結論 - K頻帶互補式金氧半功率放大器設計

第一章緒論

第二章功率放大器之介紹

第三章變壓器功率結合技術之K頻帶功率放大器

第四章變壓器電流結合技術之K頻帶功率放大器

第五章結論

圖 1-1 論文架構圖

第二章功率放大器之介紹

本章節將介紹功率放大器的應用，和設計時需要考量的一些重要參數，包含功率(Power)、增益(Gain)、效率(Efficiency)及線性度(Linearity)，最後則會分析不同偏壓下放大器的重類。

2.1 概述

功率放大器(Power Amplifier)在無線通訊發射器中是一個相當重要的元件，連接於混頻器(Mixer)及天線(Antenna)之間，如圖 2-1 所示，由於功率放大器是將混頻器提供的訊號放大，傳遞一個有特定線性度的放大訊號給天線，所以線性度必須被考慮，此外，功率放大器通常為整體發射器系統中消耗大部分直流功率，所以功率放大器的效率決定發射器系統的效率，故效率(Efficiency)也必須被考量。

Baseband

Local Oscillator

Antenna Up mixer

RF

PA

圖 2-1 無線通訊發射器架構圖

2.2 功率放大器之重要參數

功率放大器有四個重要的設計考量，分別是增益、功率、效率及線性度，本節將介紹這些重要參數。

2.2.1 功率(Power)

A. 1dB 增益壓縮點(1-dB compression point, P_1𝑑𝐵)

當放大器的輸出功率逐漸增加時，由於非線性效應的產生造成增益被壓縮，

導致增益隨之下降，為了明確定義放大器的線性範圍，如圖 2-2 所示，當增益與線性增益降低 1dB 時，為 1dB 增益壓縮點(P_1dB)，而此時的輸出功率為 1dB 增益壓縮輸出功率(OP_1dB)，輸入功率為 1dB 增益壓縮輸入功率(IP_1dB)。

B. 飽和功率(Saturation power, P_sat)

過了 1dB 增益壓縮點後，增益持續的被壓縮，當輸出功率趨近於飽和時，此時的輸出功率即定義為飽和輸出功率(P_sat)，如圖 2-2 所示。

P

^1dB

1dB

P

^sat

IP

^1dB

OP

^1dB

P

ⁱⁿ

(dBm) P

^out

(dBm)

圖 2-2 1dB 增益壓縮點及飽和功率示意圖

2.2.2 效率(Efficiency)

在發射器系統中，功率放大器消耗了大部分的直流功率，然而，對於設計功率放大器常常需要在效率和線性度之間做出取捨，例如：偏壓操作在 A 類(Class A) 的功率放大器有較佳的線性度，但效率較差，反之，偏壓操作在 B 類(Class B)的功率放大器有著較佳的效率，但線性度較差，所以要同時達到好的效率和線性度是相當困難的。

A. 汲極效率(Drain efficiency, η)

汲極效率的定義為輸出功率(output power, P_out)與直流消耗功率(DC power consumption, P_DC)的比值，如式(2-1) 。

η=

^P^out

PDC

^(2-1)

B. 功率輔助效率(Power-added-efficiency, PAE)

功率輔助效率的定義為功率增益(power gain)與直流消耗功率的比例，如式 (2-2) 。

PAE=

^P^out_P^−Pⁱⁿ

^(2-2)

汲極效率與功率輔助效率之間的差異在於輸入功率，汲極效率為直流消耗功率能轉換多少輸出功率；而功率輔助效率為直流消耗功率能轉換多少功率增益，

而要評估功率放大器的效率，功率輔助效率是一個較佳的選擇。

2.2.3 線性度(Linearity)

