《电子技术应用》

射频MOS管的非线性特性分析与线性度提高技术

2015年电子技术应用第4期
徐元中,刘凌云
(湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心,湖北 武汉430068)
摘要: 基于射频(RF) MOS管的等效电路及非线性等效模型,采用Agilent公司ADS软件中的Symbolically Defined Device(SDD),对RF MOS管的非线性特性进行了综合分析。在此基础上,针对栅源电容(Cgs)、跨导(gm)、输出导纳(gds)和漏极结电容(Cjd)四个主要非线性源,提出了多栅晶体管补偿、PMOS管补偿、NMOS管补偿、共栅管栅电容补偿、深N阱和二次谐波短路等线性度提高技术。将这些线性度提高技术应用在射频功率放大器(PA)上,该PA采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺设计,仿真结果表明:采用线性度提高技术后,该功率放大器的线性度提高了4~10 dB。
中图分类号: TM277
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2015)04-0056-04

Nonlinear analysis and linearity enhancement techniques of RF MOS

Xu Yuanzhong,Liu Lingyun
(Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy, Hubei University of Technology, Wuhan 430068,China)
Abstract: Based on the equivalent circuit and nonlinear equivalent model of RF MOSFET(radio frequency metal-oxide-silicon field-effect transistors), a comprehensive analysis of its nonlinear behavior by Symbolically Defined Device(SDD) in Agilent’s ADS software was presented. Furthermore, to decrease the nonlinearity which mainly came from gate-source capacitance(Cgs), trans-conductance(gm), output conductance(gds) and drain junction capacitance(Cjd), different techniques such as the differential multiple gate transistor(DMGTR),PMOS compensation, NMOS compensation, capacitance compensation of common-gate MOSFET, deep N-Well and second harmonic resonance technique were proposed. Finally, various linearization techniques were respectively applied in a CMOS power amplifier(PA) based on TSMC 0.18 μm RF CMOS process. Simulation results show that the third-order inter-modulation distortion(IMD3) of PA improves by 4~10 dB after using the linearity enhancement techniques.

  

0 引言

  为了满足现代无线通信对高速率的要求,通信系统采用了更加复杂的调制方式,对射频电路设计的性能指标要求也越来越苛刻。低互调失真、高线性度是当前无线射频前端设计的重要问题之一[1]。射频功率放大器(PA)处于通信系统中信号发射机的末端,对发射信号的质量起着决定性作用,然而由于PA工作在大信号下,所以其线性度差一直是难以克服的问题。常用的PA线性化技术都是基于系统级的,电路复杂、功耗大且价格高。RF MOS管的非线性特性决定了PA的线性度,因此,从RF MOS管级对非线性特性进行分析和补偿,可以有效提高线性度,降低功耗和设计成本,对于集成高线性度的PA和通信系统来说意义重大。

  常用的分析非线性电路方法有Taylor级数法[2]、Volettra级数法[3]和谐波平衡法。文献[4]中已经使用Taylor级数和BSIM3模型来研究RF MOS管的非线性特性。本研究中,使用了Taylor级数的分析方法,并基于ADS软件中的Symbolically Defined Device(SDD)对RF MOS管进行非线性特性建模和仿真,计算出各非线性源对RF MOS管总体非线性度的贡献,并提出了与之对应的线性度提高技术。

  本文最后将各种线性提高技术应用在了一款功率放大器上,该功率放大器采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺设计。仿真结果表明该功率放大器的线性度提高了4~10 dB,证明了本文对RF MOS管非线性模型分析正确可靠,提出的线性度提高技术正确可行。

1 RF MOS管非线性特性分析


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  根据通信系统对发射功率的要求,一般功率放大器工作在大信号区域,各种寄生参数会随着信号幅度的变化而变化,即具有很强的非线性特性。图1(a)是RF MOS管等效电路模型,图1(b)是其对应的非线性等效模型[7],其中虚线框内为MOS管本征参数模型,Rg、Rd、Rs分别表示栅、漏和源的连接电阻,rds表示输出电阻,rsub表示衬底电阻;Cgd表示栅漏电容,Cgs表示栅源电容,Cds表示源漏电容,Cjd表示漏极结电容;gm为MOS管的跨导。

