《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高性能的功放控制器設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
劉熾鋒1,,鄭耀華1,,劉 斌2,,章國(guó)豪1
1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,,廣東 廣州510006; 2.廣州鈞衡微電子科技有限公司,,廣東 廣州510006
摘要: CMOS控制器是射頻功放模組的重要單元,,它為射頻功放提供穩(wěn)定的偏置點(diǎn)和簡(jiǎn)單的邏輯控制。采用復(fù)用誤差放大器和補(bǔ)償電容的結(jié)構(gòu),,設(shè)計(jì)出一種高性能的應(yīng)用于WCDMA手機(jī)功放模組的功放控制器,。
關(guān)鍵詞: 控制器 功率放大器模組 WCDMA
中圖分類號(hào): TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)05-0053-04
Design of a high performance controller for power amplifier
Liu Chifeng1,Zheng Yaohua1,,Liu Bin2,,Zhang Guohao1
1.School of Information Engineering,Guangdong University of Technology,,Guangzhou 510006,,China; 2.Guangzhou Junheng Micro-electronics Tech Ltd.,,Guangzhou 510006,,China
Abstract: The CMOS controller is a crucial part of Radio Frequency(RF) Power Amplifier Module (PAM),it provides stable bias and simple logic control for RF Power Amplifier(PA). We present a high performance PA controller for WCDMA handset PAM, adopting the structure of multiplexing error amplifier(EA) and compensated capacitor. The circuit is fabricated in a 0.25 μm standard CMOS process provided by TSMC and has the die size of 840 μm×440 μm. The mode switch time is less than 1.5 μs and the PSRR at 1 GHz is less than -10 dB. The measured results show that the mean value, standard deviation and temperature coefficient of output voltage is 2.894 V,,17 mV and -370 ppm/℃ respectively,,the yield is 94%.
Key words : controller;power amplifier module,;WCDMA

   

0 引言

    射頻功率放大器模組作為手機(jī),、平板等手持移動(dòng)終端的關(guān)鍵零組件和主要耗能部件不能一直處于最大發(fā)射功率狀態(tài)。為滿足特定的通信標(biāo)準(zhǔn)并延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間,高效的功率控制對(duì)于射頻功放模組尤為重要,。不同于傳統(tǒng)的GSM飽和功放,,WCDMA手機(jī)功放采用線性功放設(shè)計(jì),要求功放的增益恒定,,其發(fā)射功率由輸入信號(hào)的功率來調(diào)節(jié),。因此,WCDMA手機(jī)功放模組內(nèi)部需要控制器模塊為功放提供穩(wěn)定的偏置,,從而保證功放在不同的工作環(huán)境,、不同的工作狀態(tài)下保持功率增益幾乎不變。

    區(qū)別于當(dāng)前比較前沿的CMOS全集成方案(如應(yīng)用于WLAN的射頻功放[1]和高通的RF360射頻前端解決方案等),,本設(shè)計(jì)所屬的功放模組采用的是業(yè)界成熟的GaAs HBT功放+CMOS控制器+多層基板和SMT元件的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)解決方案,。

1 功放控制器的電路實(shí)現(xiàn)

    所設(shè)計(jì)的功放控制器由邏輯模塊(Logic)、ESD保護(hù)電路,、帶隙基準(zhǔn)源(BGR)和低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)組成,,如圖1所示。

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    其中邏輯模塊將邏輯輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部模塊的控制信號(hào),,并為射頻開關(guān)提供邏輯輸入,;ESD保護(hù)電路用于提高CMOS控制器的可靠性;帶隙基準(zhǔn)源為低壓差線性穩(wěn)壓器提供電壓基準(zhǔn)和電流偏置,;低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)為功放提供合適的偏置,。

1.1 低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)

    CMOS控制器有多個(gè)電壓輸出端口(對(duì)應(yīng)于圖1中的out0~outN),但同時(shí)工作的LDO個(gè)數(shù)有限且電路結(jié)構(gòu)相同,,本設(shè)計(jì)采用了復(fù)用誤差放大器(EA)和補(bǔ)償電容的方案,,如圖2所示。該方案一方面減小了芯片尺寸(節(jié)省了誤差放大器和補(bǔ)償電容),,另一方面又保留了每路輸出電壓的相對(duì)獨(dú)立性,。

