应用于宽带功率放大器的开关电容调谐技术

李 红，徐元中

（1.华中科技大学计算机科学与技术学院，武汉 430074；2.湖北工业大学a.计算机科学与技术学院；b.太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉 430068）

应用于宽带功率放大器的开关电容调谐技术

李 红1，2a，徐元中2b

（1.华中科技大学计算机科学与技术学院，武汉 430074；2.湖北工业大学a.计算机科学与技术学院；b.太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉 430068）

设计了一种工作于0.7～3GHz、最高输出功率为23.6dBm的CMOS（互补式金属氧化物半导体）宽带PA（功率放大器），该PA由单级放大器组成，采用全差分Cascode电路结构。PA的输入、输出端均采用开关电容并联片上变压器的形式实现宽带匹配，通过数字信号控制改变容值大小，进而调谐PA的工作频点，实现宽带工作范围。该PA基于TSMC 0.18μm CMOS工艺模型进行设计，采用Agilent ADS软件进行PA性能仿真和片上变压器的设计。版图仿真结果表明：在0.7～3GHz频段内，PA的输入完全匹配（S11＜-10dB），小信号增益S21在1.7GHz达到27dB，芯片面积仅为0.75mm2。

互补式金属氧化物半导体；功率放大器；开关电容；宽带匹配

0 引 言

随着无线通信协议的不断增加，频率资源日益紧张，目前常见通信协议的工作频率范围为0.7～3GHz。如何设计一个多频段宽带的单片收发器并可同时兼容以上所有协议极为重要，这样将大大降低应用难度，节省设计成本。宽带收发器的设计难点在于射频前端，尤其是发射链路中的PA（功率放大器）。宽带PA的常见设计方案有分布式［1］、传输线变压器［2］、带通滤波匹配网络［3］和开关电容调谐网络［4］等。本文设计的宽带PA采用开关电容调谐网络，通过开关的状态变化调整PA的工作频率范围。该PA基于TSMC 0.18μm 1P6MCMOS（互补式金属氧化物半导体）工艺模型进行设计，版图仿真结果表明，PA的工作频率范围为0.7～3GHz，全频段内PA的发射功率大于1 5dBm，增益大于20dB，适用于宽带多频段CMOS收发器的设计。

1 开关电容调谐电路

开关电容调谐电路广泛应用于射频集成电路的设计，如PA［4］和VCO（压控振荡器）［5］等，将开关电容阵列和片上变压器并联，等效为可变电感，常用来扩展VCO的频率调谐范围［5］，如图1所示。其中L1、L2分别为片上变压器的主、次级线圈等效电感，C1、C2为可变电容阵列，组成一个频率可调的谐振。

图1　基于可变电容的变压器谐振网络

假设变压器主线圈的电压、电流分别为V1、I1，次线圈的电压、电流分别为V2、I2，推导片上变压器的二端口阻抗矩阵如下：

式中，k为片上变压器的耦合系数；ω为开关电容调谐网络的谐振频率。

加入C1、C2后，进一步推导谐振网络的二端口阻抗矩阵如下：

当Zresonator=0时，可以计算出ω值，如式（3）～（6）所示，改变C1、C2的大小时，ω也相应发生变化。

当L1=L2=1nH、k=0.8，C1、C2由0.1～20pF时，ω的变化趋势如图2所示。由图2可知，改变C1、C2可以实现1.714 2～234.508GHz范围的谐振频率。在实际设计过程中，需要根据频率范围设计片上变压器的尺寸和电容阵列的大小。

将基于开关电容的谐振网络应用于PA的输入、输出端，结合片上变压器的设计，可以实现宽带匹配网络，扩展PA的工作频率范围。

2 宽带功率放大器的设计

图3所示为本文提出的宽带PA电路，PA的主放大电路采用全差分的Cascode结构，其原因是：避免MOS（金属氧化物半导体）管被击穿，增加PA的增益，降低偶次谐波的干扰。输入端采用主次线圈比为3∶4的片上变压器，尺寸为150μm×260μm，可变电容加在变压器的主线圈；输出端采用主次线圈比为4∶3的片上变压器，尺寸为170μm× 260μm，可变电容加在变压器的主线圈。输入调谐电容采用3位数字信号控制，输出调谐电容采用5位数字信号控制。电容的大小成等比数列取值。以上两个片上变压器还实现单端、差分信号之间的转换，方便版图设计和测量。

图2　谐振频率ω随电容值大小改变的关系

图3　宽带PA的电路原理图

宽带PA的版图基于TSMC 0.18μm 1P6M RFCMOS工艺设计，芯片面积为1.5mm× 0.5mm。输入、输出信号通过截距为100μm的GSGSG焊盘和探针相接，实现在片测量，避免封装引入的寄生参数对频率范围造成影响。