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  由于MOS管的非线性特性,输入信号会在输出端产生互调失真信号,本文采用IMD3来衡量RF MOS管的线性度,并利用ADS软件中的SDD对RF MOS管的IMD3进行扫描仿真,分析出各个非线性源对RF MOS管总体线性度的贡献。图2(a)为SDD测试电路图,仿真结果如图2(b)所示。从图2(b)仿真结果可以看出,栅源电容Cgs、跨导gm、输出导纳gds和漏极结电容Cjd是RF MOS管非线性特性的四个主要来源[5]。

  使用Taylor级数的分析方法,忽略高阶系数和互调系数,得到各非线性源的泰勒级数表达式为:

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  在饱和区,栅漏电容(Cgd)主要是外部电容,而漏源电容(Cds)接近于零,所有参数都可以认为是与偏置无关的。当负载阻抗低时,gm是最主要的非线性源,然而,对于一般级别的负载阻抗,gds才是最主要的非线性源。在偏置点附近,Cgs的值会发生强烈的变化,即MOS管在大信号状态下,从线性区变化到饱和区或者从饱和区变化到线性区时,Cgs产生很大变化,从而造成了电路的非线性现象。寄生电容Cgd几乎不变,且Cgb的变化也不大。因此,当选定合适的偏置点使得gm和gds非线性度最小时,此时MOS管的非线性特性几乎由Cgs来决定[6]。

2 线性度提高技术

  2.1 DMGTR技术

  由前文的分析可知,gm的非线性现象主要由于其gm3(跨导的二阶倒数)在零点处,具有对称的幅值和相反的相位。因此,为了提高线性度,采用了一种新型的差分电路gm3消除技术,即所谓的差分多栅晶体管技术,简称DMGTR[4]。

  在ADS下对TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺下的伪差分NMOS管进行gm3参数提取,所选管子尺寸为W/L=35 μm/0.18 μm。扫描不同差分栅源电压(范围:-0.8 V~0.8 V,扫描间隔:0.01 V,VDD:1.8 V)后,分别在饱和区(Vbias=0.65 V)和弱反型区(Vbias=0.4 V)下得到gm3随栅源电压Vgs变化的情况如图3所示。

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  由图3的仿真结果可以看出,NMOS管在饱和区时,其gm3是负值,在弱反型区时,其gm3是正值,两者趋势相反。实际中,运放起放大功能时要求功放管处于饱和区,因此当输入管采用偏置在亚阈值区的MOS管和偏置在饱和区的功放管并联放大时,利用MOS管在不同偏置条件下gm3的变化趋势不同,实现了gm3所产生的非线性度相减,从而达到提高RF MOS管线性度的目的,即为DMGTR技术,其电路原理图如图4所示。在ADS下对采用DMGTR技术的功率放大器电路进行谐波平衡仿真,其IMD3仿真结果如图5所示。可以看出,采用DMGTR技术后,电路的IMD3在一定输入功率范围内提高了约5 dB。

  2.2 PMOS管补偿技术


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  由图6可以看出,NMOS的输入电容随Vgs增大而增大, PMOS的输入电容随Vgs增大而减小,两者的变化趋势是相反的。仿真采用TSMC 0.18 μm RF CMOS Spice模型,PMOS管和NMOS管的尺寸为W/L=15 360 μm/0.18 μm,PMOS管偏压Vpp=1.1 V。因此,选择合适的NMOS管和PMOS管的尺寸,可以使两者的电容之和保持恒定,从而提高线性度。补偿电路原理图如图7所示。

