外文翻譯---應(yīng)用于功率放大器的過(guò)壓保護(hù)電路

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯資料</p><p>　　翻譯資料名稱(chēng)(外文) An Over-Voltage Protection Circuit for </p><p>　　CMOS Power Amplifiers </p><p>　　翻譯資料名稱(chēng)(中文) 應(yīng)用于功率放大器的過(guò)壓保護(hù)電壓電路 </p>

2、<p>　　電子信息工程 院（系） 電子信息工程 專(zhuān)業(yè)</p><p>　　學(xué) 號(hào) Z06091045 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師

3、 </p><p>　　起訖日期 2009. 2. 23 ~ 2009. 6. 4 </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn) </p><p><b>　　中文譯文</b></p><p>　　應(yīng)用于功率

4、放大器的過(guò)壓保護(hù)電路</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著移動(dòng)通信設(shè)備對(duì)更高集成度和更低成本的需求的增加，使用CMOS功率放大器的趨勢(shì)越來(lái)越多來(lái)代替GaAs 或者SiGe 功率放大器。雖然目前CMOS價(jià)格相對(duì)比較低廉，但是其射頻性能存在劣勢(shì)，而且還有低的擊穿電壓。這個(gè)問(wèn)題特別體現(xiàn)在PA的輸出級(jí)，當(dāng)負(fù)載不匹配是，導(dǎo)致高電壓駐波比（VSWR）

5、并在PA輸出高峰峰值電壓。本文在0.13mm CMOS工藝下設(shè)計(jì)了一個(gè) 27dBm PA，包括VSWR保護(hù)電路。一個(gè)控制回路檢測(cè)在PA輸出端的高電壓振幅尖峰以降低PA的增益，從而降低輸出電壓擺幅達(dá)到理想值。</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　功率放大器是每個(gè)射頻發(fā)射機(jī)的最重要部分之一。大多數(shù)功率放大器是基于SiGe或GaAs工藝技術(shù)，而

6、收發(fā)器和基帶電路更加傾向于使用低成本的標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)。CMOS PA可以使得整個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)集成在單個(gè)芯片中，這對(duì)于成本和面積的減少是相當(dāng)可觀的。雖然CMOS PA的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，但是現(xiàn)代深亞微米CMOS工藝的性能接近SiGe或GaAs PA更加具有吸引力。一個(gè)主要的問(wèn)題是將在所有可能的情況之下保證可靠的操作。如果負(fù)載失配時(shí)，在PA輸出端將導(dǎo)致高的VSWR，這個(gè)問(wèn)題對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶體管的低擊穿電壓非常重要。</p

7、><p>　　本文提出了一種用于CMOS功率放大器的VSWR保護(hù)電路。該電路另外設(shè)計(jì)附加在一個(gè)輸出功率為27 dBm的兩級(jí)差分功率放大器中。這個(gè)PA的設(shè)計(jì)是為了集成在DECT電話(huà)芯片中，和參考文獻(xiàn)[1]類(lèi)似。PA的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和測(cè)試結(jié)果參照文獻(xiàn)[2]。</p><p>　　本文結(jié)果如下：首先簡(jiǎn)單介紹了PA的非理想影響。第三部分介紹了可能的解決方案。第四部分給出了PA的整體結(jié)果和設(shè)計(jì)。接著對(duì)VSWR

8、保護(hù)電路做了詳細(xì)的介紹，最后給出了測(cè)試和仿真結(jié)果。</p><p>　　2、PA的非理想因素</p><p>　　CMOS PA的可靠性問(wèn)題主要包括三個(gè)方面：</p><p>　　由于熱載流子效應(yīng)，模擬CMOS電路的RF性能會(huì)退化[3]。當(dāng)漏極電場(chǎng)強(qiáng)度高時(shí)，溝道電子將對(duì)Si-SiO2表層產(chǎn)生破壞，從而出現(xiàn)熱載流子效應(yīng)。這將導(dǎo)致MOSFET的開(kāi)啟電壓增大使得跨導(dǎo)降低。