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    為了減小由偏置電路引入的記憶效應(yīng),要求LDO輸出電壓具有較高的紋波抑制比(PSRR),,本設(shè)計(jì)采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)的誤差放大器,,如圖3所示。其中輸入inp為圖2的同相輸入端,,輸入inn為圖2的反相輸入端,, Iref由帶隙基準(zhǔn)提供。LDO輸出電壓的PSRR由以下三部分組成:第一部分由基準(zhǔn)電壓Vref經(jīng)過有限帶寬的放大器引入,;第二部分從誤差放大器(即折疊共源共柵放大器)引入,,可忽略不計(jì)[2];第三部分由功率MOS管引入,,可通過并聯(lián)反饋模型(Shunt-Feedback Model)來分析[2],。

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    圖2中運(yùn)放的補(bǔ)償電容接到誤差放大器的CC端,,消除了誤差放大器到功率MOS管的前饋路徑,不但消除了右平面零點(diǎn),,還增大了誤差放大器的第二極點(diǎn),,從而減小了補(bǔ)償電容值。LDO的第一極點(diǎn)是誤差放大器的主極點(diǎn),,第二極點(diǎn)是輸出極點(diǎn),。

    功放控制器的模式切換時(shí)間會(huì)影響到用戶體驗(yàn),它主要由LDO的使能時(shí)間決定,,可通過增大差分輸入對(duì)的尾電流(即M2的源漏電流)來減小,,這樣誤差放大器對(duì)補(bǔ)償電容和功率管寄生電容充電會(huì)更快,缺點(diǎn)是增加了靜態(tài)功耗,。同時(shí)流過M11(M15)的電流也要相應(yīng)增加,,通常設(shè)定流過M11(M15)的電流為流過M3(M4)的電流的1.2~1.5倍[3]。為了減小共源共柵電流鏡的失配,, M11(M15)和M10(M14)的過驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)分別采用電流匹配和電壓匹配的原則設(shè)計(jì)[4],。為了盡可能減小功率管的靜態(tài)電流(可降低靜態(tài)功耗),同時(shí)兼顧環(huán)路增益和電流匹配兩個(gè)指標(biāo),,本設(shè)計(jì)中M8(M12)的過驅(qū)動(dòng)電壓為150 mV左右,,M9(M13)的過驅(qū)動(dòng)電壓為100 mV左右。

    LDO的電壓誤差直接影響功放的增益誤差,,假設(shè)帶隙基準(zhǔn)誤差,、誤差放大器輸入失調(diào)電壓和采樣電阻失配對(duì)LDO的影響統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,,則LDO的電壓誤差可由下式得出:

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    其中Vos為誤差放大器的輸入失調(diào)電壓,,x為采樣電阻的失配系數(shù),Ve為帶隙基準(zhǔn)的誤差電壓,,通常誤差放大器的輸入失調(diào)電壓比帶隙基準(zhǔn)的誤差電壓小,,可見設(shè)計(jì)高精度的電壓基準(zhǔn)非常關(guān)鍵。

1.2 帶隙基準(zhǔn)源(BGR)

    本設(shè)計(jì)需要產(chǎn)生溫度系數(shù)為-400 ppm/℃的基準(zhǔn)電壓,,所采用的帶隙基準(zhǔn)電路如圖4所示,,其中M1~M4、R1~R3和Q1,、Q2組成帶隙基準(zhǔn)的核心電路,,M5~M13、R4,、R5和CC組成兩級(jí)運(yùn)算放大器,,MS1~MS5和CS組成啟動(dòng)電路,R0和C0構(gòu)成RC低通濾波電路以提升LDO的PSRR性能,。

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    啟動(dòng)電路的原理是:當(dāng)電路沒有進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí),,Vref1為低電平,,M1和M2的柵極均為高電平,這時(shí)流過電流鏡的電流為0,,由MS1~MS3組成的有源電阻導(dǎo)通,,對(duì)電容CS充電,當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到MS4的閾值電壓時(shí),, MS4導(dǎo)通,,把M1~M6、M11和M12的柵極電壓拉低,,這樣運(yùn)算放大器就開始工作,,同時(shí)三極管Q1和Q2也有電流流過,當(dāng)帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓建立起來后,,MS5管導(dǎo)通,,泄放掉電容CS上的電荷并為有源電阻提供了電流泄放通路,此時(shí)MS4截止,,電路進(jìn)入正常工作狀態(tài),。電容CS的作用是保證電路正常啟動(dòng)而不振蕩,但是如果選取的電容值過大會(huì)延長(zhǎng)帶隙基準(zhǔn)的建立時(shí)間,。