功率放大器通常是操作於大訊號，產生的非線性效應會影響輸出功率，造成輸出訊號失真，造成發射器無法傳輸正確的訊號，故線性度對功率放大器來說是一個重要的指標。

A. 振幅調變特性(AM-AM characteristic)

振幅調變特性描述著輸出訊號振幅與輸入訊號振幅之間的關係。在一個線性系統中，輸出訊號振幅與輸入訊號振幅的比例會為一個常數，但是在非線性系統

中便非如此，為了簡化非線性系統的行為，我們假定非線性系統是無記憶和不時變，並使用三接近似的冪級數來表示此非線性模型，如式(2-3)所示。

y(t) ≈ k₁∙ x(t) + k₂∙ x²(t) + k₃∙ x³(t) (2-3) y(t)為輸出電壓，𝑥(𝑡)為輸入電壓，𝑘_i代表個冪次的係數。

當輸入一個弦波訊號

x(t) = A cos ωt (2-4) 將式(2-4)代入式(2-3)後，輸出訊號為

y(t) = k₁Acos ωt + k₂A²cos²ωt + k₃A³cos³ωt (2-5) 重新整理後得到

y(t) = k₁Acos ωt +^k²₂^A²(1 + cos 2ωt) +^k³₄^A³(3cos ωt + cos 3ωt) (2-6) y(t) =^k²^A²

2 + (k₁A +^3k³^A³

4 ) cos ωt +^k²^A²

2 cos 2ωt +^k³^A³

4 cos 3ωt (2-7) 從式(2-7)，定義基頻(fundamental, ω)增益為輸出訊號之基頻項係數除以輸入訊號之係數，表示如下

Gain =^(k¹^A+

3k3A3 4 )

A = k₁+^3k³₄^A² (2-8) 從式(2-8)得知，當輸入訊號很小時，增益由係數𝑘₁決定，增益是線性的；當輸入訊號越來越大時，𝐴²會大到無法被忽略，而係數𝑘₃通常是負值，故增益被壓縮。

B. 相位調變特性(AM-PM characteristic)

相位的非線性效應也是會造成輸出訊號的失真，而在輸出功率較小時，

相位偏移為一個常數，但當輸出功率變大時，相位位移會以函數的方式變化。

C. 三階交互調變失真(Third-order intermodulation distortion, IMD3)

當雙頻(two-tone) 訊號進入一個非線性系統，輸出訊號會產生雙頻訊號的混頻，這種現象稱作交互調變(intermodulation, IM)，輸入隻雙頻訊號為

x(t) = A₁cos ω₁t + A₂cos ω₂t (2-9)

12 真(third-order intermodulation distortion, IMD3)為輸出之三階交互調變振幅與基頻振幅的比值，表示如下

D. 三階互調截點(Third-order intercept point , IP3)

在雙頻測試中，三階互調截點(Third-order intercept point, IP3) 為輸出之基頻功率與三階交互調變功率之延伸交會點，如圖 2-5 所示，此交會點意謂在一個特

13 E. 鄰近通道功率比(Adjacent channel power ratio, ACPR)

鄰近通道功率比為鄰近頻帶(adjacent frequency channel)之積分功率與我們所需要之頻帶(desired channel)積分功率的比值，為評估一系統功率干擾到鄰近頻帶功率的程度指標。而整體的鄰近通道功率比(total adjacent channel power ratio, ACPR_T)，表示如下

P

⁰

ω

^L¹

Power

P

^UA

P

^LA

ω

^L²

ω

^M¹

ω

^M²

ω

^U¹

ω

^U²

ω

圖 2-6 鄰近通道之功率頻譜示意圖 F. 誤差向量振幅(Error vector magnitude, EVM)

調變訊號(modulated signal)經由發射器發射或接收器接收都會有理想位置 (ideal location)的星座點(constellation point)，然而，由於訊號調變不完美或是系統非線性的因素，造成星座點偏移的現象，於是定義誤差向量振幅(Error vector magnitude, EVM)為量測實際訊號與理想訊號在星座圖上之間的誤差，如圖 3-7 所示。

