Design of Ka-band CMOS stacked power amplifier with temperature compensation
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摘要: 介绍了一款基于55 nm CMOS工艺，带温度补偿电路的Ka波段堆叠高效功率放大器（power amplifier，PA）.采用了一种新型的针对晶体管堆叠结构的温度补偿电路，该补偿电路由两个二极管和四个电阻组成，结构简单，易于实现.通过调整堆叠放大器各个栅极偏置电路中的电压，使得PA随温度变化的增益和输出功率得到有效补偿，增强了电路的可靠性和热稳定性.基于Agilent ADS软件的版图仿真结果显示：电路的最大输出功率为20.1 dBm，频带内功率附加效率（power additional efficiency，PAE）为20%~30%，大信号功率-1 dB带宽为15 GHz（46%）.在-40℃到125℃的温度范围内，采用新型温补偏置电路与传统偏置电路相比，小信号增益的温度波动从2.2 dB改善到0.1 dB，显著提高了功放的热稳定性，证明了所提出的温度补偿电路对于在宽温度范围内校正功率放大器增益变化的有效性.
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关键词:
- 功率放大器(PA) /
- 堆叠 /
- 温度补偿 /
- 宽带 /
- 55 nm CMOS
Abstract: This paper presents a Ka-band stacked high-efficiency power amplifier(PA) with a temperature compensation circuit in 55 nm CMOS technology. A novel temperature compensation circuit for the stacked PA is proposed. The compensation circuit consists of two diodes and four resistors which is easy to implement. By optimizing the gate voltage of each layer in the bias circuit of the stacked PA, the gain and output power of the stacked PA with temperature variation are effectively compensated, which enhances the reliability and thermal stability of the circuit. The simulation results based on Agilent ADS software show that the maximum output power is 20.1 dBm, 20%-30% of power added efficiency (PAE) is achieved in the entire band, and the large signal power -1 dB bandwidth is 15 GHz (46%). The temperature fluctuation of the small signal gain is improved from 2.2 dB to 0.1 dB in the temperature range from -40 ℃ to 125 ℃ compared with conventional bias circuits. It has been demonstrated that the presented temperature-compensation circuit is effective for correcting gain variation of a power amplifier in a wide temperature range.-
Keywords:
- power amplifier /
- stacked /
- temperature compensation /
- broadband /
- 55 nm CMOS
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引言
毫米波波段以其频段高、容量大等优势成为新一代5G移动通信技术的选择.但是由于毫米波在传输过程中的功率损耗、覆盖范围等问题, 应用在此波段的无线通信系统设计仍面临许多挑战, 因此应用于毫米波波段的无线通信系统研究成为热点[1].功率放大器(power amplifier, PA)作为无线通信系统中的核心组成部分, 其输出功率、效率等严重制约着系统的功耗以及传输距离等性能.因此, 设计一款能够面向5G毫米波应用的宽带, 拥有高功率、高效率的PA至关重要.
基于传统的III-V族化合物工艺设计的PA虽然能实现较高的输出功率, 但成本较高.而CMOS工艺由于具有易于系统集成等优点, 成为系统小型化及低成本的最佳工艺选择.
然而, CMOS器件性能受外部环境温度以及自热效应的影响明显[2], 所实现的系统具有很大的温度依赖性.为了抑制温度变化引起的功放增益变化以及线性度下降等问题, 可使用片外稳压器[3-4]或衰减器[5]和片上的温度传感器相结合, 但是这种方法同时会使片上面积变得更大; 文献[6]中提出了一种无需外部反馈电路的温度补偿方法, 使热稳定性得到了一定的改进; 文献[7]中采用电流源栅极偏置电路降低了输出功率的温度漂移; 文献[8]通过将指数电流转换器与PTAT电流相结合, 实现了温度补偿的dB线性增益控制, 占用芯片面积较小; 文献[9]设计了一款通过类似于差分电压结构实现的温度探测和补偿放大器; 文献[10]中报道了一种带温度补偿的PA, 所设计的偏置网络由二极管和电阻组成, 结构简单, 易于实现.因此, 采用片上温度补偿电路[4-5]成为实现小型化的优选设计方案.目前, 越来越多的大功率PA采用堆叠结构实现, 但是堆叠结构的温度波动问题与传统功放相比同样重要并且亟待解决.上述的解决方案虽然对于单级和多级PA的温度波动问题提出了一些解决措施, 但是没有针对堆叠结构PA温度补偿的相关研究.
本文首先分析了基于CMOS工艺的单管增益温度特性, 通过理论推导和仿真分析, 借助二极管和电阻等元件, 提出了一种针对堆叠结构放大器的多层温度补偿电路.然后结合所提出的补偿网络, 设计了一款三堆叠结构PA.通过版图仿真, 得出电路在不同温度下(-45 ℃~125 ℃), 小信号增益和大信号的输出功率Pout、功率附加效率(power additional efficiency, PAE)、带宽等性能指标的变化, 并与不含补偿网络的常规堆叠结构放大器进行对比, 验证本文提出的温度补偿结构的补偿特性.
