ISSCC2019论文解析:功率放大器篇

2019-11-12 10:59 shenhua

  沙巴体育今年这个session一共有9篇论文,与上一篇文章提到的高速接口不同,功率放大器的设计不需要16nm或7nm FinFET这样的先进工艺,不管是射频还是毫米波频段,65nm或40nm的CMOS工艺足够了,而且先进工艺的电源电压降低,功率放大器的性能反而受到影响。第二,学术界不必过多关注可靠性,可以得到更好的性能指标。

  既然说到工艺,这里还要插入一句,为了把整个系统集成在同一颗芯片之上,迟早会有采用FinFET工艺设计功率放大器的需求的。那现在这些功率放大器技术,有哪些可以沿用到FinFET工艺?有哪些变得不那么有效?FinFET工艺的功率放大器又会哪些独特的挑战?这或许可以成为一个研究方向。

  言归正传。从内容来看,今年功率放大器的最大关注点是回退效率(power back-off efficiency),有一半的论文在针对这一点做提高。其他几篇论文关注点是功率合成、太赫兹、超宽带等等。

  在具体看每篇论文之前,我这次先介绍一下功率放大器的回退效率的背景知识,方便大家理解这些论文在解决什么技术难点。

  现在的通信系统为了充分利用频谱资源,都会采用很复杂的调制方式,如64QAM等等,信息同时蕴含在调制信号的相位和包络幅度之中。这对功率放大器的线性度提出了要求,设想我传递给功率放大器一个有四个电平的包络信号,假如功率放大器是完全非线性,发射出来的包络幅度全变成一样,那其中包含的信息就不可能找回来了。因此功率放大器必须工作在饱和输出功率回退若干dB的地方,以避免非线性造成信号失真。

  想象一个简单的A类功率放大器,当输出功率减小时,由于偏置点不变,晶体管的直流电流不变,电源电压不变,因此消耗的功率不变。输出功率减小,消耗功率不变,因此效率会急剧下降。从这里我们可以看到改善回退效率的本质因素:当输出功率减小时,同步减小功率放大器消耗的直流功率。

  不就是减小直流功耗嘛,听起来很容易的样子。我先说一个很naive的想法:在功率回退时,我们同步降低电源电压,可以吗?

  可以,很多人就是这样做的,所谓的Envelope Tracking技术就是这个从这个概念出发的。往年的ISSCC有不少采用这个技术的论文,但今年没有。简单的说,Envelope Tracking技术先从调制信号中提取出包络的幅度信息,然后用这个幅度信息去控制功率放大器的电源电压,使得输出功率小时电源电压降低,从而提高回退效率。

  本质的缺陷是速度。我们在设计功率放大器时,一般都希望有一个稳定的电源电压,需要滤波电容进行滤波,即使不额外加滤波电容,功率放大器电源端的寄生电容本来就已经非常大了。这恰好与Envelope Tracking的技术相违背,一个要求电源电压稳定,一个要求电源电压能快速变化。因此,Envelope Tracking技术没法支持快速变化的包络,调制信号的带宽受到限制,论文里能够实现的码率一般在几十兆。在具体实现上的两个技术难点分别是“怎么控制”——包络环路与相位环路的匹配,以及“怎么调”——高效率的电源调制器(power modulator),我们好不容易把功率放大器的直流功耗降低,可不想这些节省的功耗被消耗在电源整流器上。

  总的来说,在芯片设计里,电源电压是一个特别难调的量,尤其是需要实时调的时候。电流大,无法容忍开关的插入电阻,电容大,没法快速变化。

  既然电源电压不好调。那我提第二个naive的想法:在功率回退时,我们同步降低(等效)偏置电压是否可以?

  当然可以。B类的功率放大器不就是这个概念嘛。B类功率放大器偏置在晶体管的阈值电压,当输入功率减小时,等效的直流偏置点下降,晶体管消耗的直流电流下降。这的确在某种程度上提高了晶体管的功率回退效率。但是还不够。很容易理解,功率放大器的输出功率随着输入电压幅度呈平方关系下降,而直流电流呈线性关系下降,输出功率下降更快,因此回退效率还是不够高。现在大家一般把B类放大器的回退效率曲线作为对比,号称在回退若干dB时,我的效率比B类功率放大器提高了若干倍。如果你做了一个号称可以增强回退效率的功放,结果还打不过B类,那还是不要拿出来讲了……

  偏置电压继续往下调就成了C类功率放大器,属于非线性功率放大器的范畴。这里再插入一句:A类、B类、C类放大器这些概念可能过于简化,但对我们的思维帮助很大。我们说一个实际放大器工作在B类,并不是说它恰好与教科书里定义的B类完全相同,而是说它的工作状态更像、或者更接近B类,采用B类的模型进行分析更准确。

  对于单个功率放大器晶体管本身,我们可调的物理量似乎也就电源电压和偏置电压了吧。或与阈值电压也可以调,但Bulk CMOS工艺并没有调阈值电压这个选项,SOI工艺倒是可以。

  似乎调电源电压和偏置电压都不是那么有效,那么是时候引入第二个辅助功率放大器了。设想我们有两个功率放大器,主放大器偏置在B类或AB类,而辅放大器偏置在C类。这样当输入电压幅度小的时候,C类放大器打不开,只有B类工作,呈现出一个线性功放。当输入电压幅度变大,B类主放大器的增益开始衰减,这时候恰好C类放大器被打开,补偿B类放大器减小的功率,从而提高了整体的线性度,也就提高了相对于最大输出功率的回退效率。

  写到这里,对这一块熟悉的人应该可以看出来,这已经非常接近doherty功率放大器的概念了。但是doherty还要多一个负载牵引的概念。doherty功放的经典原理图如下图所示。所谓负载牵引,值得是当辅助功率放大器打开之后,它会往负载中注入一个相关的电流,可以使得主功率放大器看到的等效阻抗减小。为什么可以减小不详细解释了,从阻抗的定义可以推导公式。那为什么要做负载牵引呢?对于B类功率放大器,负载阻抗是一个很重要的设计参数,当负载阻抗恰好使漏电电压摆幅接近电源电压时,功率放大器达到最高效率。从这点出发,如果需要大的输出功率,我们需要小的负载阻抗(V**2/R);当所需的输出功率减小。