基于65-nm CMOS工艺的W波段两路电流合成型功率放大器的设计

黄占秋 张旭 赵晨曦 康凯

0 引言

近年来人们对高速率无线通信的需求日益提升,频率较低的频带范围(<10 GHz)被蓝牙、Wi-Fi、4G、5G通信等应用占据,频谱资源已经消耗殆尽,而频率较高的毫米波频带范围具有充足的频谱资源,因此具有广泛的应用前景[1-2]．W波段电磁波由于在大气中的衰减较小,且对云、雾、雨的穿透特性好,因此在全天候雷达系统中有着良好的应用背景[3-4]．在W波段的雷达系统中,功率放大器(Power Amplifier,PA)是一个十分关键的模块,其输出功率和效率直接决定了雷达系统的探测距离和功耗,因此设计高输出功率、高效率的功率放大器是一项十分必要的工作．通常W波段的功率放大器由基于Ⅲ-Ⅴ族的工艺实现,它具有高截止频率、高耐压的特性,因此能实现更高的增益和输出功率．但Ⅲ-Ⅴ族工艺不易与基于CMOS工艺的数字电路集成在一起,且生产成本高．CMOS工艺的优点是集成度高、成本低,而近年来它的工艺节点已经来到了深亚微米级,器件的最大振荡频率(fmax)超过200 GHz,因此非常适合毫米波相关应用,最近基于 CMOS 工艺的PA研究也越来越热门．2012年,Tsai等[5]基于65-nm CMOS工艺设计出了工作在W波段、带宽为27 GHz的PA,其饱和输出功率达到了14.8 dBm;同年,Gu等[6]采用65-nm CMOS工艺设计出了一款工作在101～107 GHz的功率放大器,饱和输出功率(Psat)为14.8 dBm,峰值功率附加效率(PAE)为9.4%;2018年,Vigilante等[7]采用28-nm CMOS工艺设计出了一款具有AM-PM失真补偿效果的超宽带PA,其小信号3-dB 带宽达到了29～57 GHz,通过调节补偿偏压,可以将工作频带内的AM-PM失真控制在1°以内,实现了很高的线性度;2019年,El-Aassar等[8]采用45-nm CMOS工艺设计了一款3-dB带宽为DC到108 GHz的超宽带分布式PA,采用堆叠式结构将PA的供电电压提升到6.6 V,最终实现了20.8 dBm的线性输出功率．

为了实现高输出功率、高带宽以及高效率,本文采用65-nm CMOS工艺设计了一款工作在W波段的功率放大器,通过三级级联以提升PA的整体增益,采用两路功率合成来提升输出功率,所有匹配网络均采用变压器结构实现,以此来增大带宽及减小版图面积．仿真结果显示所设计PA的3-dB带宽达到了20 GHz(84～104 GHz),小信号增益12.7～15.7 dB,饱和输出功率14.6 dBm,峰值功率附加效率(PAE)为9.7%,电路核心面积仅为0.115 mm2．

1 有源电路设计

PA整体结构如图1所示,采用了两路差分功率合成的架构,通过三级基于中和电容的共源结构级联以实现高增益和稳定性．级间匹配网络和输入、输出匹配网络均采用变压器实现,大幅减小版图面积．

图1 功率放大器原理图Fig.1 Schematic of the proposed PA

共源级是PA常用的一种电路结构,其优点是输出端回波损耗会比较小,S22一般能做到-10 dB以下．然而由于CMOS工艺不提供背孔,因此其接地特性不好,而差分结构天然具有“虚地”特性,可以屏蔽掉芯片外围bonding线对电路性能的影响,因此CMOS功率放大器多用差分结构实现[9]．图1显示所设计的PA有源电路采用差分共源结构．差分结构除了具有接地特性良好的优点外,还能将单端负载上的电压摆幅扩大为原来的两倍,从而提升输出功率[10]．MOS管的栅漏寄生电容CGD的存在会引入一个负反馈路径,降低信号从栅极到漏极的增益及隔离度,从而引起稳定性问题．Cneu为中和电容,将其交叉……