一種快速設(shè)計射頻功放IC流程分享

No.1設(shè)計目標(biāo)

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(guān)鍵性能指標(biāo)，通常被優(yōu)先考慮。在這個項(xiàng)目中輸出級功放關(guān)鍵性能指標(biāo)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(gòu)

其中PA的線性度、效率主要由有源區(qū)尺寸、柵端偏置以及負(fù)載阻抗決定。在輸出級的設(shè)計中，需要重點(diǎn)關(guān)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(lián)的方式提高增益。同時對PA模塊來說，Kf，B1f穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到要求相當(dāng)重要，否則PA會出現(xiàn)震蕩的風(fēng)險。

我們在這個設(shè)計中用了線上生成射頻電路的工具來完成設(shè)計。下圖是該線上工具提供的原理圖，也是本次PA模塊設(shè)計的參考原理圖，其中有源區(qū)采用的是基于中和電容的共源放大架構(gòu)，無源匹配網(wǎng)絡(luò)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。

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No.2 設(shè)計流程

第一步，有源模塊設(shè)計

有源部分設(shè)計用了RFIC-GPT的“功率放大器有源電路生成工具”網(wǎng)頁模塊。在網(wǎng)頁左側(cè)填入我們需要的指標(biāo)，工作頻點(diǎn)選擇中間頻點(diǎn)。

設(shè)計關(guān)鍵指標(biāo)中的線性度（OP1dB）和效率（DE_P1dB）主要由輸出級有源區(qū)+無源區(qū)設(shè)計決定。此處設(shè)置有源模塊OP1dB>13dBm，同時DE_P1dB的權(quán)重設(shè)置為80，占較大權(quán)重，增益下限設(shè)置為6dB。

點(diǎn)擊“計算”后，不到 1分鐘就完成了運(yùn)行，設(shè)計計算結(jié)果顯示其設(shè)計的PA的OP1dB為15.26dBm，這為加入實(shí)際的有損匹配網(wǎng)絡(luò)留出了設(shè)計裕量。

本次設(shè)計限制的AM-AM為2dB，在功率上升的過程中出現(xiàn)了較大的gain boost，如若設(shè)計指標(biāo)對PA的AM-AM有限制，也可以在左側(cè)加入相應(yīng)的限制條件。

在給出性能表現(xiàn)后，網(wǎng)頁結(jié)果也提供了相應(yīng)的MOS管、中和電容、輸入電阻相關(guān)設(shè)計參數(shù)以及目標(biāo)匹配阻抗，非常方便。

下一步，我們下載并安裝了該網(wǎng)頁上的“驗(yàn)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(jù)網(wǎng)頁顯示的生成代碼填入這個設(shè)計小程序中（圖4），就可以自動生成相應(yīng)的電路原理圖和對應(yīng)的測試TestBench（圖5）.

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具體小程序安裝參考網(wǎng)頁安裝說明，對應(yīng)生成的設(shè)計TB如下：

可生成對應(yīng)的測試原理圖與相應(yīng)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(fù)載阻抗，從而得到不同負(fù)載情況下PA的各類性能參數(shù)。

第二步，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

接下來要設(shè)計輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，我只用將上一步有源模塊設(shè)計中的最優(yōu)阻抗填入同一網(wǎng)頁無源設(shè)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(dǎo)入設(shè)計環(huán)境后，便可以自動生成有源網(wǎng)絡(luò)的版圖并基于該版圖完成無源網(wǎng)路的電磁仿真。

將有源區(qū)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)分別創(chuàng)建模塊并建立仿真設(shè)計的testbench，驗(yàn)證輸出級的關(guān)鍵參數(shù)

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OP1dB：

在加入實(shí)際的電磁仿真結(jié)果后，OP1dB相比于本身設(shè)計的有源區(qū)OP1dB下降2dB。在與同學(xué)交流后，我們猜想應(yīng)該是二次諧波導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，電路如下：

加入諧波消除網(wǎng)絡(luò)后，OP1dB為15.8dBm，與Prophet軟件預(yù)測的16.2dBm接近，因此驗(yàn)證了上述OP1dB與Prophet工具預(yù)測出現(xiàn)不匹配是由二次諧波帶來的。

Power Gain：

和Prophet軟件預(yù)測結(jié)果相比，增益相差較小，僅為0.3dB。

DE_OP1dB：

有源區(qū)效率大于50%，無源區(qū)效率與軟件預(yù)測結(jié)果一致。

Kf&&B1f：搭建TB如下：

結(jié)果顯示有源區(qū)直到50GHz都是無條件穩(wěn)定。

第三步，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

最后我們設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)類似，再次借助RFIC-GPT無源設(shè)計模塊“匹配電路”，我很快完成了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。此處PA輸入阻抗為39 – 51j，S11<-12dB，損耗限制小于1.5dB，匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)頁設(shè)計如下

導(dǎo)出GDS后，可以直接生成無源版圖并進(jìn)行電磁仿真提參。

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仿真S11<-15.5dB，甚至好于預(yù)期，仿真結(jié)果如下所示：

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No.3 設(shè)計結(jié)果與總結(jié)

這次設(shè)計的射頻功放管的性能總結(jié)如下：



本設(shè)計中無源網(wǎng)絡(luò)的版圖，有源網(wǎng)絡(luò)的前仿設(shè)計都由RFIC-GPT計算完成設(shè)計自動生成，大大縮減了設(shè)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(qū)版圖自動生成后仿結(jié)果測評。

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審核編輯：劉清