1 放大器温度补偿电路
1.1 放大器增益的温度特性
硅基CMOS PA的增益随着温度的升高而降低[10], 而工作在AB类的CMOS PA的增益随着栅极电压的增加而增加[11].因此, 为了补偿放大器随温度而产生的增益变化, 可以通过控制CMOS的栅极电压来实现. 图 1是单级放大器的栅极电压在-40 ℃、25 ℃、27 ℃和125 ℃四个温度点下仿真得到的增益特性.由图 1可知, 当栅极电压Vg不变时, 随着温度升高, 放大器增益降低.当温度保持不变时, 随着Vg升高, 放大器增益变大.因此, 在-40 ℃到125 ℃的温度范围内, 可以通过控制Vg在0.51 V到0.61 V之间变化, 从而稳定放大器增益.
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图 1 单级放大器不同温度下的仿真增益曲线Fig. 1 Simulated gain characteristics of a single-stage amplifier at different temperatures1.2 堆叠结构的温度补偿
通过设计合理的电路来实现温度调节栅极电压Vg的大小, 从而补偿温度变化引起的放大器增益的变化.在本节中, 提出了一种针对堆叠结构的温度补偿电路, 能够同时对堆叠结构中的各层晶体管提供相应的栅极电压.
以三层堆叠为例, 图 2为适用于三层堆叠结构的温度补偿电路原理图.温补电路由二极管D1和电阻R1串联组成. I和Vd是电流和通过二极管的电压.栅极电压Vg3由栅极控制电压VB决定. Vg1、Vg2、Vg3通过Vg3分压的方式得到, 分别为下层、中层和上层晶体管提供栅极电压.其中, 二极管的电流、电压Vd公式为
I=IS(exp(qVdnkT)−1). (1) ![]()
图 2 堆叠结构温度补偿电路原理图Fig. 2 Schematic of the temperature-compensation circuit for stacked amplifier式中:q为载流子浓度; k为玻尔兹曼常数; T和n分别代表温度和晶体管的一个理想因子; IS是有关温度的一个函数, 公式为
IS=SA∗T2exp(−qϕβkT). (2) 式中:S是二极管的结尺寸; A*是与温度无关的常量; ϕβ是肖特基势垒电压(仅取决于材料).
由图 2中的电路拓扑可以得到
Vg3=IR1=VB−Vd. (3) 通过文献[10]的分析和化简式(1)、(2)、(3), 可以发现Vg3随温度的升高而增加, 在温度Th和温度T1(Th > T1)之间的Vg3的变化(ΔVg3)可以通过式(4)计算:
ΔVg3=∫ThT1∂Vg∂TdT=∫ThT1nkq(ln(SRA∗)+2lnT+2)dT=nkq(Th−T1)ln(SRA∗)+2nkq(ThlnTh−T1lnT1). (4) 结合公式(4)和文献[10]的分析可知, Vg3随着S和R的增加而增加, 因此, 通过改变S和R可以微调Vg3的值.同时, 随着温度的升高, Vg3升高, 堆叠结构顶层晶体管的增益得到补偿.
由图 2拓扑结构可得Vg1、Vg2的公式为:
Vg1=Vg3R3R1+R2+R3; (5) Vg2=Vg3R2+R3R1+R2+R3. (6) Vg1、Vg2均与Vg3成正比, 且随着温度升高而变大.它们随温度变化的趋势如图 3所示, 由下至上, 栅极供电电压Vg随温度变化的斜率越来越大, 刚好补偿各层晶体管受温度变化导致的性能变化.
理论上, 晶体管的栅极偏置电压需使各层晶体管的漏源极之间的偏压均相同, 因此补偿时需要各层栅极电压同时变化.本节中提出的适用于堆叠结构的温度补偿电路, 在PA整体的温度特性得到补偿的同时, 避免了其中某层晶体管的VDS过高从而导致击穿的情况.
2 带温度补偿的PA
2.1 PA设计
基于1.1节对放大器增益温度特性的分析, 本节提出了一种带温补电路的堆叠PA. 图 4为设计的具有片上温度补偿电路的三堆叠PA电路原理图, 该电路在-40 ℃至125 ℃范围内可以实现恒定的增益.电阻R7保证该PA全频带稳定.二极管D1, D2, 电阻R1, R2, R3, R4构成了栅极温度补偿网络, 使堆叠结构各层栅极电压随温度升高而增大.常温下, 调整晶体管栅极偏置电压使各晶体管的VDS均相同.
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图 4 基于55 nm CMOS工艺的带温度补偿的PA原理图Fig. 4 Schematic of the 55 nm CMOS stacked PA with the temperature-compensation circuit随着工作频率的升高, 晶体管寄生电容的非线性影响增强, 导致栅极电压失真, 从而导致输出的漏极电流波形失真.为了在高频下有效补偿寄生电容带来的影响, 保证每层晶体管的输出电压相位一致, 使最上层晶体管的漏极输出电压摆幅最大, 从而实现高功率输出和高效率的指标, 采用栅极与源极之间并联传输线TL1, TL2从而与寄生电容Cgs形成并联谐振网络[12-13], 所得等效电容Ceq远小于寄生电容Cgs.等效电容与寄生电容Cgs和电感传输线L之间关系如式(7)所示:
Ceq=Cgs(ω2L−Cgs)ω2L. (7) 式中:ω为角频率.
