專欄文章

功率放大器通常是無線通訊前端系統中最耗電的元件。近年來有許多毫米波CMOS高效率功率放大器使用了class-F技術的論文發表。本文將回顧class-F的技術並討論文獻上所發表的毫米波高效率諧波調和(harmonic tuned) CMOS功率放大器。

延續上篇，理想的class-F放大器要操作在class-B的偏壓，在這樣的偏壓下電晶體本身並沒有增益，需要依靠夠大的輸入電壓來推動電晶體來提供增益。然而，在毫米波由於寄生效應影響與訊號較小，偏壓在class-B的電晶體無法提供足夠的增益。因此近年來的毫米波class-F CMOS功率放大器的文獻，都是將電晶體偏壓選擇在class-AB，搭配諧波控制輸出匹配網路的設計來達到波形控制以提升放大器的效率。由於並非偏壓在class-B，這樣的放大器與傳統的class-F不完全相同。因此有人會稱之為諧波調和(harmonic tuned)放大器。

接下來我們來看兩篇毫米波CMOS harmonic tuned功率放大器的文獻，以了解相關的設計要點。文獻[3]採用單端(single-ended)，一級共源極(common-source)的設計的架構，整體電路圖如圖三所示。電晶體本身的寄生電容，有C_gs (gate-source capacitance)、C_gd (gate-drain capacitance)與C_ds (drain-source capacitance)。C_gs影響電晶體的輸入阻抗，C_gd影響電晶體反向隔離度，C_ds則會影響輸出阻抗，因此在設計時都必須考慮。首先看輸出匹配網路的設計，在二倍頻(2f₀)，L₂與C₂串聯共振腔在2f₀提供短路阻抗；L_d與電晶體的C_ds並聯共振腔在2f₀為開路阻抗。而在三倍頻(3f₀)，L₂、C₂、L_d與C_ds則可視為一並聯共振腔，提供高阻抗。Lo與Co則為基頻(f0)提供阻抗匹配，而Lo在3f₀則為高阻抗。總結輸出匹配網路的設計，其阻抗Z_L在f₀為最佳負載阻抗，使放大器可以達到最大的輸出功率；在2f₀則為短路阻抗；在3f₀為高阻抗。因此此輸出匹配網路可以達到class-F波形整型的效果。在此電路中，L_d與L_g為變壓器(transformer)，是用來消除C_gd，以改善電晶體的穩定性與反向隔離度。

圖三、一級單端諧波調和功率放大器電路圖^[3]

此功率放大器以65-nm CMOS製程實現，在29 GHz的小訊號增益為10 dB，飽和輸出功率(P_sat)為14.75 dBm，1 dB壓縮輸出功率(P_1dB)為13.2 dBm，功率附加效率(power added efficiency，PAE)達到46.4%。以250 MHz符號率(symbol rate)、64 QAM訊號量測，-25 dB EVM的要求下，平均輸出功率在28 GHz為9.2 dBm，對應PAE為26%。

文獻[4]採用變壓器功率結合技術，為兩級差動(differential)架構，整體電路圖如圖四所示。在兩級的差動放大器使用了中和化電容(neutralization capacitor)技術來消除電晶體的C_gd以改善電晶體的穩定度以及增益。圖五為其輸出匹配網路在f₀、2f₀與3f₀的等效半電路圖。由於L₂與C₂構成之串聯共振腔的共振頻率設計略高於2f₀，因此L₂-C₂在f₀等效為電容，所以輸出匹配網路在一倍頻為一組磁耦合共振腔(Magnetically Coupled Resonator)，將實部阻抗匹配到最佳負載阻抗，且虛部由電感性變化成電容性。在2f₀時，圖五(b)紅框之電路等效為一個低阻抗。而在3f₀時，L₂-C₂等效為電感，變壓器與匹配電容等效為電感。圖五(a)紅框內電路為電感性，與C_ds形成並聯共振腔，提供高阻抗。除了效率以外，此電路在線性度上也有做額外補償，由於輸出級是AB類的偏壓，因此在振幅對相位調變失真(AM-PM Distortion)上會是正角度的失真，為了補償這個問題，在驅動級(Driver Stage)的閘級偏壓選擇在比較靠近A類的偏壓，使得振幅對相位調變失真在這級產生負角度的變化，以補償輸出級的失真。

圖四、使用變壓器功率結合技術之兩級諧波調和功率放大器電路圖^[4]

圖五、輸出匹配網路在(a) f₀與3f₀，與(b)2 f₀之等效半電路圖

此功率放大器以90-nm CMOS製程實現，在27 GHz的小訊號增益為26 dB， P_sat為15.5 dBm，P_1dB為13.7 dBm，PAE為32%。以250 MHz符號率(symbol rate)、64 QAM訊號量測，-25 dB EVM的要求下，平均輸出功率在27 GHz為9.5 dBm。

從以上兩個例子可以證明，使用諧波調和結合class-AB功率放大器可以有效提升功率放大器的效率。實測輸入數位調變訊號也可達到所要求的EVM，可應用5G毫米波行動通訊系統中。

參考文獻

[1]   Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Norwood, MA, USA: Artech House, 2006.

[2]   W. Chen, K. Rawat, and F. M. Ghannouchi, Multiband RF Circuits and Techniques for Wireless Transmitters. Berlin: Springer-Verlag, 2016.

[3]   S. N. Ali, P. Agarwal, S. Gopal, S. Mirabbasi and D. Heo, "A 25–35 GHz Neutralized Continuous Class-F CMOS Power Amplifier for 5G Mobile Communications Achieving 26% Modulation PAE at 1.5 Gb/s and 46.4% Peak PAE," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 66, no. 2, pp. 834-847, Feb. 2019.

[4]   Z.-J. Huang, B.-W. Huang, K.-Y. Kao, and K.-Y. Lin, “A high-gain continuous class-F power amplifier in 90-nm CMOS for 5G communication,” in 2019 Asia-Pacific Microwave Conference Technical Digest, Dec. 2019.