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CMOS射频功率放大器的设计方法

2008-06-02
作者:支传德,杨华中,汪 蕙

摘 要:使用主流的CMOS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CMOS射频功率放大器的研究热点和设计难点,重点讨论了负载线" title="负载线">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(EER)的线性扩展法,能满足宽带通信系统的功率放大需要。
关键词:CMOS 射频  功率放大器  包络消除与恢复  线性区扩展

 

    手机、无绳电话、射频标签(RFID)、无线局域网(WLAN)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,输出功率一般比较大。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" title="线性度">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GaAs器件,但是,GaAs器件比CMOS Si器件造价高,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、DSP电路等用主流的CMOS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CMOS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,而200mW以上、高效率、高线性的深亚微米" title="深亚微米">深亚微米CMOS射频功率放大器仍然是CMOS片上系统最难实现的组件之一。
    从二十世纪80年代初[1]人们就开始尝试采用CMOS工艺进行功率放大器的研究和设计,直到1994年[2],才出现CMOS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[3~6]从系统组件的层次进行研究,而使用CMOS工艺实现片上功放线性化" title="线性化">线性化的论文更少。
    从历史发展和目前的研究现状来看:CMOS工艺尺寸减小,击穿电压下降;工作频率升高,高频增益下降;电源电压降低,放大管导通电阻消耗功率的比重加大,导致加性功率效率(PAE)降低。也就是说,CMOS工艺的进步除了提高功放的工作频率外,对输出功率、线性度、PAE等指标的改善难度加大,实现起来更困难。
1 CMOS射频功率放大器的设计难点和研究热点
    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:为了提高输出功率,放大管的输出阻抗和负载阻抗一般不成共轭匹配关系,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轭阻抗匹配方法,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;而共轭匹配理论假设放大管的驱动能力不受限制,输出电压摆幅也不受限。另外,共轭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]
1.2 功率放大器的研究热点
    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,PAE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;输出功率从最大值回退时,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意义的指标,其定义为[8]

 


    是输出功率的概率密度函数;分别表示输入功率函数、输出功率函数、平均功率效率。
    在类似CDMA的多载波系统中,当峰均比为10dB时,A类功放的理论平均功率效率仅为5%、B类为28.5%,考虑到实际电路因素,平均功率效率还要远低于此值。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,信号需要线性放大,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:
    (1) 如何提高功率效率,特别是平均功率效率;
    (2) 如何提高功放的线性度。
1.3  研究CMOS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CMOS工艺中,管子的沟道夹断电压比较高,有的甚至达到供电电压的一半[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,仍然是亟待解决的难题之一。另外,深亚微米CMOS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现相同性能指标功放的难度增大。最后,深亚微米CMOS硅衬底阻值比较低,一般在0.01~10Ω/cm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CMOS射频功率放大器设计的难题。
2 CMOS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OFDM/OFDMA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,防止干扰相邻信道,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。一般采用第二种方法。
    (1)功率回退
    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入信号的强度,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
    这种方法在输入端对基带信号进行预失真,补偿调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,实现起来比较复杂。随着现代制造工艺的飞速发展,采用CMOS数模混合的预失真方法,将是未来几年深亚微米CMOS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CMOS射频领域应用受限的两大因素,一是信号延时比较大,二是CMOS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2GHz射频功放,从输入到输出的延时一般为5~30ns。如果延时降低5~10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入端的信号相比较,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,所以在沉寂了半个世纪后又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(LINC)
    另外一种比较常用的线性化方法,是利用非线性器件(LInearization using Nonlinear Component,LINC)或组件实现整个模块的线性化方法,又称反相相位法(out-phasing)。它把幅度时变的带通信号分离成两个常包络且调制相位相反的时变相位信号,分别放大后在输出端进行功率合成。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、功耗大等问题;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CMOS功放系统。
    (6)包络消除与恢复(EER)
    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,输出射频信号。相位和幅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,提高线性性能比较方便。缺点是需要补偿相位、幅度两路径的延时差;而且限幅器使用CMOS工艺不容易实现。
    (7)Doherty
    这种方法的原理是:在主功率放大器出现功率压缩时,利用辅功率放大器的功率增益扩展功能作补偿,在输出端进行功率合成,形成线性的输入输出关系。它不仅能改善系统的线性性能,而且能提高输出功率和功率效率。这种方法的主要问题,一是增益变化和相位偏差导致线性度进一步恶化,二是辅功率放大器的实现非常难,三是它不能消除AM/AM、AM/PM失真。
2.2 提高CMOS射频功率放大器功率效率的方法
    现代通信系统要求移动终端的工作时间尽可能地长,而终端中消耗能量最多的是功放,因此希望功放的功率效率尽可能地高。但是,功放的功率效率和线性度之间是相互矛盾的,效率的提高往往以牺牲线性度为代价,在设计中需要寻求折中方案。上一节讨论的一些线性化方法,如LINC、Doherty、EER,在宏观层次上能提高功放的功率效率。另外,比较常用的提高功放功率效率的方法还有自适应偏置法。它的电路结构与EER方法类似,唯一不同的是它没有限幅器,射频信号直接进入功率放大器输入端。它不像EER那样对包络信号的调制范围和线性度要求很精确,但是它对平均功率效率的改善不是很明显,可以作为一种辅助手段综合应用。
3 改进型包络消除与恢复线性化电路
    David Su等已经实现了采用EER方法的CMOS功放系统[3]。此系统的信号带宽只有30kHz,只能用于语音窄带系统。根据研究,EER线性化结构的交调失真在- 60dBc~-20dBc范围内时,与信号带宽BRF和两通道间延时差

