婚蠡国题赌 ＲＦＩＤ读写器中高集成度的 ＣＭＯＳ功率放大器的设计和分析 黄捷克，戴庆元，刘冲 （上海交通大学微纳米科学技术研究院集成电路实验室，上海，２００２４０） 摘要：介绍了设计的一个采用０．１８ ｍ的ＣＭＯＳ工艺的Ｃｌａｓｓ－Ｅ类的功率放大器。它可以提供最 高为２０ ｄＢ的输出功率，以及输出功率在１４．５ ｄＢ的时候可以达到１ ｄＢ的输出增益，最大的功率附 加效率可以达到３２．１％。文中还分析了这款功率放大器的频谱特性和ＲＦ协议。 关键词：功率放大器；接合线电感；Ｃｌａｓｓ－Ｅ；质因数Ｑ；频谱屏蔽 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＭＯＳ Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｉｅｒ ｆｉｎ ＲＦＩＤ Ｒｅａｄｅｒｓ ＨＵＡＮＧ Ｊｉｅ—ｋｅ，ＤＡＩ Ｑｉｎｇ—ｙｕａｎ，ＬＩＵ Ｃｈｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｕｕｙ—ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ—ｃｈｉｐ ＣＭＯＳ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｆｏｒ ＲＦＩＤ ｒｅａｄｅｒ ｉｓ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｄ．Ｂｏｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ａ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ Ｑ，ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ． Ｃｌａｓｓ—Ｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｕｓｉｎｇ ０．１ ８ ｍ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ２０ ｄＢ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｅｄ，ａｎｄ １ ｄＢ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｇａｉｎ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ １４．５ ｄＢ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ａｄｄｅｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｃｈｉｅｖｅｓ ３２．１％．Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ＲＦ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｌｓｏ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ（ＰＡ）ｂｏｎｄｗｉｒｅ；Ｃｌａｓｓ—Ｅ；ｑｕａｌｉｙｔ ｆａｃｔｏｒ Ｑ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍａｓｋ 中图分类号：ＴＮ９５７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：０２１９－２７１３（２０１３）０１・０２－００２９－４ 近年来，全球无线射频识￣ＩＪ（ＲＦＩＤ）市场正在高速增长。 在集成电路（ＩＣ）设计领域，开发具有低成本、高效率的解决 方案的ＲＦＩＤ系统已经成为现在研究的方向，在所有非线性 在本文中，先对ＰＡ（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ）的每个匹配网络的 谐振频率进行推导。然后，重点分析了一个采用９１５ ＭＨｚ的 ＣＭＯＳ ｃｌａｓｓ—Ｅ类ＰＡ设计的移动终端ＲＦＩＤ读写器，芯片是 功率放大器中，在ＲＦ领域内经常选择ｃｌａｓｓ—Ｅ类功率放大 器［１】ｏ 收稿日期：２０１２—０９—２５ 采用０．１８ ｍ １Ｐ６Ｍ的ＣＭＯＳ工艺。在ＰＡ的输出端使用接 合线电感器来实现低成本和高效率，可提供的最大输出功率 为２０ ｄＢ。 一２９— 螂 国题贻 放大器。这两级分别是ｃｌａｓｓ—ＡＢ类和ｃｌａｓｓ—Ｅ类。漏极电感 器 。和输出级电感器三：采用的是接合线电感。其他组件都 ４实验结果 是片内设计的。 图４ ｃｌａｓｓ－Ｅ ＰＡ的工作原理图 ｃｌａｓｓ—Ｅ类的功率级的最大漏极电压可以超过电源电压 的３．５倍，但是ＣＭＯＳ工艺中限定了晶体管的击穿电压，采 用共源共栅结构和栅级厚氧化层的晶体管ｖＴ 的方法已经 解决氧化层击穿问题，所以可以采用更大范围内的电源电 压。