摘要：利用共源共柵電感可以提高共源共柵結(jié)構(gòu)功率放大器的效率。這里提出一種采用共源共柵電感提高效率的5.25GHzWLAN的功率放大器的設(shè)計方案，使用CMOS工藝設(shè)計了兩級全差分放大電路，在此基礎(chǔ)上設(shè)計輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，然后使用ADS軟件進行整體仿真，結(jié)果表明在1.8V電源電壓下，電路改進后與改進前相比較，用來表示功率放大器效率的功率附加效率（PAE）提高了兩個百分比。最后給出了功放版圖。
功率放大器是射頻發(fā)射機中的必不可少組成部分，它的主要功能是提供整個通信系統(tǒng)在發(fā)射信號與接收信號時的運作功率。通信系統(tǒng)中消耗能量最多的就是功率放大器，人們希望功率放大器的效率盡可能高，這樣就減少電池的消耗，從而延長電池的使用壽命。
多年來，人們對于功率放大器的效率提高技術(shù)做了很多有價值的研究，如自適應(yīng)偏置技術(shù)、EER技術(shù)、Doherty技術(shù)以及LINC技術(shù)等等，這些方案雖然巧妙，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不適合用于便攜式通信終端的開發(fā)，本文中采用共源共柵電感對電路進行改進，從而提高功率放大器的效率。
1 共源共柵電感的工作機理
本次功率放大器設(shè)計中使用到共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)，這種共源共柵管的源極存在著較大的寄生電容，這在本次5.25GHz功率放大器的設(shè)計中是不得不考慮的。由模擬電路知識可知：如果電路中有電容，那么電路上的信號就要對電容進行充放電。所以共源共柵管源極的寄生電容就要從電源汲取電流進行充放電，這樣勢必增加了額外的功耗，從而降低了功率放大器的效率。
如果給這些寄生電容提供一種能量交換渠道，使其盡可能少地從電源處汲取電流，那么就會降低這些寄生電容對功率放大器效率的影響。根據(jù)對模擬電路的基本認識，不難想到可以引入電感，電感和寄生電容之間可以進行能量的交換，從而減少了寄生電容對電源處電流的依賴，也就減少了額外功耗，會在一定程度上提高功率放大器的效率。圖1是上述思想的具體實現(xiàn)，中間的共源共柵電感是一個對稱型電感，可以拆成兩個電感量相同的電感，他們的電感量是該對稱型電感的一半。加入輸入信號后，電感與共源共柵管的源極寄生電容會發(fā)生諧振，進行能量的交換，這就降低了寄生電容充電時對電源處電流的依賴程度。
本次A類兩級功率放大器設(shè)計，原理圖中第一級加入了共源共柵電感，第二級并未添加，主要是從版圖面積的角度考慮的，因為電感在芯片中所占用的面積比其他元件都要大很多。此外，在進行版圖設(shè)計時，有意將原理圖中一個共源共柵電感拆分成兩個電感，這是為了提高電路結(jié)構(gòu)的對稱性，從而有利于功率放大器的整體性能，關(guān)于這一點，將在后面的版圖設(shè)計中進行分析。
圖1共源共柵電感的應(yīng)用
2 功率放大器設(shè)計
放大電路如圖2所示，電路結(jié)構(gòu)為差分形式，采取兩級放大，分別為驅(qū)動級和輸出級。驅(qū)動級采用差分的共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)，可以提供適當?shù)碾妷涸鲆妫惠敵黾壱彩遣罘值?strong>共源共柵結(jié)構(gòu)，在提供一定的電壓增益的同時，還提供輸出功率，這種結(jié)構(gòu)可以提高功放輸出電壓的擺幅，從而降低對MOS管最大電流能力的要求，提高功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp和Cn在提高隔離度的同時起到級間阻抗匹配的作用。電感Lp1、Lp2、Ln1、Ln2用作負載，電感Lnp用來抵消源極寄生電容對功放效率的影響，其中Lp1、Ln1和Lnp采用工藝庫里的片上螺旋電感來實現(xiàn)，而Lp2和Ln2可以采用高Q值的鍵合線電感實現(xiàn)，這樣可以有效提高功放的增益，當然只要工藝條件允許，在對增益要求不是很高的情況下，也可以采用工藝庫里的片上螺旋電感來實現(xiàn)。單路輸入信號經(jīng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成兩路信號Vpin和Vnin,放大后的兩路信號Vpout和Vnout經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成一路信號送至天線。其中，輸入匹配采用共軛匹配以達到最大增益，輸出匹配采用功率匹配以輸出最大功率，都是以簡單的LC匹配網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)形式，通過高頻輔助設(shè)計軟件ADS中的Smithchart來設(shè)計。
圖2 兩級A類放大電路結(jié)構(gòu)示意圖
3 仿真結(jié)果
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