9、</p><p>　　電遷移通常是指在電場(chǎng)的作用下導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)造成元件或電路失效的現(xiàn)象。它可能會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路空隙，甚至差距，導(dǎo)致了芯片的破壞。電遷移是一個(gè)問(wèn)題，尤其是當(dāng)大的直流電流密度存在同一個(gè)線(xiàn)路中。</p><p>　　最后，CMOS晶體管的一個(gè)致命威脅是柵氧化層或PN結(jié)暴露在過(guò)高的電壓下會(huì)直接被擊穿。0.13?m工藝的柵級(jí)擊穿電壓根據(jù)晶體管的種類(lèi)在4.5V~8.5V之間。PN結(jié)的反向擊穿

10、電壓約為7V。</p><p>　　3、天線(xiàn)上負(fù)載失配造成的過(guò)高電壓</p><p>　　天線(xiàn)上負(fù)載失配導(dǎo)致傳輸信號(hào)的反射從而形成駐波。反射波的幅度和相位可以通過(guò)反射因子ρ來(lái)度量。如果傳輸信號(hào)幅度為Vf，則駐波的最大幅度為Vmax =Vf（1 + |ρ|）。因此在負(fù)載失配嚴(yán)重時(shí)，駐波幅度可以達(dá)到傳輸信號(hào)幅度的2倍。負(fù)載失配可以通過(guò)駐波比（VSWR）來(lái)反應(yīng)，VSWR是駐波最大電壓與最小電壓的

11、比值。</p><p><b>　　A．駐波比</b></p><p>　　高電壓駐波會(huì)加速PA電遷移的長(zhǎng)期退化和熱載流子效應(yīng)，甚至?xí)⒓磳?dǎo)致晶體管的擊穿。一種辦法，應(yīng)付CMOS晶體管擊穿的問(wèn)題是要面對(duì)它的工藝水平，融入標(biāo)準(zhǔn)CMOS高電壓兼容的晶體管。這些設(shè)備的制造過(guò)程中就必須增加額外的步驟和手段，此外，這些射頻晶體管的性能一般低于標(biāo)準(zhǔn)的晶體管。最后，很多半導(dǎo)體公司“

12、無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)，并在獨(dú)立半導(dǎo)體鑄造廠制作。</p><p>　　因此，有希望進(jìn)行替代解決在線(xiàn)路水平上的問(wèn)題，電壓反饋電路，以避免線(xiàn)路老化，該電路只適用雙極晶體管，不適合用于CMOS功率放大器。</p><p>　　這項(xiàng)工作提出了一個(gè)用于CMOS功率放大器的保護(hù)電路。這感覺(jué)在PA的開(kāi)路漏極輸出高電壓和動(dòng)態(tài)降低偏置和增益放大階段。基本概念和[6]相似，但實(shí)施是不同的。兩個(gè)主要組成部分，過(guò)壓檢測(cè)器和偏

13、置調(diào)節(jié)，將在未來(lái)章節(jié)中討論。</p><p>　　駐波比保護(hù)提出功率放大器包括一個(gè)兩個(gè)階段AB類(lèi)功率放大器的核心和輸出電壓控制回路。一個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示控制回路的電壓擺幅放大器在第二階段的產(chǎn)出。如果輸出擺幅在一定條件下駐波或過(guò)于高電源電壓，偏置，因此放大器的增益受限制降低，重新建立輸出擺幅。</p><p>　　差分功率放大器需要單端轉(zhuǎn)換。除芯片以外的所有CMOS采用13微米工藝。&l

14、t;/p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　設(shè)計(jì)功率放大器的核心</p><p>　　這兩個(gè)階段的核心采用的是功放大器級(jí)間和輸入的匹配，結(jié)構(gòu)是眾所周知的，特別是對(duì)雙極型器件功率放大器，電路圖如圖2差分設(shè)計(jì)采用了虛擬平面，導(dǎo)致了良好的偶次諧波取消，該差分結(jié)構(gòu)，尤其是一個(gè)重要的單片機(jī)發(fā)器，因?yàn)樗鼫p少了大功率放大器的干擾信號(hào)和其他組成

