和開關兩部分，模擬提供所需要的線性度，開關保證整體的效率水平[2]。Alsuraisry等人提出了一種工作頻率為5.3 GHz的高效率低成本E類功率放大器，通過選擇一種RF的扼流電感，來實現在保持緊湊電路尺寸的同時來提高效率,可實現最大PAE也才42%[3]。針對現有研究的不足，在此通過65 nm CMOS工藝設計一款工作在5 GHz頻率下的E類功率放大器。

2 理論與方法

如圖1所示是一個傳統的零電壓式E類PA結構。它由NMOS功率管、并聯電容、射頻扼流圈、LC串聯諧振網絡和一個50Ω的交流負載所組成[4]。與D類、F類的功率放大器類似，MOS管可以等效為一個開關和電阻的串聯，受輸入信號控制。不考慮其它因素影響，漏極的輸出電壓與輸入電流不會同時出現，理論上電

圖1 傳統零電壓式E類功率放大器

源提供的功率將全部轉化為輸出功率。實際的電路典型效率會比D類和F類PA稍微大一些。電路中并聯電容C0包括MOS管和寄生電容；射頻電感L0足夠大，可減小電流紋波和交流信號對直流供電電源的影響。LC串聯諧振網絡諧振在基頻，起到對輸出信號整流濾波的作用，保留基頻信號分量并傳輸到交流電阻上，獲得所需的功率。

輸出LC串聯諧振網絡滿足下式:

電感值越大，品質因數Q值就越高，選頻特性就越好但帶寬也越小；電感值越大，自諧振頻率會越小，當自諧振頻率小于要求的工作頻率時，就會失去

電感特性，等效為一個電容。電路中射頻電感與并聯電容值分別由下二式決定：

3 電路設計與分析

3.1 E類PA整體電路設計

基于上述理論，設計在第一級采用三級級聯的D類功率放大器作為驅動級，來實現功率管開關狀態快速轉換；第二級用自給偏置c ascode結構減小E類功率管的擊穿電壓。整體設計結構如圖2所示。

圖2 E類功率放大器整體電路圖

為了使功率級MOS管能更好地工作在開關狀態下，選取的驅動器需要將輸入信號放大到足夠大，并且將輸入的正弦波信號轉換成方波信號。本設計預期輸出飽和功率要大于15 dBm，功率增益要大于15 dB。可知預期輸出功率與功率增益是比較大的，單憑一級E類的功率放大器很難達到，因此采用兩級放大器結構，以獲得足夠大的輸出功率，再通過優化輸入輸出匹配，最終實現高增益、高效率及良好的線性度。

多增加一級功率放大器，會導致電路總功耗增加，影響電路的效率。本次設計中要求的輸出功率比較大，而電路的功耗主要發生在功率級放大電路，所以相比驅動級的功耗就小很多，從而對整體電路的影響可忽略不計。同時，為了防止驅動級電路及功率級電路通過供電電路互相影響造成電路的不穩定，在設計中對功率級電路與驅動級電路分別采用Vdd1和Vdd2電源進行供電。

3.2 電路仿真與分析

設計中電源電壓Vdd1與Vdd2為2.5 V，偏置電壓Vbia為394.6 mV。使用Cadence軟件Spectre進行仿真。S參數仿真結果如圖3如示。在5 GHz下，測得小信號增益S21為46.5 dB；在1.6 GHz～5.5 GHz的頻率范圍內，該功放的增益均大于44 dB，表明設計具備良好的增益性能和平坦度。

圖3 S參數仿真曲線

功放的效率是衡量放大器將直流電源消耗的功率轉換為射頻輸出功率的能力。對功率附加效率PAE的仿真曲線如圖4所示，E類PA的功率附加效率為46.5%左右，展現出對傳統結構的性能提升。

圖4 PAE仿真曲線

隨著輸入功率Pin的不斷增加，PA的輸出功率Pout在開始時呈線性增加，但當Pin增加到某一點時，Pout不再隨Pin線性增加，而是得到壓縮，直到進入飽和區，仿真曲線如圖5。從仿真可知飽和輸出功率值約為18.2 dBm。

圖5 輸出飽和功率仿真結果

將所設計PA的性能與相關文獻的數據進行對比，對比結果如表1所示。從表中可以看出，65 nm CMOS工藝設計與其他工藝相比，在效率上具有一定的優勢，輸出飽和功率也較高。

表1 各文獻設計性能對比

4 結束語

通過采用65 nm CMOS工藝設計了一種工作在5 GHz的E類功率放大器，為了使其具有良好的輸出能力，改用驅動及電路和E類放大器組成兩級放大，從而提高了功率放大器的增益。采用分別電源供電的形式，減小了主功率級和驅動級電路的影響，在保持電路穩定性的同時，也減小了損耗，提升了功率效率。所設計的E類PA最終達到了高的效率和增益，同時具有良好的線性度，對后續的PA研究具有一定的參考價值。