    帶隙基準(zhǔn)電路有兩個(gè)反饋環(huán)路,,其中Q1支路接入兩級(jí)運(yùn)放輸入管M7的柵極構(gòu)成正反饋環(huán)路,Q2支路接到輸入管M8的柵極構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路,,整個(gè)環(huán)路總體為負(fù)反饋,,這樣由運(yùn)放輸入端“虛短”可得M7和M8的柵極電壓近似相等。記流過三極管Q1的電流為I1,,流過三極管Q2的電流為I2,;假設(shè)Q2與Q1的發(fā)射極面積比為m,電流關(guān)系為I1=nI2,。為保證Vref1和Vref2相等,,有R2=nR1,這樣:

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    由上述分析可知,,增大三極管Q1與Q2的發(fā)射極電流密度比(增加Q2與Q1的發(fā)射結(jié)面積比或增加Q1和Q2的電流比),,不但能減小由運(yùn)放輸入失調(diào)電壓引入的誤差,還能減小由電流鏡失配引入的誤差,。Vref1中由電流鏡失配引入的誤差會(huì)比Vref2大,,但由運(yùn)放輸入失調(diào)電壓所引入的誤差卻比Vref2小,具體選擇哪個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)可通過蒙特卡羅分析決定,。

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

    CMOS控制器堆疊在HBT Die上面,,如圖5所示,必須適應(yīng)更寬的工作溫度范圍,。功放模組的工作溫度為-20 ℃~85 ℃,,本設(shè)計(jì)中控制器的仿真溫度為-20 ℃~125 ℃,。仿真結(jié)果顯示,CMOS控制器在所有PVT下LDO輸出電壓在1 GHz下的PSRR小于-10 dB(如圖6所示),,輸出電壓溫度系數(shù)為-424 ppm/℃~-399 ppm/℃,,LDO使能時(shí)間小于1.5 μs(如圖7所示)。常溫下(27 ℃)1 000點(diǎn)蒙特卡羅仿真得到輸出電壓的均值為2.906 V,、標(biāo)準(zhǔn)差為13.6 mV,。

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    分析三張晶圓的CP(Chip Probe)測(cè)試數(shù)據(jù)得到電壓均值為2.894 V,標(biāo)準(zhǔn)差為17 mV,,良率為94%,。高低溫測(cè)試得到電壓溫度系數(shù)為-370 ppm/℃左右,其中三個(gè)樣本的溫度系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示,。測(cè)得ESD保護(hù)能力達(dá)到HBM>2 kV,。

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    仿真測(cè)試結(jié)果如表1所示。從仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比中可以猜測(cè):三極管器件模型中VBE和ΔVBE的溫度系數(shù)與實(shí)際有偏差,,導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度系數(shù)偏大,,進(jìn)而導(dǎo)致蒙特卡羅仿真得出的電壓偏差比實(shí)測(cè)小(因?yàn)棣BE偏差比VBE的大)。

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3 結(jié)論

    采用復(fù)用誤差放大器和補(bǔ)償電容的LDO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于WCDMA手機(jī)功放模組的高性能的功放控制器,,既減小了芯片面積又保留了各路電壓的獨(dú)立性,。電路采用TSMC 0.25μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn),模式切換時(shí)間和PSRR性能均滿足系統(tǒng)指標(biāo),。輸出電壓偏差小,,溫度系數(shù)比較準(zhǔn),CP測(cè)試良率為94%,。目前功放模組已批量生產(chǎn),。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉斌,劉祖華,,黃亮,,等.2.45 GHz 0.18 μm CMOS高線性功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,,40(2):46-48.

[2] Gabriel Alfonso Rincón-Mora.Analog IC Design with Low-Dropout Regulators[M].McGraw-Hill,2004.

[3] ALLEN P E,,HOLBERG D R.CMOS Analog Circuit Design[M].New York:Oxford University Press,,2002.

[4] HASTINGS A.The Art of Analog Layout[M].Pearson Education,2001.

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