15、部分。</p><p>　　通過(guò)對(duì)變壓器磁耦合器，放大器耦合被電隔離。所以偏置可設(shè)定為兩個(gè)階段。正如圖中可以看出。 2電流于偏置，利用變壓器中心抽頭。諧振需要調(diào)整，以減少輸入和輸出變壓器在作方面的 費(fèi)用微調(diào)電容C1和C2被添加到匹配的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了1.9 GHz的工作頻率共振。</p><p>　　通過(guò)不同的轉(zhuǎn)化率以及變壓器的大小，一個(gè)良好的級(jí)間匹配和輸入匹配被發(fā)現(xiàn)。</p>

16、<p>　　盡管如此 通過(guò)電容晶體管的空間是有限的，此問(wèn)題是更比雙極型器件的CMOS嚴(yán)重，獲取更高的頻率更差。</p><p>　　功率放大器是專(zhuān)為集成到一個(gè)單芯片的DECT收發(fā)器，它是在兩個(gè)電池供電下工作，功率放大器直接連接電池，兩個(gè)串聯(lián)的鎳氫電池的電壓是2。5V。當(dāng)電池充電時(shí)，電原電壓在很短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到3.6V，早先提交了一份輸出功率0.13微米的CMOS功率放大器具有良好的性能，已高于1.2 V的

17、低電源電壓的可靠性問(wèn)題。因此，除了保護(hù)電路的駐波，重點(diǎn)放在已經(jīng)意識(shí)到的可行性設(shè)計(jì)和功率放大器的核心布局。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　B 輸出匹配和差分至單端轉(zhuǎn)換</p><p>　　負(fù)載阻抗變換和差分到單端轉(zhuǎn)換被微型LC利用。差分負(fù)載阻抗功率放大器輸出轉(zhuǎn)變的是相同的頻率，它是由高次諧波的不平等。因此，在不同峰

18、值電壓漏輸出駐波比時(shí)，可能會(huì)有所不同應(yīng)用條件。因此，有必要監(jiān)測(cè)與過(guò)壓檢測(cè)器都漏輸出的峰值電壓</p><p><b>　　C: 過(guò)電壓檢測(cè):</b></p><p>　　對(duì)于過(guò)電壓檢測(cè)電路如圖3它由n個(gè)二極管鏈和一個(gè)并聯(lián)電阻電容組成。在最后節(jié)點(diǎn)射頻射出二極管鏈?zhǔn)沁B接到功率放大器漏極輸出節(jié)點(diǎn)。在正常運(yùn)作的二極管的電壓N?Vknee總和大于最大漏極電壓擺幅較大。因此，輸出

19、電壓不加載和功率放大器的表現(xiàn)也沒(méi)有變差。如果在駐波比情況下，PA的峰值輸出電壓超過(guò)n?Vknee，通過(guò)二極管鏈和電容器的電流。電壓Vcontrol，這是用來(lái)控制偏壓，上升到Vcontrol = VRFout - nVknee。高阻抗并聯(lián)電阻必須履行的駐波條件，允許功率放大器返回正常狀態(tài)?；蛘叩揭粋€(gè)高阻抗低偏置電阻器使用，有可能節(jié)省芯片面積。</p><p>　　很顯然，采用二極管連接的PMOS晶體管，用晶體管代替

20、二極管是不可能的。一個(gè)二極管連接的晶體管的漏極電壓低于大部分電壓，從而導(dǎo)致二極管反向偏置。因此，可能破壞晶體管。</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　D: 動(dòng)態(tài)偏置調(diào)節(jié)</b></p><p>　　電壓是用來(lái)調(diào)節(jié)放大器的偏置點(diǎn)階段，一是讓簡(jiǎn)單的電流是在功率放大器偏置在圖2中使用。讓擴(kuò)大路&

