Outphaisng功率放大器電路設(shè)計、版圖繪制與仿真

新一年的集創(chuàng)賽已如火如荼的展開~

為了讓大家更多的了解該賽事，小編整理了2021年的優(yōu)秀作品供學習分享

在每周一為大家分享獲獎作品，記得來看連載喲 ~

團隊介紹

參賽單位：電子科技大學

隊伍名稱：PA調(diào)得隊

指導老師：王政

參賽隊員：倪夢虎、楊茂旋、張振翼

總決賽獎項：一等獎

1.項目簡介

在實際的通信系統(tǒng)中，應用得最廣的還屬系統(tǒng)級的功放電路。所謂“系統(tǒng)級功放”主要是相對于單管功放電路而言，它們通常是由多個功率晶體管組成，共同實現(xiàn)對信號的功率放大，并且通過這幾個單管電路之間的相互作用，來獲得效率、線性等射頻性能的提升。

我們設(shè)計了一種工作于28GHz的Outphaisng功率放大器，并采用Global Foundries 45nmSOI CMOS工藝對其中電路進行了具體設(shè)計、版圖繪制與仿真，結(jié)果均達到了比賽題目的要求。我們從文獻調(diào)研出發(fā)，首先調(diào)研主流的提升PA效率的技術(shù)，之后調(diào)研了近些年的Doherty PA與Outphasing PA的文章。之后分析了Outphaisng PA與Chireix補償?shù)臄?shù)學原理，其中重點關(guān)注了了PA輸出阻抗的影響，了解了傳統(tǒng)電壓型Outphasing PA的局限性。在此之上分析了電流型Outphasing PA的數(shù)學原理，并推導出了其理想效率。

我們首先設(shè)計了一種傳統(tǒng)的電壓型Outphaisng PA，其中支路PA采用差分共源結(jié)構(gòu)，使用了理想變壓器實現(xiàn)的功率合成器，能夠達到了賽題指標，但在實現(xiàn)了實際的電壓型功率合成器后，會顯著惡化PA 的 PAE。

之后，我們設(shè)計了一種新型的逆向電流型Outphaisng PA，支路PA采用差分Cascode結(jié)構(gòu)，顯著提高了輸出功率，引入了新型的信號調(diào)制方式，最終整體Outphaisng PA可以達到23.01dBm的飽和輸出功率，44.1%的峰值PAE，功率回退(PBO)6dB時PAE為29.5%，輸出1dB壓縮點為20.5dBm，小信號增益為17.9dB，充分體現(xiàn)了Outphasing技術(shù)在功率回退時提高效率的特點，整體性能優(yōu)良，性能全部達到了比賽要求。

系統(tǒng)架構(gòu)圖

功能驗證

2.技術(shù)創(chuàng)新點

1.在電壓型OPA設(shè)計時，我們設(shè)計并分析了變壓器combine進行功率合成的問題

2.在單路PA設(shè)計時，我們采用了包絡(luò)電荷加速技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)來提高性能

3.在電流型OPA設(shè)計時，探索并實現(xiàn)了額外的信號調(diào)制模式，實現(xiàn)更高的峰值效率

最終，完成了版圖級的實現(xiàn)，各項指標均有不錯的效果

3.參賽體會

在比賽過程中，我們對軟硬件開發(fā)在設(shè)計思路、開發(fā)難度與耗時上的區(qū)別有了極為切身的體會，完整經(jīng)歷了系統(tǒng)從設(shè)計、改進到最終實現(xiàn)的過程。本次大賽作為全國性頂尖賽事，云集了來自全國各地高校優(yōu)秀的大學生，使我們能夠與未來的集成電路行業(yè)后備軍同臺競技，相互交流，極大提升了自己的視野與能力。非常感謝本次賽事組委會的工作人員和老師們的高效組織工作與指導，讓我們能夠參與到這樣的大賽之中展示自身的風采，接觸當前的前沿技術(shù)與設(shè)計潮流。

4.后續(xù)工作

包括進行更充分的EM仿真，對關(guān)鍵無源模塊，晶體管走線，整體版圖進一步優(yōu)化;對信號發(fā)生部分，通過verilog A進行實現(xiàn);研究電壓型Outphaisng PA的功率合成器效率隨異相角效率下降的原因，探索電流型與電壓型Outphaisng功率放大器的優(yōu)點結(jié)合;數(shù)字預失真處理，進一步提高線性度，完成整體Outphaisng功率放大器系統(tǒng)的仿真。

原文標題：【2021集創(chuàng)賽作品分享】第十一期 | 一種28GHz高能效Outphasing PA設(shè)計

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審核編輯：湯梓紅