输入变压器的次级线圈中心作为Cascode共源管的栅端偏置电压接入点，输出变压器的主线圈中心作为Cascode共栅管的漏端电源电压接入点。随着输入信号功率的增大，PA的瞬时电流随之上升，输出变压器的设计需要考虑金属耐流问题，主次线圈均采用顶层超厚金属层，交叉跳线采用多层金属并联走线，降低线圈的等效电阻。

在PA芯片的测量过程中，共源管的源端通过金线接地，金线引入的寄生电感会降低PA的增益和线性度，版图中加入多个接地焊盘，采用多条金线并联的形式降低源端寄生电感值大小。

3 仿真结果与分析

对宽带PA进行仿真。首先进行小信号S参数仿真，输入信号功率为-30dBm，仿真结果如图4所示。在0.7～3GHz频率范围内，S21均大于20dB，最大值达到27dB；S11均小于-10dB，输入阻抗匹配；在0.7～1.1GHz频率范围内，S22大于-10dB，其余频率点均实现匹配。由于PA的输出等效阻抗随信号功率的变化而变化，S22很难实现完全匹配，而采用有源负载调制技术可以解决这一问题，后期测量过程中在PCB（印刷电路板）上加入可变电容、可变电感实现S22匹配。

图4　宽带PA的S参数仿真结果

然后对宽带PA进行大信号仿真。从0.7～3GHz频率范围内取6个点进行仿真，输入信号功率范围为-30～0dBm，不同频点处，PA的功率增益变化情况如图5所示。可以看到，在2.2GHz处，PA的增益最大，达到26.4dB，同时计算PA的最高输出功率为23.6dBm。由于PA为单级放大结构，增益随输入功率增加而下降，输入1dB压缩点为-18dBm。

图5　宽带PA的功率增益仿真结果

本文设计的宽带PA与文献［1］～［4］方案的性能对比如表1所示，可以看到，该PA芯片面积小，可集成于宽带CMOS收发器中。

表1　本文设计的宽带PA与其他方案的性能对比

4 结束语

通过开关可变电容阵列与片上变压器并联形成谐振网络，数字信号控制电容阵列的容值大小，调节谐振网络的工作频率，在PA的输入、输出端加入以上谐振网络，可实现宽带阻抗匹配。基于TSMC 0.18μm 1P6MRFCMOS工艺设计了一个工作频率范围为0.7～3GHz的宽带PA，该PA的最高输出功率可达23.6dBm，芯片面积仅为0.75mm2，适用于多频段宽带发射机的设计。

［1]AHN H，ALLSTOT D J.A 0.5-8.5-GHz fully differential CMOS distributed amplifier［J］.IEEE J Solid-State Circuits，2002，37（8）：985-993.

［2]RODERICK J，HASHEMI H.A 0.13μm CMOS Power Amplifier with Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth for Imaging Applications［C］//IEEE International Solid-State Circuits Conference 2009.San Francisco，US：IEEE，2009：374-375.

［3]WANG H，SIDERIS C，HAJIMIRI A.A CMOS broadband power amplifier with a transformer-based high-order output matching network［J］.IEEE J Solid-State Circuits，2010，45（12）：2709-2722.

［4]IMANISHI D，OKADA K，MATSUZAWA A.A 0.9 -3.0GHz Fully Integrated Tunable CMOS Power Amplifier for Multi-Band Transmitters［C］//IEEE Asian Solid-State Circuits Conference 2009.Taipei，Taiwan：IEEE，2009：253-256.

［5]BEVILACQUA A，PAVAN F P，SANDNER C，et al.Transformer-based dual-mode voltage-controlled oscillators［J］.IEEE Trans Circuits Syst II，Exp Briefs，2007，54（4）：293-297.

Switched-Capacitors Resonator Applied in Wideband Power Amplifier Design

LI Hong1，2a，XU Yuan-zhong2b
（1.School of Computer Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Hubei University of Technology a.College of Computer Science and Technology；Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy，Wuhan 430068，China）

A wideband CMOS Power Amplifier（PA）operating from 700MHz to 3GHz with 23.6dBm maximum output power is presented in this paper.The PA consists of a single-stage amplifier with fully differential cascode topology.On-chip transformers paralleled with switched-capacitors are applied in the input and output of this PA.The wideband input and output matches are realized by digitally controlling the states of switches to change the value of capacitors，while tuning the operating frequency of this PA to realize wide range operation.This wideband PA including on-chip transformers is designed based on TSMC 0.18μm CMOS model and simulated using Agilent＇s ADS.Layout＇s post-simulation results indicate that the input match S11is perfectly matched（less than-10dB）from 700MHz to 3GHz and the gain of S21reaches 27dB at 1.7GHz with only 0.75 mm2chip area.

CMOS；power amplifier；switched-capacitors；wideband match

TN432

A

1005-8788（2016）02-0044-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.014

2016-01-05

国家自然科学基金资助项目（61170135）；湖北省协同创新中心开放基金资助项目（HBSKFZD2014010）

李红（1981-），女，湖北武汉人。讲师，在读博士，主要从事计算机体系结构和集成电路的研究工作。