一款工作在22–26 GHz频段、功率为27.2 dBm的CMOS功率放大器，采用寄生参数补偿的堆叠晶体管结构及变压器功率合成技术

《Microelectronics Journal》：A 22–26 GHz, 27.2-dBm CMOS power amplifier using parasitic-compensated stacked transistors and transformer power combining

　　张成志|冷永庆|邱欣|惠明|张瑞淼
中国河南省郑州市郑州大学河南先进技术研究院，450000

摘要
传统的毫米波CMOS功率放大器在击穿电压、输出功率和带宽方面存在固有限制。为克服这些瓶颈，本文提出了一种新型的K波段功率放大器架构。该架构采用了差分三叠层晶体管、电流模式组合、寄生参数补偿以及双谐振匹配的技术进行系统化协同设计。叠层结构的高输出阻抗有效弥补了电流模式组合器低阻抗转换比的缺陷。这种协同设计实现了功率、效率、带宽和芯片面积之间的最佳平衡。该22–26 GHz功率放大器采用标准的65纳米CMOS工艺制造，具有完全对称的布局。布局后的电磁仿真验证了该设计的有效性。在22–26 GHz频段内，该功率放大器实现了31.36分贝的小信号增益，输入回波损耗低于10分贝。此外，其饱和输出功率可达27.2分贝米，峰值功率附加效率为32.6%。与现有的最先进的K波段CMOS功率放大器相比，这些性能指标显示出较强的竞争力，不过这些结果是基于布局后的仿真数据得出的。

引言
毫米波有源相控阵列系统在高速通信和雷达系统中具有广泛的应用前景[1]。图1展示了一个典型有源相控阵列系统的框图。作为发射链的核心模块，功率放大器直接决定了整个系统的性能。随着工作频率向K波段及更高毫米波频段发展，由于波长较短，天线元件之间的物理间距显著缩小，这给射频前端芯片带来了极大的面积限制[2][3][4]。在这种情况下，基于硅的CMOS技术因其出色的混合信号集成能力和显著的成本优势而成为研究热点。然而，深亚微米CMOS工艺存在固有的击穿电压较低的问题，导致单个晶体管的输出功率受限[5][6][7]。

在发射链中，功率放大器占据了最大的功耗，其输出功率、带宽和效率直接影响无线通信的传输质量。尽管如GaN这样的第三代化合物半导体能够轻松实现高输出功率[8]，但由于其在数字模拟混合集成和成本方面的优势，基于硅的CMOS技术仍在商业射频市场中占据主导地位。为克服CMOS工艺固有的低击穿电压问题，人们广泛采用了晶体管叠层技术和多种功率组合技术[9][10][11][12]。其中，叠层架构能够将电压摆幅均匀分配到多个串联的晶体管上，从而实现更高的单位面积功率密度[9][10]。然而，这种技术在毫米波频段面临严重的寄生参数问题：栅极到地面的电容会显著降低射频增益，而晶体管的固有寄生参数（如Cgs、Cgd和Cds）则会破坏最优负载线与上层级联晶体管源阻抗之间的相位匹配，从而导致实际输出功率大幅下降[13]。为解决这种相位失配问题，传统方法通常会在芯片上引入电感网络以实现级间匹配，但这不可避免地会导致芯片面积急剧增加。相比之下，基于变压器的架构能够在保持相当低的无源插入损耗的同时，实现多路径射频功率组合和阻抗转换。这种双重功能有效避免了需要庞大的级间匹配区域，非常适合毫米波高功率CMOS功率放大器对高度紧凑设计的要求。

基于变压器的功率组合主要分为电压模式和电流模式两种架构。虽然电压模式组合的结构较为直观，但它极易受到高频寄生电容的影响，这些电容容易引发多路径之间的耦合失衡和阻抗不匹配。相反，电流模式组合架构由于其出色的组合效率和可扩展性，在毫米波高功率设计中展现出巨大潜力。但这种架构的缺点是阻抗转换比极低，给变压器的物理设计带来很大挑战。为克服电流模式组合的这一缺陷，本研究采用了晶体管叠层技术。与传统单晶体管放大器不同，叠层架构本身就能提供更高的最优负载阻抗。这一较高的阻抗自然可以抵消电流模式组合器过低的转换比。因此，将这两种架构相结合，就能形成一种高度协同的架构，其中叠层结构的高输出阻抗解决了电流模式组合的物理瓶颈。