在这个设计中，ＶＴ 是采用Ｏ．１８ ｍ工艺的晶体管，ｖＴ２ 是采用０．３４ ｍ工艺的晶体管。电源电压 是２．５ ｖ，即便 是输入信号功率高达０ ｄＢ，最大栅极一漏极间的电压也不会 超过２Ｖ。因此，不会发生氧化层击穿的情况。在驱动级，电阻 器Ｒ。和电容ｃ凸形成串联反馈来保证整体系统的稳定性。 输出的匹配网络需要选择一些满足以下两个条件的的 元器件才能满足Ｅ类放大器软开关的工作条件： （１）当开关导通时，开关晶体管Ｍ１两端的电压为零； （２）当开关晶体管被接通时，两端电压的一阶导数为零。 上述两个条件保证了在整个时间内，电流波形和电压波 形没有重叠。所以无功耗的开关晶体管在负载端理论上可以 达到１００％效率。满足条件的元器件的具体参数值可以通过 以下公式来计算。 Ｒ （７） Ｃ２＝ （８） ２＝ 葡 （９） 另外，在三：、Ｇ２谐振电路后添加输出匹配网络目的是为 了把天线电阻从５０ ｎ降低到一个较低的值 。此外，电感 上面添加了输出匹配网络的电感器，可以高达ｌＯ．５ ｎＨ。 预期的ＩＣ工艺是采用０．１８｝ｘｍ １Ｐ６Ｍ ＣＭＯＳ工艺。测得 的ＰＡ中散射参数（Ｊｓ一参数，ｓ．．，Ｓ ）如图５所示。 五ｔ ＬＯＧ ｌ： ２５．１０５ｄＢ ９１５．／１３０００１ Ｍｌ＇ｋ ＬＯＧ１－２７．０５０ｔｌ８ ９１５．０３０００１Ｍｌ＇ｌｔ 图５ ＰＡ的Ｓ…Ｓ２ 参数 ＰＡ在９１５ ＭＨｚ频率下可提供小信号增益为２７．０ ｄＢ。ｓ２， 的曲线揭示了驱动级和输出级的谐振电路频率非理想匹配， 可能导致一个非理想的输出功率和输出效率。一个改进方法 是通过引入一个可控的电容来改变驱动级的谐振频率。 在输出级的电源电压为２．５ Ｖ，栅极偏置电压为０．５２ ｖ， 并且驱动级的电源电压为１．８ ｖ，栅极偏置电压为Ｏ．８５ ｖ的情 况下，输出增益为１ ｄＢ，功率放大器消耗的总体ＤＣ电流为 １０８ ｍＡ。这样输出增益为１ ｄＢ的输出功率大约是１４．５ ｄＢ，并 且最大功率附加效率（ＰＡＥ）是３２．１％，最大输出功率可以高 达２０．０ ｄＢ。测得的输出功率和ＰＡＥ的关系如图６所示。 我们用ＩＳＯ１８０００—６Ｂ ＲＦＩＤ协议来验证设计的ＰＡ的频 谱性能唧。采用中国的频谱屏蔽标准嗍，当传输数据速率为 １０ ｋｂｓ和４０ ｋｂｓ时，相对应的ＰＡ输出的信号频谱示如图７ —３１— 第１６卷第１・２期 ２Ｏ１埤１月・２月 电涤艘 阙 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＩＪＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０ＮＳ ＶｏＩ＿１６ Ｎｏ．卜２ Ｊａｎ．＆Ｆｅｂ．２０ｌ３ ＲＬ ｌＯ．ＯｄＢｍ ｌ０ｄＢ 言 ∞ ＣＥＮＴＥＲ ９１５．０００ ＭＨｚ ＳＰＡＮ ２．５００ ＭＨｚ 图６输出功率和ＰＡＥ的关系图 图８ ４０ ｋｂｓ下ＰＡ输出信号的频谱 和图８所示。 进行设计的。在ＰＡ的输出级中，我们引入了接合线电感器的 从图７和图８中可以看出在１０ ｋｂｓ的数据传输速度下 可以满足频谱屏蔽标准而在４０ ｋｂｓ时却不能满足。为了达到 更快的数据传输速率，在发送的数据进入ＰＡ之前需要采用 对应的滤波。 方法。测试和分析的重点在于接合线的优缺点。设计的ＰＡ可 提供的最大输出功率为２０ ｄＢ。它的最大功率附加效率是 ３２．１％。为了提高ＰＡ的匹配性能，还需要对每个匹配网络的 谐振频率做更加详细的推导。 参考文献 【１］ 郝允群．高效率Ｅ类射频功率放大器Ｕ１．半导体技术， ２００４，２９（２） ［２】 朱亚宁．射频集成电路中平面螺旋电感的研究ＩＤ】．南 京：南京理工大学，２００６． ’［３】 曾山．集成平面螺旋电感的设计及其应用［Ｄ】．南京：东 南大学，２００５ ＣＥＮＴＥＲ ９１５．０００ ＭＨｚ ＳＰＡＮ １．２５０ ０ ＭＨｚ 【４】Ｃｒａｎｉｎｃｋｘ Ｊ，Ｓｔｅｙａｅｒｔ．Ａ １．８ ＧＨｚ ＣＭＯＳ ｌｏｗ—ｐｈａｓｅ—ｎｏｉｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｐｒｅ—ｓｃａｌｅｒⅡ］．ＩＥＥＥ 图７ １０ ｋｂｓ下ＰＡ输出信号的频谱 ｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，１９９５，３０：１４７４ ［５５１ 骆元舒．基于ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００—６Ｂ协议标签逻辑的设计 ５结束语 在本文中，一个为ＲＦＩＤ读写器设计的，高度集成的 半导体技术，２００９ ［６】 Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．８００／９００ ＭＨｚ ＲＦＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＣＭＯＳ的ｃｌａｓｓ—Ｅ类功率放大器是采用Ｏ．１８ Ｉｘｍ ＣＭＯＳ工艺 ｒｕｌｅｓ（Ｔｒｙｏｕｔ）［Ｚ］，Ａｐｒｉｌ ２０，２００７．
