基于寄生电容分析通过二次谐波滤波改善线性度的CMOS功率放大器设计

《IEEE Journal of Microwaves》：Design of a CMOS Power Amplifier With Improved Linearity Through Second-Harmonic Filtering Based on Parasitic Capacitance Analysis

本刊推荐：为应对现代无线通信系统对功率放大器(PA)线性度的严苛要求，研究人员针对差分共源共栅(CMOS) PA的线性度提升展开研究。通过分析共源(CS)晶体管寄生电容(CGS)随输入功率的非线性变化及其对三阶交调失真(IMD3)和幅相(AM-PM)失真的影响，并探究共栅(CG)晶体管栅极节点二次谐波的产生机制，提出在CG晶体管栅极节点加入二次谐波滤波器的设计。实测结果表明，该PA在2.42 GHz、802.11n 64-QAM 20 MHz WLAN调制信号下，输出功率达21.4 dBm，功率附加效率(PAE)为28.6%（EVM=3.98%），实现了线性度与效率的良好平衡。

　　

在当今这个信息爆炸的时代，我们对无线数据传输速度的要求越来越高，就像城市交通需要更宽阔的高速公路一样。为了满足这种需求，现代无线通信系统采用了越来越复杂的信号调制技术，比如正交频分复用(OFDM)和高阶正交幅度调制(QAM)。这些高级调制技术虽然能大幅提升数据传输的"车道数量"，但它们对信号传输的"道路质量"——也就是功率放大器(PA)的线性度——提出了极其苛刻的要求。

功率放大器就像是无线通信系统的"扩音器"，负责将微弱的信号放大到足以远距离传输的强度。然而，基于CMOS工艺的功率放大器天生就存在线性度不佳的问题，这就像是一个声音嘶哑的扩音器，会在放大信号的同时产生各种失真和杂音。特别是在差分共源共栅结构的CMOS PA中，研究人员发现了一个影响线性度的"隐形杀手"——二次谐波成分通过调制内部寄生元件，间接劣化了放大器的性能。

传统上，工程师们主要通过多栅晶体管(MGTR)、自适应偏置电路(ABC)和反相方法等技术来改善PA的线性度。其中，反相技术通过驱动级和功率级之间的IMD3分量抵消来有效抑制三阶交调失真，同时还能够通过两级之间的相位补偿来减少AM-PM失真。然而，这些方法往往没有充分考虑到CMOS PA特有的结构特性，特别是差分共源共栅结构中二次谐波的产生和传播机制。

问题的核心在于，CMOS工艺相比传统的化合物半导体工艺存在固有局限性：难以通过衬底通孔形成有效的交流接地，而且由于击穿电压较低导致输出功率受限。为了克服这些限制，CMOS PA广泛采用差分结构来实现虚拟交流接地，并采用共源共栅配置来提升输出功率。正是这种特殊结构，使得二次谐波问题变得尤为突出。

在差分共源共栅结构中，共栅(CG)晶体管栅极节点的二次谐波电压摆动会引入共源(CS)晶体管栅源电容(C_GS)的时变变化，从而增加AM-PM失真，最终导致系统级线性度的下降。这就好比在音乐厅中，除了主扬声器之外，墙壁的反射也会产生回声，干扰原始声音的清晰度。因此，针对这些内部节点的二次谐波抑制就成为从架构角度提升线性度的有效策略。

本研究的主要技术方法包括：通过寄生电容分析明确CS晶体管C_GS非线性变化与AM-PM失真的关联机制；在差分共源共栅结构中发现并验证CG晶体管栅极节点二次谐波的产生和传播路径；在功率级CG晶体管栅极节点设计并集成基于片上MIM电容和键合电感的二次谐波滤波器；采用180-nm RFCMOS工艺实现完整的双级差分共源共栅PA，并通过调制信号测试验证线性度改善效果。

