No.1設計目標

在功率放大器PA中，輸出級以及輸出匹配決定了該功放的線性度、效率等關鍵性能指標，通常被優(yōu)先考慮。在這個項目中輸出級功放關鍵性能指標如下：

帶寬：12-13 GHz

OP1dB>13dBm

輸出級 Power gain>5dB

DE_P1dB>45%

S11<-12dB

Kf>1，B1f>0

Zin/Zout: 50/50

No.2 電路架構

其中PA的線性度、效率主要由有源區(qū)尺寸、柵端偏置以及負載阻抗決定。在輸出級的設計中，需要重點關注的也就是功率輸出能力以及效率，而如果對增益有額外的需求，可通過級聯(lián)的方式提高增益。同時對PA模塊來說，Kf，B1f穩(wěn)定性系數(shù)達到要求相當重要，否則PA會出現(xiàn)震蕩的風險。

我們在這個設計中用了線上生成射頻電路的工具來完成設計。下圖是該線上工具提供的原理圖，也是本次PA模塊設計的參考原理圖，其中有源區(qū)采用的是基于中和電容的共源放大架構，無源匹配網(wǎng)絡采用基于變壓器的匹配電路。

整個射頻PA由有源電路，輸入匹配和輸出匹配 三個部分組成。

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No.2 設計流程

第一步，有源模塊設計

有源部分設計用了RFIC-GPT的“功率放大器有源電路生成工具”網(wǎng)頁模塊。在網(wǎng)頁左側填入我們需要的指標，工作頻點選擇中間頻點。

設計關鍵指標中的線性度（OP1dB）和效率（DE_P1dB）主要由輸出級有源區(qū)+無源區(qū)設計決定。此處設置有源模塊OP1dB>13dBm，同時DE_P1dB的權重設置為80，占較大權重，增益下限設置為6dB。

點擊“計算”后，不到 1分鐘就完成了運行，設計計算結果顯示其設計的PA的OP1dB為15.26dBm，這為加入實際的有損匹配網(wǎng)絡留出了設計裕量。

本次設計限制的AM-AM為2dB，在功率上升的過程中出現(xiàn)了較大的gain boost，如若設計指標對PA的AM-AM有限制，也可以在左側加入相應的限制條件。

在給出性能表現(xiàn)后，網(wǎng)頁結果也提供了相應的MOS管、中和電容、輸入電阻相關設計參數(shù)以及目標匹配阻抗，非常方便。

下一步，我們下載并安裝了該網(wǎng)頁上的“驗證電路生成工具” Prophet_tools，這個工具一次安裝就可以集成在Cadence virtuoso中。然后根據(jù)網(wǎng)頁顯示的生成代碼填入這個設計小程序中（圖4），就可以自動生成相應的電路原理圖和對應的測試TestBench（圖5）.

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具體小程序安裝參考網(wǎng)頁安裝說明，對應生成的設計TB如下：

可生成對應的測試原理圖與相應的spectre，該原理圖中包括了輸入輸出port，輸入電阻，輸入差分對管，中和電容，以及各類偏置。并使用portAdapter仿真史密斯圓圖上負載阻抗，從而得到不同負載情況下PA的各類性能參數(shù)。

第二步，輸出匹配網(wǎng)絡設計

接下來要設計輸出匹配網(wǎng)絡，我只用將上一步有源模塊設計中的最優(yōu)阻抗填入同一網(wǎng)頁無源設計模塊“匹配電路”中，就可以直接生成無源版圖及性能效果。整個過程僅用了1-2分鐘。

在將生成的文件導入設計環(huán)境后，便可以自動生成有源網(wǎng)絡的版圖并基于該版圖完成無源網(wǎng)路的電磁仿真。

將有源區(qū)與輸出匹配網(wǎng)絡分別創(chuàng)建模塊并建立仿真設計的testbench，驗證輸出級的關鍵參數(shù)

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OP1dB：

在加入實際的電磁仿真結果后，OP1dB相比于本身設計的有源區(qū)OP1dB下降2dB。在與同學交流后，我們猜想應該是二次諧波導致線性度的下降。

我們搭建了一個較為理想的二次諧波消除網(wǎng)絡進行驗證，電路如下：

加入諧波消除網(wǎng)絡后，OP1dB為15.8dBm，與Prophet軟件預測的16.2dBm接近，因此驗證了上述OP1dB與Prophet工具預測出現(xiàn)不匹配是由二次諧波帶來的。

Power Gain：

和Prophet軟件預測結果相比，增益相差較小，僅為0.3dB。

DE_OP1dB：

有源區(qū)效率大于50%，無源區(qū)效率與軟件預測結果一致。

Kf&&B1f：搭建TB如下：

結果顯示有源區(qū)直到50GHz都是無條件穩(wěn)定。

第三步，輸入匹配網(wǎng)絡設計

最后我們設計輸入匹配網(wǎng)絡。與輸出匹配網(wǎng)絡類似，再次借助RFIC-GPT無源設計模塊“匹配電路”，我很快完成了輸入匹配網(wǎng)絡設計。此處PA輸入阻抗為39 – 51j，S11<-12dB，損耗限制小于1.5dB，匹配網(wǎng)絡網(wǎng)頁設計如下

導出GDS后，可以直接生成無源版圖并進行電磁仿真提參。

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仿真S11<-15.5dB，甚至好于預期，仿真結果如下所示：

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No.3 設計結果與總結

這次設計的射頻功放管的性能總結如下：



本設計中無源網(wǎng)絡的版圖，有源網(wǎng)絡的前仿設計都由RFIC-GPT計算完成設計自動生成，大大縮減了設計時間，目前有源部分給的是原理圖，如果也能一鍵出版圖，那就更方便了，期待有源區(qū)版圖自動生成后仿結果測評。

原帖鏈接：https://bbs.eetop.cn/thread-959931-1-1.html

審核編輯：劉清