《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一种高线性度的2.4 GHz CMOS功率放大器设计
2022年电子技术应用第12期
王家文1,2,潘文光1,2
1.中国科学院大学 微电子学院,北京100049;2.南京中科微电子有限公司,江苏 南京210018
摘要: 为了满足目前物联网低成本、低功耗与较高线性度的市场应用需求,提出了一种高线性度的2.4 GHz功率放大器(PA)。该功率放大器为两级结构,为了提高增益的同时保持较低的静态功耗其驱动级采用了电流复用两级共源放大结构,并且使用了两级失真抵消的方法减小了晶体管跨导非线性的影响,同时采用二极管线性化偏置来补偿寄生电容非线性导致的增益压缩现象。该功率放大器采用0.18 μm CMOS工艺,后仿真结果表明,在2.4 GHz工作频率下,该PA小信号增益为30 dB,输出1 dB压缩点为22 dBm,静态功耗为53 mW,功率附加效率峰值为31%。
中圖分類號(hào): TN722
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.212409
中文引用格式: 王家文,潘文光. 一種高線性度的2.4 GHz CMOS功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2022,48(12):65-69.
英文引用格式: Wang Jiawen,Pan Wenguang. Design of a 2.4 GHz CMOS power amplifier with high linearity[J]. Application of Electronic Technique,2022,48(12):65-69.
Design of a 2.4 GHz CMOS power amplifier with high linearity
Wang Jiawen1,2,Pan Wenguang1,2
1.School of Microelectronics,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 2.Nanjing Zhongke Microelectronics Co.,Ltd.,Nanjing 210018,China
Abstract: In order to meet the market demand of low-cost, low-power consumption and high linearity of the Internet of Things, a 2.4 GHz power amplifier(PA) with high linearity is proposed. The power amplifier has a two-stage structure. In order to improve the gain while maintaining low static power consumption, the driver stage of the PA adopts a current multiplexing two-stage common source amplifier structure, uses a two-stage distortion cancellation method to reduce transconductance nonlinearity, and adopts diode linearization bias to compensate gain compression phenomenon caused by parasitic capacitance nonlinearity. The PA uses a 0.18 μm CMOS process. Simulation results show that at 2.4 GHz operating frequency, the PA has a small signal gain of 30 dB, an output 1 dB compression point of 21.7 dBm, a static power consumption of 53 mW, and a power-added efficiency peak of 31%.
Key words : power amplifier;current multiplexing;distortion cancellation;diode linearization bias

0 引言

    作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)第三次革命的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展,對應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線收發(fā)機(jī)也提出了低成本、低功耗與高集成度的新需求[1-2],作為無線收發(fā)機(jī)中核心模塊的CMOS功率放大器(PA)也得到了廣泛的關(guān)注與研究。降低功耗的主流方法為柵極偏置技術(shù),通過調(diào)整不同的偏置來達(dá)到降低功耗的目的,但通過調(diào)整偏置電壓降低功耗會(huì)惡化PA線性度,電流復(fù)用技術(shù)憑借其可以在保證較高增益的同時(shí)降低功耗的優(yōu)點(diǎn)也在射頻CMOS電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。隨著現(xiàn)代通信調(diào)制方式的復(fù)雜化程度越來越高,對PA的線性度要求也在不斷地提高,這就常會(huì)要求PA工作在功率回退狀態(tài)下,但這是通過降低效率來提高線性度。針對CMOS PA同樣有很多線性化方法被提出,主要有最佳偏置技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)、多柵晶體管技術(shù)、電容補(bǔ)償技術(shù)等,這些線性化方法通常會(huì)被結(jié)合使用來使PA線性度達(dá)到滿意的水平[7-12]。

    為了達(dá)到低功耗高線性度的要求,本文基于0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)線性功率放大器,其中驅(qū)動(dòng)級(jí)使用電流復(fù)用結(jié)構(gòu)提供較高增益的同時(shí)保持較低的靜態(tài)功耗,同時(shí)使用了兩級(jí)失真抵消與二極管線性化技術(shù)改善PA線性度。該P(yáng)A為射頻前端芯片的一部分,整體射頻前端芯片主要包括PA、低噪聲放大器(LNA)與射頻開關(guān),目前整體射頻前端芯片已完成版圖設(shè)計(jì)與后仿真驗(yàn)證并遞交制造廠進(jìn)行流片。




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作者信息:

王家文1,2,潘文光1,2

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院,北京100049;2.南京中科微電子有限公司,江蘇 南京210018)




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