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  在ADS下对采用Cgs补偿技术的功率放大器电路进行线性度仿真,其仿真结果如图8所示。可以看出,采用此补偿技术后,电路的IMD3在一定输入功率范围内提高了约10 dB。

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  2.3 其他线性度提高技术

  本节将简要介绍其中4种常用的技术,即NMOS管补偿技术、共栅管的栅电容补偿技术、Cjd补偿技术和多级DMGTR技术。NMOS管的源级通过一个小电阻连接到栅极后,其栅极电容的变化趋势与NMOS的栅寄生电容也是相反的。因此,对此NMOS管的尺寸合理选择,以及对其偏置做些处理,该电路也可以用来对Cgs的非线性度进行补偿,其原理图如图9(a)所示。共栅管栅端的电容也会贡献相应的非线性度,通过串联一个金属氧化物电容可以减小该点电容的变化,从而提高线性度,其电路原理图如图9(b)。在高频下,Cjd的变化会导致RF MOS管的非线性度。在Cascode结构中,采用两个MOS电容接到地可以减小Cjd的变化,从而提高RF MOS管的线性度,其电路原理图如图9(c)。在DMGTR技术的基础上,在输入功放管旁边再并联一对NMOS管,相当于对gm3进行二次补偿,保证gm3在工作范围内为正值,从而提高线性度,其电路原理图如图9(d)。

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3 设计实现与结果分析

  为了验证上述线性度提高技术的可行性,将其分别应用在了一款功率放大器上。该功率放大器采用Agilent公司的ADS软件仿真验证,在TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺下进行设计。测量该功率放大器的IMD3,并与采用各个线性度提高技术后的IMD3进行比较,实验测试结果如表1所示。

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  由表1的结果可以看出,采用各种线性度提高技术后,功率放大器的IMD3提高了4~10 dB,线性度性能得到改善,证明了本文对RF MOS管非线性模型分析正确可靠以及线性度提高技术正确可行。

4 结论

  基于ADS软件对MOS管的线性度进行研究,并对其非线性进行技术补偿,提出的DMGTR和PMOS线性化技术分别对gm和Cgs的非线性进行补偿。采用DMGTR技术后,电路的IMD3在一定输入功率范围内提高了接近5 dB;采用PMOS补偿技术后,电路的IMD3在一定输入功率范围内提高了接近10 dB,证明了本文对RF MOS管非线性模型分析正确可靠以及线性度提高技术正确可行。

  参考文献

  [1] Wei Cheng,OUDE ALINK M S,ANNEMA A J,et al.RF circuit linearity optimization using a general weak nonlinea-rity model[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:Regular Papers,2012,59(10):2340-2353.

  [2] TERROVITIS M T,MEYER R G. Intermodulation distortion in current-commutating CMOS mixers[J].IEEE J.Solid-State Circuits,2000,35(10):1461-1473.

  [3] YU W,SEN S,LEUNG B H.Distortion analysis of MOS track-and-hold sampling mixers using time-varying Volterraseries[J].IEEE Trans.Circuits Syst.II,1999,46(2):101-113.

  [4] KANG S,CHOI B,KIM B.Linearity analysis of CMOS for RF application[C].IEEE RFIC Symp.Digest. Monterey:IEEE,2002:363-366.

  [5] KANG J,DAEKYU Y,YOUNGOO Y.Highly linear 0.18 CMOS power amplifier with deep n-well structure[J].IEEE J.Solid-State Circuits,2006,41(5):1073-1080.

  [6] WANG C,VAIDYANATHAN M,LARSON L E.A capaci-tance-compensation technique for improved linearity in CMOS classAB power amplifier[J].IEEE J.Solid-State Circuits,2004,39(11):1927-1937.

  [7] KANG J,JEHYUNG Y,KYOUNGJOON M,et al.A highly linear and efficient differential CMOS power amplifier with harmonic control[J].IEEE J.Solid-State Circuits,2006,41(6):1314-1322.


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