摩尔芯闻 > 行业新闻 > 半导体 > RF驱动放大器是什么 射频驱动放大器的设计

RF驱动放大器是什么 射频驱动放大器的设计

·2018-09-14 17:53·电子发烧友
阅读:725

本文主要是关于射频驱动 放大器 的相关介绍,并着重对射频驱动放大器的设计进行了详细的分析叙述。

RF驱动放大器是

射频驱动级放大器是放在末级功放前面,对输入信号进行放大,使其达到末级功放要求的输入功率的 功率放大器 。

在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级(驱动级放大器)、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。

射频放大器

射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。

分类及用途

射频功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。

技术参数

放大器的主要技术指标:

(1)频率范围:放大器的工作频率范围是选择器件和电

路拓扑设计的前提。 [1]

(2)增益:是放大器的基本指标。按照增益可以确定放

大器的级数和器件类型。G(db)=10log(Pout/ Pi n)=S21(dB)

(3)增益平坦度和回波损耗

VSWR《2.0o rS 11,S22《-10dB [1]

(4) 噪声系数:放大器的噪声系数是输入信号的信噪比 与输出信号的信噪比的比值,表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。NF(dB)=10log[(Si/Ni)/(So/No)]

射频放大器的功率参数

现代的无线通信中,射频设备的使用相当普及,而射频放大器在设备中起粉至关重要的作用,放大器中有关功率参数的测t也引起相当的重视,而在实际的研发生产中对功率参数的理解和应用存在一定的误解,下面就一个放大器的特性来说明相关功率参数的含义和应用 [2] 。

在描述一个放大器时,基本的参数有增益和最大输出电平(功率)。为对增益有较为准确的描述,引人线性特性的参数来衡t,通常用ldB压缩点对应输人功率和线性垠小输人电平来表示,两者之差就是放大器的输人动态范围。对于ldB压缩点,在GSM直放站标准YD汀952一1998中是这样描述的:ldB压缩点输出功率是指放大器在增益下降ldB时,对应此时的输人功率,用图示方法表示是指当时的实际输出功率比理想的线形放大器对应的输出功率小ldB [2] 。

为进一步描述线性度。还有一个指标就是增益步长误差,表示的是当输人变化单位信号强度时输出是否也变化相同的大小 。

一个实际的放大器,由于物理特性和噪声的影响,当输人电平太小时不能保持有线性状态。因此引人最小输出电平的概念。通常认为输出比噪声电平高3dB时对应的输人电平为最小输人电平。放大器的输出噪声功率为:P=kTBGF 。

射频驱动放大器的设计

目前,已经可以在1.2V 65nm CMOS技术的基础上实现8Vpp和脉冲宽度调制射频高压/大功率驱动器。在0.9到3.6GHz的工作频率范围内,该芯片在9V的工作电压下可向50Ω 负载提供8.04Vpp的最大输出摆幅。这使得CMOS驱动器能够直接连接并驱动LDMOS和GaN等功率 晶体管 。该驱动器的最大导通电阻为4.6Ω。2.4GHz时所测量的占空比控制范围为30.7%到71.5%。采用通过使用新型薄氧化层漏极延伸MOS器件,该驱动器可实现可靠的高压操作,而这一新型器件通过CMOS技术实现时无需额外的费用。

现代无线手持通信无线电(包括射频(RF)功率放大器(PA) 在内)均是在深亚微米CMOS中得以实现。不过,在无线基础设施系统中,由于需要较大的输出功率等级,必须通过硅LDMOS或混合技术(如GaA和更先进 的GaN)才能实现RF PA.对下一代可重新配置的基础设施系统而言,开关模式PA(SMPA)似乎能为多频带多模式发射器提供所需的灵活性和高性能。但是,为了将基站SMPA 中使用的高功率晶体管与发射器的所有数字CMOS模块相连,需要能够生成高压(HV)摆幅的宽带RF CMOS驱动器。这样不仅能实现更优的高功率晶体管性能,而且还能将数字信号处理直接用于控制所需的SMPA输入脉冲波形,从而提高系统整体性能。