从式(7)可以看出, 加入该结构后大大减小了寄生电容对电路的影响.同时在传输线支路上加入隔直电容, 使各层晶体管栅极供电电流不至于直接流入主干路, 保证每一层输出电压的相位相同, 从而实现最大的功率输出.
毫米波频段PA的设计和布局对其整体性能有着很大影响[14-15].在本设计版图布局中, 栅极和源极线从两侧布线, 而漏极走线覆盖在晶体管的顶部, 如图 5所示.这种布局对毫米波PA有两大优势[16]:1)它使晶体管寄生效应最小化(即rg, CGD和CGS), 从而提高了毫米波的晶体管性能; 2)它利于晶体管的复制, 通过增加晶体管尺寸以获得高输出功率.堆叠结构中第二三层晶体管Q2, Q3的布局方向与底层晶体管Q1不同, 目的是简化信号路径, 降低功率损耗.
2.2 结果与分析
本文所设计的PA版图如图 6所示, 版图面积为0.28 mm2.使用Agilent ADS软件基于Global Foudries 55 nm CMOS工艺模型对25~40 GHz PA进行版图仿真, 在25~40 GHz频段内的输出功率(Pout)以及PAE如图 7所示.最大饱和输出功率为20.1 dBm, 输出功率-1 dB带宽为15 GHz, 覆盖Ka波段, 同时也包含了5G的三个热点频点28 GHz, 37 GHz, 39 GHz. PAE在工作频率为31 GHz时达到最大值30%.
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图 7 在3.6 V供电电压下PA性能的频率特性Fig. 7 PA performance versus frequency for 3.6 V PA power supply图 8(a)和(b)分别为带与不带温度补偿电路时, 在-40 ℃, 25 ℃和125 ℃下堆叠PA在25~40 GHz的小信号增益的后仿频率特性.由图可以看出, 没有温度补偿网络时, 在整个频带内电路的小信号增益随温度的浮动较大, 最大可达2.2 dB.加入温度补偿后, 随温度变化小信号增益几乎保持恒定. 图 9(a)和(b)分别为带与不带温度补偿电路的中心频率33 GHz下的版图仿真增益、PAE和输出功率.由图可知, PA的热稳定性在加入温度补偿电路后有明显改善. 图 10为带与不带温度补偿电路两种情况下的PA增益在中心频率33 GHz处的小信号的温度特性.该放大器在25 ℃时实现15.6 dB的小信号增益.图中可以清楚地表明, 通过使用片上温度补偿电路, PA的增益变化在-40 ℃到125 ℃的温度范围内从2.2到0.1 dB.通过本文所设计的片上温度补偿电路, 可在宽输入功率范围内降低增益和输出功率随温度的变化.
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图 9 中心频率处PA增益、PAE和输出功率特性图Fig. 9 Gain, PAE, and output power of PA at the center frequency![]()
图 10 中心频率处PA小信号增益温度特性图Fig. 10 Temperature characteristics of the small-signal gain of PA3 结论
本文介绍了一款基于55 nm CMOS工艺的堆叠结构PA, 它具有简单的片上温度补偿电路, 由二极管和电阻组成.温度补偿电路利用二极管的阈值电压随温度升高而降低的特性, 再通过分压结构为放大器中各层晶体管提供随温度升高而增大的栅极电压而实现.版图仿真结果表明, 所提出的温度补偿电路在很宽的温度范围内对于改善温度变化引起的放大器增益变化是有效的.通过合理的版图布局, 减小了功放在走线上的功率损耗, 提高了整体功放的性能.仿真结果还表明:工作在25~40 GHz的PA最大输出功率为20.1 dBm, PAE最高为30%, 大信号功率-1 dB带宽为15 GHz (46%), 在-40 ℃到125 ℃的温度范围内在频带范围内小信号增益均得到改善, 最大浮动从2.2 dB降低到0.1 dB.
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图 1 单级放大器不同温度下的仿真增益曲线
Fig. 1 Simulated gain characteristics of a single-stage amplifier at different temperatures
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图 2 堆叠结构温度补偿电路原理图
Fig. 2 Schematic of the temperature-compensation circuit for stacked amplifier
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图 4 基于55 nm CMOS工艺的带温度补偿的PA原理图
Fig. 4 Schematic of the 55 nm CMOS stacked PA with the temperature-compensation circuit
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图 7 在3.6 V供电电压下PA性能的频率特性
Fig. 7 PA performance versus frequency for 3.6 V PA power supply
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图 9 中心频率处PA增益、PAE和输出功率特性图
Fig. 9 Gain, PAE, and output power of PA at the center frequency
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期刊类型引用(1)
1. 张红升，易胜宏，马小东，卫中阳，杨虹. 一种适用于间接学习结构的功率放大器线性化算法. 电波科学学报. 2022(04): 719-725 . 
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