 


 

    当信号带宽为30kHz、交调失真在-40dBc以下时,两通道间延时差满足1.3?滋s即可;若信号带宽为1MHz、交调失真在-30dBc以下,则两通道间的延时差必须控制在70ns以内。这时,电源调制电路使用Δ调制就非常困难了。为满足1MHz信号带宽、-30dBc的交调指标,本文提出了一种基于双回路反馈的EER线性化方法,如图1所示。

 


    因为整个电路的线性性能取决于包络路径的线性性能,所以在原反馈电路的基础上对改进PWM电路、Buck开关电源电路引入另一条反馈回路,有效改善Buck开关电源电路中低通滤波器引起的延时,进一步提高其线性性能。
    另外,为满足1MHz带宽要求,包络通道和相位通道的延时差必须控制在70ns以内,所以电路引入一个延时判决电路,判断相位信号是经过延时后输入功放,还是直接进入功放。
参考文献
1 K.E. Brehmer and J.B. Wieser.Large swing CMOS power amplifier. IEEE JSSC 1983
2 M. Rofougaran.A 900 MHz CMOS RF Power Amplifier With Programmable Output Power. IEEE Symposium on VLSI Cir-
   cuits, 1994
3 David Su.An IC For Linearizing Rf Power Amplifiers Using Envelope Elimination And Restoration. IEEE JSSC1998
4 Bo Shi.Design and implementation of a CMOS power feed back linearization IC for RF power amplifiers. IEEE ISCAS 1999
5 Po Chiun Huang. A 2-V CMOS 455-kHz FM/FSK demodulator using feed-forward offset cancellation limiting amplifier.IEEE JSSC 2001
6 Joel L. Dawson. Automatic phase alignment for a fully integrated Cartesian feedback power amplifier system. IEEE JSSC 2003
7 Steve C. Cripps. A Theory for the Prediction of GaAs FET Load-Pull Power Contours. IEEE MTT-S Digest 1983
8 F. H. Raab. Average efficiency of power amplifiers. Proc.RF Technology Expo '86, Anaheim, CA,pp. 474-486, Jan. 30-Feb. 1, 1986.
9 Mona M. Hella. RF CMOS Power Amplifiers—Theory,Design and Implementation. Kluwer Academic Publishers 2002
10 F.H. Raab. Envelope elimination and restoration system requirements. in Proc. RF Technology Expo '88, Anaheim, CA, Feb. 1988, pp. 499-512

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