设计挑战

LDMOS或GaN SMPA的输入电容通常为几个皮法,必须由振幅高于5Vpp的脉冲信号驱动。因此,SMPA CMOS驱动器必须同时提供高压和瓦特级的射频功率。遗憾的是,深亚微米CMOS给高压和大功率放大器及驱动器的实现提出了诸多挑战,尤其是极低的最大工 作电压(即可靠性问题引起的低击穿电压)和损耗较大的无源器件(例如用于阻抗变换)。

现有解决方案

用于实现高压电路的方法并不多。可以采用能够实现高压容限晶体管的技术解决方案(如多栅氧化层), 但代价是生产流程较昂贵,必须向基线CMOS工艺添加额外的掩模和处理步骤,因此这种方案并不理想。此外,为可靠地增加高压耐受力,可以采用仅使用标准基 线晶体管(使用薄/厚氧化层器件)的电路方案。在第二种方法中,器件堆叠或串联阴极是最常见的例子。但是,射频复杂性和性能具有很大的局限性,尤其是当串 联阴极(或堆叠)器件的数量增加至2个或3个以上时。另一种实现高压电路的途径就是如本文所述的在基线CMOS技术中使用漏极延伸场效应管(EDMOS)来实现。

新的解决方案

漏极延伸器件基于智能布线技术,这得益于在AC TI VE(硅)、STI(氧化层)及GA TE (多晶硅)区域中可实现十分精细的尺寸,并能在没有附加费用的条件下,利用基线深亚微米CMOS技术实现PMOS和NMOS两种高压容限晶体管。尽管与采 用该工艺的标准晶体管相比,这些EDMOS设备的RF性能实际上较低,但由于消除了与其他HV等效电路相关的重要损耗机制(如串联阴极),它们仍能在整个 高压电路中实现较高整体性能。

因此,本文所述的高压CMOS驱动器拓扑结构采用EDMOS器件来避免器件堆叠。RF CMOS驱动器采用薄氧化层EDMOS器件通过65nm低待机功耗基线CMOS工艺制造,且无需额外的掩模步骤或工序。对PMOS和NMOS而言,这些器 件上测量到的fT分别超过30GHz和50GHz,它们的击穿电压限度为12V.高速CMOS驱动器前所未有地实现了高达3.6GHz的8Vpp输出摆 幅,因而能为像GaN这样的基于宽带隙的SMPA提供驱动。

图1为本文所述驱动器的结构示意图。输出级包括一个基于EDMOS的逆变器。EDMOS器件可由低 压高速标准晶体管直接驱动,从而简化了输出级与其它数字和模拟CMOS电路在单颗芯片上的集成。每个EDMOS晶体管均由通过3个CMOS逆变器级实现的 锥形缓冲器(图1中的缓冲器A和B)提供驱动。两个缓冲器具有不同的直流等级,以确保每个CMOS逆变器都能在1.2V的电压下(受技术所限,即VDD1-VSS1=VDD0-VSS0=1.2V)稳定运行。为了使用不同的电源电压并允许相同的交流操作,两个缓冲器的构造完全相同,并内置于单独的Deep N-Well(DNW)层中。驱动器的输出摆幅由VDD1-VSS0决定,可随意选择不超过EDMOS器件最大击穿电压的任意值,而内部驱动器的运行保持 不变。直流电平位移电路可分离每个缓冲器的输入信号。

RF驱动放大器是什么 射频驱动放大器的设计

CMOS驱动器的另一个功能就是对输出方波的脉冲宽度控制,该功能由脉宽调制(PWM)通过可变栅 偏压技术实现。PWM控制有助于实现微调和调谐功能,从而提升高级SMPA器件的性能。缓冲器A和B的第一个逆变器(M3)的偏置电平可参照该逆变器本身 的开关阈值对RF正弦输入信号进行上移/下移。偏置电压的改变将使逆变器M3的输出脉冲宽度发生变化。然后,PWM信号将通过另外两个逆变器M2和M1进 行传输,并在RF驱动器的输出级(EDMOS)合并。

分享到:
微信 新浪微博 QQ空间 LinkedIn

上一篇:手机射频模块驱动程序 浅谈手机射频芯片的作用

下一篇:EDA几种常用工具比较

打开摩尔直播,更多新闻内容
半导体大咖直播分享高清观看
立即下载