Error vector

Q

Measured signal

I

Ideal signal

圖 2-7 誤差向量振幅示意圖

2.3 功率放大器種類

依據不同功率電晶體應用觀點的分析，以弦波輸入為基準波形，在各種不同的偏壓狀態下依輸出電流導通角的大小，會有不同種類的功率放大器類型：依電晶體功率操作模式下又可區分為兩大類：放大模式功率放大器(Amplification Mode Amplifiers)與切換模式功率放大器(Switch Mode Amplifiers)兩種類別，放大模式的電晶體以電流源(Current Source)的方式工作，而切換模式則以開關的方式工作。

在各種不同的偏壓方式與輸出功率下，此兩類放大器又各自區分為許多種類型，放大模式功率放大器其中包含了 A 類、B 類、C 類及 AB 類等，而切換模式功率放大器則是包含 D 類、E 類、F 類等。

2.3.1 A 類(Class A)功率放大器

A 類功率放大器的電晶體，靜態偏壓點操作在飽和區，使電晶體都維持在導通的狀態，故導通角度α 為 2π，如圖 3-8 所示，優點為電晶體提供了一個良好的線性轉導(gm)，使得輸出訊號的失真程度降至最小，但電晶體會持續性的在導通狀態下，導致功率消耗較大，效率較低，理想上 A 類功率放大器的最高效率僅可達到 50%。

Vmax

V^Q

Vth

V

ωt

Imax

I

ωt

圖 2-8 A 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖

2.3.2 B 類(Class B)功率放大器

B 類功率放大器電晶體的靜態偏壓點為V_gs = V_th，將電晶體偏壓操作在截止區(Cutoff Region)邊緣，如圖 3-9 為 B 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖，

當輸入弦波在正半週時電晶體導通，負半週時電晶體截止，導通角度α 為 π，於靜態偏壓點時，電流為零，沒有功率消耗，理想上，效率可達 78.5%，但由於只有半個週期的導通角度，所以線性度不佳。

V^max

VQ=Vth

V

ωt

I^max

I^Q=0

I

π 2π

ωt

圖 2-9 B 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖

2.3.3 AB 類(Class AB)功率放大器

圖 3-10 為 AB 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖，AB 類功率放大器電晶體的靜態偏壓點操作在 A 類與 B 類之間，導通角度 α 為 π~2π，是對線性度及效率兩者之間所作的取捨，理想上，效率介於 50%到 78.5% 間，其整體電路的效能也介於 A 類與 B 類之間。通常設計功率放大器時，為了要有不錯的線性度和效率，會選擇在 AB 類的偏壓。

V^max

Vth

V

ωt

I^max

I^Q 0

I

π 2π

ωt

圖 2-10 AB 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖

2.3.4 C 類(Class C)功率放大器

C 類功率放大器電晶體的靜態偏壓點為V_gs < V_th，導通角度α 低於 π，線性度差，如圖 3-11 所示，所以輸出訊號會受到嚴重的失真，但理想上，最高效率可達到 100%，相對的功率增益(Power Gain)與輸出功率(Output Power)也趨近於零，

使得功率可以傳送的範圍下降，實際上只會剩下 60 %的效率。

V^max

V^Q Vth

V

ωt

I^max

I

π 2π

ωt

I^Q=0

圖 2-11 C 類功率放大器之導通角度電壓電流波形圖

第三章 Half-turn 變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放大器

本章將介紹一個利用變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放大器，本電路使用標準 0.18 μm CMOS 製程模擬驗證並實現，功率電晶體元件採用疊接組態，使用變壓器功率結合技術，使用半圈之變壓器，並採用上下耦合(Broadside couple)的方式，達到節省晶片面積效果，本章節之電路設計步驟包括偏壓選擇、電晶體尺寸、變壓器功率結合技術之原理與設計等，會被詳細介紹，最後電路模擬與量測結果將呈現所提出變壓器功率結合技術之可行性，量測結果在供應電壓源為 3.6 V 時，直流功率消耗為 421.2 mW；在 23.5 GHz 時，量測小訊號增益為 12 dB，輸出飽和功率(P_sat)為 22.5 dBm，輸出 1dB 增益壓縮功率(OP_1dB)為 18.1dBm，最高功率附加效率(PAE)為 21.8%，晶片佈局面積為0.46 mm × 0.62 mm。