寄生电容分析揭示非线性机理

研究人员首先从电压摆幅的角度分析了CS晶体管栅源电容(C_GS)随栅极偏置电压的变化规律。研究发现，AM-PM失真随着输入功率的增加而加剧，这主要是由于CS晶体管的C_GS相对于栅极电压的非线性变化导致的。在一个输入信号周期内，平均电容值(C_GS,AVG)会随着输入功率水平的变化而改变。

当CS晶体管栅极电压在栅极偏置电压V_GS周围从V_MIN变化到V_MAX时，C_GS的平均值可以通过积分公式计算得出。研究发现在阈值电压(V_TH)附近，C_GS的变化最为显著，而当栅极偏置电压设置在C_GS最小值和最大值之间的中间值时，C_GS,AVG随输入功率的变化最小，从而能够抑制线性度劣化。这一发现为Class B或Deep Class AB偏置的工作模式提供了理论依据，这些模式能够确保高效率并在回退输出功率区域形成IMD3甜点。

差分共源共栅结构中的二次谐波机制

在差分共源共栅功率级中，研究人员发现了一个关键的谐波产生机制。通过CG晶体管的寄生电容C_GD,CG，其漏极的基本信号成分v_d,CG会耦合到栅极，由于差分结构的特性，两个反相的基本信号在M_CG,P的栅极节点相加，从而产生二次谐波分量。

这个二次谐波分量随后通过寄生电容C_qs,CG转移到CS晶体管M_CS,P的漏极，改变其漏源电压V_DS,CS为V_DS,CS+ΔV_DS,CS。这种电压变化会偏移CS晶体管饱和区与三极管区的边界，导致其工作区域发生变化，进而引起寄生电容的改变，最终产生AM-PM失真。

谐波滤波器设计与实现

基于上述分析，研究人员在功率级CG晶体管栅极节点设计并实现了二次谐波滤波器。该滤波器由串联的1.6 pF电容(C_2ND)和0.45 nH键合电感(L_2ND)组成，形成一个带通滤波器结构。仿真结果显示，滤波器的应用使电压波动幅度从1.1 V降低到0.49 V，降幅超过50%，同时C_GS的变化也得到了显著抑制。

通过计算C_GS,AVG随输入功率的变化，研究人员发现功率级在没有滤波器的情况下在-12 dBm附近出现急剧波动，而加入滤波器后，ΔC_GS,AVG变化显著减小，趋势与栅极电压固定在直流偏置水平时相似。这证实了二次谐波滤波有效抑制了C_GS波动这一AM-PM失真的主要原因。

性能验证与对比分析

实测结果表明，采用180-nm RFCMOS工艺制造的PA芯片在2.42 GHz频率下表现出良好的性能。在连续波信号激励下，饱和输出功率为28.0 dBm，峰值功率附加效率(PAE)达到36.6%。更重要的是，在WLAN调制信号测试中，当滤波器开启时，PA在3.98%的EVM水平下实现了21.4 dBm的输出功率和28.6%的PAE。

与现有技术相比，该设计在线性输出功率和效率之间取得了良好平衡。特别是在相同的EVM条件下，该PA的P_AVG达到21.4 dBm，PAE_AVG为28.6%，表现出了竞争优势。同时，简单的二次谐波滤波技术基于外部无源元件有效抑制了AM-PM失真，使PA能够实现实用的EVM性能，而无需复杂的线性化电路。

研究结论强调，通过深入分析差分共源共栅CMOS功率放大器中非线性产生机制，特别是CS晶体管寄生电容随输入功率的变化规律以及CG晶体管栅极节点二次谐波的产生和传播路径，成功开发了一种通过二次谐波滤波提升线性度的有效方法。该方法不仅理论上揭示了谐波成分通过调制内部寄生元件影响线性度的机理，而且通过实验验证了其实用价值。

这项研究的重要意义在于为CMOS功率放大器的线性度优化提供了新的设计思路，特别是在5G和未来无线通信系统对功率放大器性能要求日益提高的背景下，这种基于谐波抑制的架构级优化方法具有重要的工程应用价值。同时，研究采用的片上集成滤波方案也为全集成CMOS射频前端的设计提供了技术参考。