No.1設計目標

在功率放大器PA中，輸出級以及輸出匹配決定了該功放的線性度、效率等關鍵性能指標，通常被優先考慮。在這個項目中輸出級功放關鍵性能指標如下：

帶寬：12-13 GHz

OP1dB>13dBm

輸出級 Power gain>5dB

DE_P1dB>45%

S11<-12dB

Kf>1，B1f>0

Zin/Zout: 50/50

No.2 電路架構

其中PA的線性度、效率主要由有源區尺寸、柵端偏置以及負載阻抗決定。在輸出級的設計中，需要重點關注的也就是功率輸出能力以及效率，而如果對增益有額外的需求，可通過級聯的方式提高增益。同時對PA模塊來說，Kf，B1f穩定性系數達到要求相當重要，否則PA會出現震蕩的風險。

我們在這個設計中用了線上生成射頻電路的工具來完成設計。下圖是該線上工具提供的原理圖，也是本次PA模塊設計的參考原理圖，其中有源區采用的是基于中和電容的共源放大架構，無源匹配網絡采用基于變壓器的匹配電路。

整個射頻PA由有源電路，輸入匹配和輸出匹配 三個部分組成。

? ? ? ?

No.2 設計流程

第一步，有源模塊設計

有源部分設計用了RFIC-GPT的“功率放大器有源電路生成工具”網頁模塊。在網頁左側填入我們需要的指標，工作頻點選擇中間頻點。

設計關鍵指標中的線性度（OP1dB）和效率（DE_P1dB）主要由輸出級有源區+無源區設計決定。此處設置有源模塊OP1dB>13dBm，同時DE_P1dB的權重設置為80，占較大權重，增益下限設置為6dB。

點擊“計算”后，不到 1分鐘就完成了運行，設計計算結果顯示其設計的PA的OP1dB為15.26dBm，這為加入實際的有損匹配網絡留出了設計裕量。

本次設計限制的AM-AM為2dB，在功率上升的過程中出現了較大的gain boost，如若設計指標對PA的AM-AM有限制，也可以在左側加入相應的限制條件。

在給出性能表現后，網頁結果也提供了相應的MOS管、中和電容、輸入電阻相關設計參數以及目標匹配阻抗，非常方便。

下一步，我們下載并安裝了該網頁上的“驗證電路生成工具” Prophet_tools，這個工具一次安裝就可以集成在Cadence virtuoso中。然后根據網頁顯示的生成代碼填入這個設計小程序中（圖4），就可以自動生成相應的電路原理圖和對應的測試TestBench（圖5）.

? ??

具體小程序安裝參考網頁安裝說明，對應生成的設計TB如下：

可生成對應的測試原理圖與相應的spectre，該原理圖中包括了輸入輸出port，輸入電阻，輸入差分對管，中和電容，以及各類偏置。并使用portAdapter仿真史密斯圓圖上負載阻抗，從而得到不同負載情況下PA的各類性能參數。

第二步，輸出匹配網絡設計

接下來要設計輸出匹配網絡，我只用將上一步有源模塊設計中的最優阻抗填入同一網頁無源設計模塊“匹配電路”中，就可以直接生成無源版圖及性能效果。整個過程僅用了1-2分鐘。

在將生成的文件導入設計環境后，便可以自動生成有源網絡的版圖并基于該版圖完成無源網路的電磁仿真。

將有源區與輸出匹配網絡分別創建模塊并建立仿真設計的testbench，驗證輸出級的關鍵參數

? ? ? ? ?

OP1dB：

在加入實際的電磁仿真結果后，OP1dB相比于本身設計的有源區OP1dB下降2dB。在與同學交流后，我們猜想應該是二次諧波導致線性度的下降。

我們搭建了一個較為理想的二次諧波消除網絡進行驗證，電路如下：

加入諧波消除網絡后，OP1dB為15.8dBm，與Prophet軟件預測的16.2dBm接近，因此驗證了上述OP1dB與Prophet工具預測出現不匹配是由二次諧波帶來的。

Power Gain：

和Prophet軟件預測結果相比，增益相差較小，僅為0.3dB。

DE_OP1dB：

有源區效率大于50%，無源區效率與軟件預測結果一致。

Kf&&B1f：搭建TB如下：

結果顯示有源區直到50GHz都是無條件穩定。

第三步，輸入匹配網絡設計

最后我們設計輸入匹配網絡。與輸出匹配網絡類似，再次借助RFIC-GPT無源設計模塊“匹配電路”，我很快完成了輸入匹配網絡設計。此處PA輸入阻抗為39 – 51j，S11<-12dB，損耗限制小于1.5dB，匹配網絡網頁設計如下

導出GDS后，可以直接生成無源版圖并進行電磁仿真提參。

? ? ?

仿真S11<-15.5dB，甚至好于預期，仿真結果如下所示：

? ? ? ? ?

No.3 設計結果與總結

這次設計的射頻功放管的性能總結如下：



本設計中無源網絡的版圖，有源網絡的前仿設計都由RFIC-GPT計算完成設計自動生成，大大縮減了設計時間，目前有源部分給的是原理圖，如果也能一鍵出版圖，那就更方便了，期待有源區版圖自動生成后仿結果測評。

原帖鏈接：https://bbs.eetop.cn/thread-959931-1-1.html

審核編輯：劉清