基于有源电感输出匹配可调谐高线性3-5GHz功率放大器的研究

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功率放大器作为射频发射机中的一个重要模块,其线性度、输出功率和效率指标都尤为重要。良好的线性度能保证功率放大器可以精确地放大信号的幅值;由于功率放大器消耗的直流功耗较大,其输出功率和效率指标同样十分宝贵。但是,由于功率放大器输出端与天线输入端之间容易发生失配,这会造成功率放大器输出功率以及效率的降低。本文基于SiGe BiCOMS工艺,对输出匹配可调谐、高线性度的3-5GHz功率放大器的设计进行研究。  首先,对改进型高Q值差分有源电感进行了研究。在基本差分有源电感电路的基础上引入了Cascode结构,在有源电感电路中产生了负阻,有效抵消了部分有源电感中的寄生电阻,减少了有源电感电路的能量损失,提高了Q值。进一步,在有源电感电路中引入了PMOS电流源控制端,实现了对有源电感的等效电感值和Q值的可调谐。利用Agilent ADS仿真工具对新型有源电感电路进行了仿真验证。结果表明,在频率3-5GHz范围内,当控制电压Vtune为1.0V时,有源电感的等效电感值从7.13~20.87nH变化;当控制电压Vtune为2.5V时,有源电感的等效电感值的变化范围为6.72~19.52nH。在工作频带内,有源电感的Q值均大于10,当控制电压Vtune为1.0V时,Q值在4GHz时达到最大值532。通过改变电流源控制端的Vtune电压值,可以使该差分有源电感得到不同的性能参数,显示了有源电感电路的可调谐优势。  然后,基于改进型高Q值差分有源电感,设计了一款输出匹配可调谐的高线性度宽带功率放大器。该款功率放大器电路整体为差分结构,以抑制电路的偶次谐波值,采用两级放大形式以获得足够高的功率增益。在第一级放大电路中引入了RC反馈网络,由此来提高电路的宽带增益平坦度;在第二级放大电路中引入了有源自适应偏置电路,有效地抑制了功率放大管直流工作点随输入功率变化而漂移的现象,从而减小了由于功率放大管直流工作点漂移而导致的非线性,提高了电路的线性度;在功率放大器的输出端,我们引入了所设计的高Q值差分有源电感。利用有源电感等效电感值可调谐的特性,从而实现功率放大器输出匹配的可调谐。最后,基于Jazz0.35μm SiGe BiCMOS工艺,利用Agilent ADS软件进行了仿真验证。结果表明,本文设计的功率放大器增益为24.8dB;引入RC反馈网络前后,增益平坦度指标分别为1.15dB和0.25dB;在频率为4GHz,线性度指标输入1dB压缩点和输入三阶交调点分别为-5dBm和-1dBm; PAE最大值为42.26%;通过改变有源电感电流源控制端的电压值,输出匹配回波损耗可在-12.5dB到-11.5dB范围内变化。
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