21、lt;/p><p><b>　　在圖4中展示出來(lái)，</b></p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　正常操作的電壓一個(gè)相當(dāng)高的參考電壓。因此PMOS管的晶體管M2在左邊的輸入阻抗要高于在右邊的輸入阻抗。目前所有的都是從右邊通過(guò)的，射頻是參考電流的放大級(jí)M3 和M1r形成一個(gè)電流鏡在圖2中顯示。如果檢測(cè)出一

22、個(gè)非常高的電壓射頻，電壓控制如上圖所示，目前晶體管減小，降低了放大器的偏置和增益級(jí)，從而降低輸出電壓擺幅回到正常狀態(tài)</p><p>　　該控制回路是晶體管M3的電容在輸出階段。當(dāng)控制電壓突然上升，如有錯(cuò)誤，在射頻輸出節(jié)點(diǎn)突然出現(xiàn)一個(gè)輸出級(jí)晶體管，因此有立即崩潰的危險(xiǎn)，因此電壓波動(dòng)仍然存在。解決這個(gè)問(wèn)題是通過(guò)增加一個(gè)額外的晶體管如果控制電壓上顯示的電壓可能導(dǎo)致M3的故障切換。在這種情況下，對(duì)M3 M4的排放立即增

23、大，從而開(kāi)關(guān)功率放大器在一個(gè)射頻周期的控制電壓，M4的交換機(jī)上可以與一個(gè)電阻分壓器調(diào)節(jié).</p><p><b>　　4、可變脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　在圖5中顯示的是級(jí)聯(lián)和有源器件功率放大器輸出級(jí)的漏級(jí)電壓的模擬結(jié)果，圖5（a）中是在2。5V和50歐天線(xiàn)負(fù)載下的波形。在圖5（b）中展示了強(qiáng)大的負(fù)載失配的情況下，供應(yīng)電壓提高到3.2V。當(dāng)在漏極的輸出節(jié)

24、點(diǎn)加最大電壓，使得功率放大器在最壞的情況下由正常操作的5V上升到6V。如果沒(méi)有更高的漏極循環(huán)電壓控制，導(dǎo)致功率放大器第一階段的輸出故障。在正常的操作下，通過(guò)保護(hù)電路功率放大器的表現(xiàn)是不會(huì)下降的。</p><p>　　圖5(a) 圖5(b)</p><p>　　該檢測(cè)器和偏置電壓調(diào)節(jié)器在開(kāi)環(huán)模式下進(jìn)行了瞬態(tài)分析。在圖6中當(dāng)突然有個(gè)過(guò)電

25、壓應(yīng)用在PA輸出端時(shí)Vbias和Vcontrol被很快的反應(yīng)出來(lái)了。高電壓會(huì)被立即檢測(cè)并且隨著很少的射頻周期偏置會(huì)降低，在圖6中隨著開(kāi)環(huán)檢測(cè)模式?jīng)]有射頻輸出可以看出漏極電壓減少。</p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　5、測(cè)試結(jié)果</b></p><p>　　一種用于CMOS功率放大器過(guò)電壓

26、保護(hù)電路被提出了，在功率放大器輸出高電壓時(shí)該電路需要被保護(hù)，當(dāng)負(fù)載不匹配，一個(gè)控制回路檢測(cè)在PA輸出電壓幅度過(guò)高，降低了功率放大器的增益，以降低輸出電壓的值，控制回路是應(yīng)用于制作與量測(cè)在0.13微米CMOS功率放大器。這個(gè)功率放大器的輸出超過(guò)27DBM的在1.9千兆赫。模擬顯示功能和控制回路的響應(yīng)速度快,在正常操作下功率放大器的表現(xiàn)不會(huì)應(yīng)為過(guò)電壓保護(hù)下降。</p><p><b>　　外文原文</