第三章 V band 功率放大器
3.3 內建線性器功率放大器設計與分析
3.3.2 偏壓與元件選擇(Bias and Device Size Selection)
功率放大器的設計中，輸出功率(Output Power)、線性度(Linearity)以及轉換 效率(Efficiency)為其中三組重要的參數考量；其參數的表現及特性會因為偏壓高
要設計一放大器，CMOS 則需操作在飽和區(Saturation Region)，其條件為 V
DS
≧V
GS
-VTH
，將此概念代換 ID
，, .
接著利用模擬軟體對於 CS(common source)架構做進一步的證明與分析，並同 時加入 A 類、B 類、AB 類、C 類等各類放大器的偏壓考量。
A 類放大器有著高線性、高增益、寬頻帶且不錯的輸出功率，但在效率
B. 功率放大器元件規格選擇(Device Size Selection of Power Amplifier)
從【式(3-1)】與【式(3-3)】中可以發現，電晶體的閘極寬度(gate width,W) 與閘極長度( gate length, L)比例會影響到汲極電流(I
D
)與轉導函數(Gm
)，如將 其閘極長度設定在 TSMC CMOS 90nm RF 製程的最小值 0.1μm，且頻率設定 在 V 頻段的中心頻率 60GHz，對最大可用/穩定增益( MAG/MSG)與訊號電流 (ids
)分析閘極寬度(1.2μm 到 5μm)可能造成之影響，1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 對最大可用/穩定增益( MAG/MSG)做一個分析的驗證比對，確認這幾組閘極 寬度對於本次設計的頻段是否可用，
MAG /MSG (d B)
Frequency (GHz)
Gate width: 3.6
m
這幾組閘極寬度對於本次設計的頻帶都有著不錯但不甚穩定的增益，不過就 以目前的分析觀點來說皆為可用範圍；然而，以電晶體來說除了閘極的長度 與寬度外，尚有指叉數(Number of Finger)這項可考量的變因，
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Number of Finger
Gate width: 3.6
m
MAG /MSG (d B)
Number of Finger
圖 3-13. 共源極組態在不同通指叉數的 MAG/MSG
從【圖 3-12】中可以了解到訊號電流(i
ds
)對於指叉數依舊呈現線性曲線，而 閘極寬度3.6μm、3.8μm 與 4μm 這三組在比較之下對於其可用功率相對較小 因此忽略考量；【圖 3-13】中得知最大可用/穩定增益( MAG/MSG)於 4.2μm、4.4μm 與 4.8μm 這三組裡可用的指叉數為 12 以下，但為求較大的功率，因此 選用指叉數為 8 與 12 的這兩組跟方才選定出的三組閘極寬度對頻率響應做進 一步的交叉比對。
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
MAG /MSG (d B)
Frequency (GHz)
Gate width(
m) /Number of Finger
W: 4.2
m/N: 8 W: 4.2
m/N: 12 W: 4.4
m/N: 8 W: 4.4
m/N: 12 W: 4.6
m/N: 8 W: 4.6
m/N: 12
圖 3-14. 共源極組態在交叉比較下的 MAG/MSG 頻率響應圖
由於到目前為止的分析皆為理想的共源極組態分析，使我們在考量上對 於增益的穩定需約保留 7 到 10GHz 的經驗範圍以供在阻抗匹配上所造成的衰 減使用，因此最後我們選定閘極長度(gate length, L)為 0.1μm、閘極寬度(gate width, W)為 4.2μm、指叉數為 8 的 RF NMOS 作為元件的規格選定，並根據 此規格做一次理想的 P
1dB
模擬分析。-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
G a in (d B) Po u t(d Bm)
Pin (dBm) Gain
Pout
圖 3-15. 一理想電晶體 P1dB模擬圖
C. 線性器元件規格選擇(Device Size Selection of Linearizer)
本次設計所採用的是 cold-mode 線性器，當【圖 3-16】中的 M1 電晶體 操作在歐姆區(resistive region)，也就是 V
DS
=0 時(圖 3-17)，可以有許多應用，如被動開關 (passive switch) 、電阻式的混頻器 (resistive mixer) 或可調式衰 減器(variable attenuator)；但假設在大訊號操作下，這種偏壓對電 M1 晶體會 有增益增長(gain expansion)的現象，可以和放大器增益壓縮(gain compression) 的現象做補償。
Vd
V
biasV
controlPout AMP
M1
圖 3-16. cold-mode 線性器架構
I
DSV
DSLower power swing Higher power
swing
V
DSI
DSP
incontrol
V
V
bias圖 3-17. cold-mode 線性器原理架構分析
今依據【圖 3-17】可推導出一在歐姆區的 Z
on
，1
( )
on
control bias th
Z k V V V
(3.6)根據上述條件綜合後，可以發現一 cold-mode 線性器可大致等效成一 RC 串 並聯模型，
圖 3-18. cold-mode 線性器等效模型
接著，整合以上所有條件， 將 V
control
定為 1V，分析 Vbias
於 0.2V 到 0.9V 之 間對於 M1 電晶體(0.1μm×2μm×1)的增益增長(gain expansion)現象，-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
G a in (d B)
Pin (dBm) V
biasPh a se (d e g re e )
Pin (dBm)
V
bias-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
G a in (d B)
Pin (dBm)
Gate width
1.2
m 3.6
m
Ph a se (d e g re e )
Pin (dBm) Gate width
1.2
m 3.6
m
`
G a in (d B)
Pin (dBm)
Number of Finger 4 20
Ph a se (d e g re e )
Pin (dBm)
Number of Finger
4 20
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -1.00
-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
p h a se (d e g re e )
Pin (dBm)
PA Power Stage Phase
(C) Power Stage 相位變化
圖 3-21. 線性器對於 M1 指叉數選擇
綜合以上結論，將線性器的規格定在 V