3.1 簡介

由於製程技術越來越先進，閘極長度越來越小而降低了電晶體崩潰電壓，限制住了單顆電晶體輸出功率，因此為了提高輸出功率，功率結合是最常用的技術，

常見的功率結合技術有直接並聯結合(Direct Shunt combine)、Wilkinson 功率結合器(Wilkinson Power Combiner)、90 度耦合器(90˚ coupler)、變壓器結合(Transformer Combine)等。直接並聯結合在多個功率元件並聯時，會使阻抗越並越小，需要較大的阻抗轉換，造成匹配網路設計上的困難；Wilkinson 功率結合器會需要用到多個四分之一波長傳輸線，90 度耦合器也會用到多個耦合器，會增加晶片尺寸；

而變壓器結合在進行差動轉單端(Differential-to-single-ended)的轉換時，可達到功率元件之功率結合，同時，可藉由本身阻抗轉換的特性來實現輸入與輸出的匹配網路，在差動訊號操作產生之虛接地(Virtual ground)，可以實現射頻接地，並減少旁路電容(Bypass Capacitor)的使用，另外直流偏壓可經由變壓器之中心抽頭

(Center tap)給入功率元件中，減少射頻阻扼流圈(RF chokes)和直流阻斷器(DC blocks)之使用，進而簡化功率放大器偏壓電路的設計，如圖 3-1 所示，利用較小的尺寸達到較高的輸出功率。

V^DD

RF^out

LC Matching Network

RF^out V^DD

(a) (b)

圖 3-1 (a) LC 匹配網路架構圖 (b) 變壓器匹配網路架構圖

3.2 變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放大器設計 3.2.1 偏壓分析與選擇

功率放大器的設計中，輸出功率(Output Power)、線性度(Linearity)以及效率 (Efficiency)為其中三組重要的考量參數，而偏壓選擇也決定了放大器的種類與特性，傳統上A類(Class A)放大器有著高線性、高增益及不錯的輸出功率，但效率較差，而B類(Class B)放大器有著較佳的效率，但線性度及增益較差，如果要維持不錯的功率增益及效率，功率放大器可選在AB類(Class AB)的偏壓區間。在標準的0.18-μm CMOS製程中，單顆電晶體的汲極額定電壓在崩潰電壓(Breakdown voltage)與系統給定之考量下為1.8 V，在利用電晶體上的閘源極偏壓(V_gs)來分析

在文檔中 K頻帶互補式金氧半功率放大器設計 (頁 24-112)

結論

第二章 功率放大器之介紹

2.1 概述

Baseband

Local Oscillator

Antenna Up mixer

RF

PA

2.2 功率放大器之重要參數

2.2.1 功率(Power)

P

P

IP

OP

P

(dBm) P

(dBm)

2.2.2 效率(Efficiency)

η=

PAE=

2.2.3 線性度(Linearity)

P

ω

Power

P

P

ω

ω

ω

ω

ω

ω

Q

I

2.3 功率放大器種類

2.3.1 A 類(Class A)功率放大器

V

ωt

I

ωt

2.3.2 B 類(Class B)功率放大器

V

ωt

I

ωt

2.3.3 AB 類(Class AB)功率放大器

V

ωt

I

ωt

2.3.4 C 類(Class C)功率放大器

V

ωt

I

ωt

第三章 Half-turn 變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放 大器

3.1 簡介

3.2 變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放大器設計 3.2.1 偏壓分析與選擇

第二章功率放大器之介紹

第三章 Half-turn 變壓器功率結合技術之 K 頻帶功率放大器