Outphaisng功率放大器電路設(shè)計(jì)、版圖繪制與仿真

新一年的集創(chuàng)賽已如火如荼的展開(kāi)~

為了讓大家更多的了解該賽事，小編整理了2021年的優(yōu)秀作品供學(xué)習(xí)分享

在每周一為大家分享獲獎(jiǎng)作品，記得來(lái)看連載喲 ~

團(tuán)隊(duì)介紹

參賽單位：電子科技大學(xué)

隊(duì)伍名稱：PA調(diào)得隊(duì)

指導(dǎo)老師：王政

參賽隊(duì)員：倪夢(mèng)虎、楊茂旋、張振翼

總決賽獎(jiǎng)項(xiàng)：一等獎(jiǎng)

1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，應(yīng)用得最廣的還屬系統(tǒng)級(jí)的功放電路。所謂“系統(tǒng)級(jí)功放”主要是相對(duì)于單管功放電路而言，它們通常是由多個(gè)功率晶體管組成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的功率放大，并且通過(guò)這幾個(gè)單管電路之間的相互作用，來(lái)獲得效率、線性等射頻性能的提升。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種工作于28GHz的Outphaisng功率放大器，并采用Global Foundries 45nmSOI CMOS工藝對(duì)其中電路進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)、版圖繪制與仿真，結(jié)果均達(dá)到了比賽題目的要求。我們從文獻(xiàn)調(diào)研出發(fā)，首先調(diào)研主流的提升PA效率的技術(shù)，之后調(diào)研了近些年的Doherty PA與Outphasing PA的文章。之后分析了Outphaisng PA與Chireix補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)原理，其中重點(diǎn)關(guān)注了了PA輸出阻抗的影響，了解了傳統(tǒng)電壓型Outphasing PA的局限性。在此之上分析了電流型Outphasing PA的數(shù)學(xué)原理，并推導(dǎo)出了其理想效率。

我們首先設(shè)計(jì)了一種傳統(tǒng)的電壓型Outphaisng PA，其中支路PA采用差分共源結(jié)構(gòu)，使用了理想變壓器實(shí)現(xiàn)的功率合成器，能夠達(dá)到了賽題指標(biāo)，但在實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的電壓型功率合成器后，會(huì)顯著惡化PA 的 PAE。

之后，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的逆向電流型Outphaisng PA，支路PA采用差分Cascode結(jié)構(gòu)，顯著提高了輸出功率，引入了新型的信號(hào)調(diào)制方式，最終整體Outphaisng PA可以達(dá)到23.01dBm的飽和輸出功率，44.1%的峰值PAE，功率回退(PBO)6dB時(shí)PAE為29.5%，輸出1dB壓縮點(diǎn)為20.5dBm，小信號(hào)增益為17.9dB，充分體現(xiàn)了Outphasing技術(shù)在功率回退時(shí)提高效率的特點(diǎn)，整體性能優(yōu)良，性能全部達(dá)到了比賽要求。

系統(tǒng)架構(gòu)圖

功能驗(yàn)證

2.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.在電壓型OPA設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)并分析了變壓器combine進(jìn)行功率合成的問(wèn)題

2.在單路PA設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用了包絡(luò)電荷加速技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)來(lái)提高性能

3.在電流型OPA設(shè)計(jì)時(shí)，探索并實(shí)現(xiàn)了額外的信號(hào)調(diào)制模式，實(shí)現(xiàn)更高的峰值效率

最終，完成了版圖級(jí)的實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均有不錯(cuò)的效果

3.參賽體會(huì)

在比賽過(guò)程中，我們對(duì)軟硬件開(kāi)發(fā)在設(shè)計(jì)思路、開(kāi)發(fā)難度與耗時(shí)上的區(qū)別有了極為切身的體會(huì)，完整經(jīng)歷了系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、改進(jìn)到最終實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。本次大賽作為全國(guó)性頂尖賽事，云集了來(lái)自全國(guó)各地高校優(yōu)秀的大學(xué)生，使我們能夠與未來(lái)的集成電路行業(yè)后備軍同臺(tái)競(jìng)技，相互交流，極大提升了自己的視野與能力。非常感謝本次賽事組委會(huì)的工作人員和老師們的高效組織工作與指導(dǎo)，讓我們能夠參與到這樣的大賽之中展示自身的風(fēng)采，接觸當(dāng)前的前沿技術(shù)與設(shè)計(jì)潮流。

4.后續(xù)工作

包括進(jìn)行更充分的EM仿真，對(duì)關(guān)鍵無(wú)源模塊，晶體管走線，整體版圖進(jìn)一步優(yōu)化;對(duì)信號(hào)發(fā)生部分，通過(guò)verilog A進(jìn)行實(shí)現(xiàn);研究電壓型Outphaisng PA的功率合成器效率隨異相角效率下降的原因，探索電流型與電壓型Outphaisng功率放大器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合;數(shù)字預(yù)失真處理，進(jìn)一步提高線性度，完成整體Outphaisng功率放大器系統(tǒng)的仿真。

原文標(biāo)題：【2021集創(chuàng)賽作品分享】第十一期 | 一種28GHz高能效Outphasing PA設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