尽管近年来已经出现了许多优秀的毫米波功率放大器[14][15]，但学术界普遍侧重于一维网络优化，关于多级叠层与电流模式组合深度协同设计的文献相对较少。在[16]中，通过使用LC反馈电路和中性化电容，实现了一种22分贝米的Ka波段三叠层功率放大器。在[17]中，采用了变压器组合技术来提升输出功率，但带宽受到了严重限制。在[18]中，通过将级联核心与三重耦合变压器结合，使得10 GHz时的功率密度达到29.2分贝米，实现了极高的功率密度。然而，这些研究要么无法完全覆盖毫米波5G核心频段，要么大多采用传统架构，未能充分利用叠层架构的大摆幅优势。更关键的是，现有研究普遍缺乏针对这类复杂的“多级叠层-电流组合”射频网络的系统化理论设计方法。

为解决上述问题，本文提出了一种用于高功率K波段CMOS功率放大器的系统化设计方法。其主要创新点如下：(1)架构协同设计：将三层叠层架构与电流模式功率组合网络相结合。该架构克服了传统CMOS工艺的击穿限制，在保持紧凑尺寸的同时大幅提升了功率容量。(2)寄生参数补偿：引入源极-漏极反馈技术，以消除中间节点的高频寄生效应。这种技术能够动态调整漏极电压的相位，从而最大化输出功率和效率。(3)双谐振匹配：在双谐振网络中采用弱耦合变压器。这种方法能够有效覆盖22–26 GHz的目标频段，同时实现平坦的增益响应且纹波最小。本文提出了一种涵盖三叠层架构、电流模式组合、寄生参数补偿和双谐振匹配的全面协同设计方法。最终，所设计的功率放大器在功率、效率和带宽之间实现了良好的平衡，有望成为5G毫米波相控阵列发射机的理想选择。第2节对变压器电流模式组合、宽带匹配以及叠层技术（包括栅极和源极-漏极反馈电容的优化）进行了全面的理论分析。第3节详细介绍了所设计功率放大器的电路和布局设计。第4节展示了该功率放大器的测试结果。第5节对全文进行了总结。

片段摘录
基于变压器的宽带匹配
基于变压器的磁耦合谐振器匹配技术利用初级线圈和次级线圈的互感以及它们的寄生电容构成高阶滤波结构，从而有效扩展工作带宽。本质上，基于变压器的宽带匹配利用其漏感以及两侧的寄生电容来实现谐振，形成的频率响应类似于四阶带通滤波器。

整体功率放大器架构
在毫米波频段，大尺寸晶体管带来的严重高频寄生效应会导致可用增益大幅下降。为满足发射链对高增益的需求，本设计采用了由驱动级和功率级组成的两级级联架构。为进一步突破传统CMOS工艺的输出功率瓶颈，功率级采用了前述的叠层晶体管结构，并结合了……

布局实现
在22–26 GHz频段，金属布线、层间过孔以及无源器件与有源器件之间的物理布局不可避免地会产生复杂的高频寄生效应。为严格验证该设计的可靠性，必须进行全面的电磁提取和布局后仿真。

如图21所示，所设计的K波段功率放大器的物理布局是采用65纳米CMOS工艺实现的。为确保幅度和相位平衡……

结论
本文介绍了一种高性能的K波段CMOS功率放大器。该设计采用了包含三叠层架构、电流模式功率组合、寄生参数补偿和双谐振匹配的全面协同设计方法。这种协同设计有效克服了传统CMOS功率放大器中的固有矛盾，尤其是解决了输出功率、击穿电压、带宽和芯片面积之间的冲突。为进行验证，该设计在标准工艺下实现了22–26 GHz的功率放大器功能。

作者贡献声明
张成志：撰写——初稿、验证、研究分析、概念构思。冷永庆：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。邱欣：监督、资源协调、项目管理。惠明：监督、项目管理。张瑞淼：验证、资源协调、项目管理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了河南省重点研发专项（项目编号261111212200、261111210100）、国家自然科学基金面上项目（项目编号62471268）以及集成电路制造技术国家重点实验室开放课题（项目编号E5SGZ07301）的支持。