0 引言

　　為了滿足現(xiàn)代無線通信對(duì)高速率的要求，通信系統(tǒng)采用了更加復(fù)雜的調(diào)制方式，對(duì)射頻電路設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求也越來越苛刻。低互調(diào)失真、高線性度是當(dāng)前無線射頻前端設(shè)計(jì)的重要問題之一[1]。射頻功率放大器（PA）處于通信系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)射機(jī)的末端，對(duì)發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量起著決定性作用，然而由于PA工作在大信號(hào)下，所以其線性度差一直是難以克服的問題。常用的PA線性化技術(shù)都是基于系統(tǒng)級(jí)的，電路復(fù)雜、功耗大且價(jià)格高。RF MOS管的非線性特性決定了PA的線性度，因此，從RF MOS管級(jí)對(duì)非線性特性進(jìn)行分析和補(bǔ)償，可以有效提高線性度，降低功耗和設(shè)計(jì)成本，對(duì)于集成高線性度的PA和通信系統(tǒng)來說意義重大。

　　常用的分析非線性電路方法有Taylor級(jí)數(shù)法[2]、Volettra級(jí)數(shù)法[3]和諧波平衡法。文獻(xiàn)[4]中已經(jīng)使用Taylor級(jí)數(shù)和BSIM3模型來研究RF MOS管的非線性特性。本研究中，使用了Taylor級(jí)數(shù)的分析方法，并基于ADS軟件中的Symbolically Defined Device（SDD）對(duì)RF MOS管進(jìn)行非線性特性建模和仿真，計(jì)算出各非線性源對(duì)RF MOS管總體非線性度的貢獻(xiàn)，并提出了與之對(duì)應(yīng)的線性度提高技術(shù)。

　　本文最后將各種線性提高技術(shù)應(yīng)用在了一款功率放大器上，該功率放大器采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明該功率放大器的線性度提高了4~10 dB，證明了本文對(duì)RF MOS管非線性模型分析正確可靠，提出的線性度提高技術(shù)正確可行。

1 RF MOS管非線性特性分析

　　根據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)發(fā)射功率的要求，一般功率放大器工作在大信號(hào)區(qū)域，各種寄生參數(shù)會(huì)隨著信號(hào)幅度的變化而變化，即具有很強(qiáng)的非線性特性。圖1（a）是RF MOS管等效電路模型，圖1（b）是其對(duì)應(yīng)的非線性等效模型[7]，其中虛線框內(nèi)為MOS管本征參數(shù)模型，Rg、Rd、Rs分別表示柵、漏和源的連接電阻，rds表示輸出電阻，rsub表示襯底電阻；Cgd表示柵漏電容，Cgs表示柵源電容，Cds表示源漏電容，Cjd表示漏極結(jié)電容；gm為MOS管的跨導(dǎo)。

　　由于MOS管的非線性特性，輸入信號(hào)會(huì)在輸出端產(chǎn)生互調(diào)失真信號(hào)，本文采用IMD3來衡量RF MOS管的線性度，并利用ADS軟件中的SDD對(duì)RF MOS管的IMD3進(jìn)行掃描仿真，分析出各個(gè)非線性源對(duì)RF MOS管總體線性度的貢獻(xiàn)。圖2（a）為SDD測試電路圖，仿真結(jié)果如圖2（b）所示。從圖2（b）仿真結(jié)果可以看出，柵源電容Cgs、跨導(dǎo)gm、輸出導(dǎo)納gds和漏極結(jié)電容Cjd是RF MOS管非線性特性的四個(gè)主要來源[5]。

　　使用Taylor級(jí)數(shù)的分析方法，忽略高階系數(shù)和互調(diào)系數(shù)，得到各非線性源的泰勒級(jí)數(shù)表達(dá)式為：

　　在飽和區(qū)，柵漏電容(Cgd)主要是外部電容，而漏源電容(Cds)接近于零，所有參數(shù)都可以認(rèn)為是與偏置無關(guān)的。當(dāng)負(fù)載阻抗低時(shí)，gm是最主要的非線性源，然而，對(duì)于一般級(jí)別的負(fù)載阻抗，gds才是最主要的非線性源。在偏置點(diǎn)附近，Cgs的值會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的變化，即MOS管在大信號(hào)狀態(tài)下，從線性區(qū)變化到飽和區(qū)或者從飽和區(qū)變化到線性區(qū)時(shí)，Cgs產(chǎn)生很大變化，從而造成了電路的非線性現(xiàn)象。寄生電容Cgd幾乎不變，且Cgb的變化也不大。因此，當(dāng)選定合適的偏置點(diǎn)使得gm和gds非線性度最小時(shí)，此時(shí)MOS管的非線性特性幾乎由Cgs來決定[6]。

2 線性度提高技術(shù)

　　2.1 DMGTR技術(shù)

　　由前文的分析可知，gm的非線性現(xiàn)象主要由于其gm3（跨導(dǎo)的二階倒數(shù)）在零點(diǎn)處，具有對(duì)稱的幅值和相反的相位。因此，為了提高線性度，采用了一種新型的差分電路gm3消除技術(shù)，即所謂的差分多柵晶體管技術(shù)，簡稱DMGTR[4]。

　　在ADS下對(duì)TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝下的偽差分NMOS管進(jìn)行g(shù)m3參數(shù)提取，所選管子尺寸為W/L=35 μm/0.18 μm。掃描不同差分柵源電壓（范圍：-0.8 V~0.8 V，掃描間隔：0.01 V，VDD：1.8 V）后，分別在飽和區(qū)（Vbias=0.65 V）和弱反型區(qū)（Vbias=0.4 V）下得到gm3隨柵源電壓Vgs變化的情況如圖3所示。

　　由圖3的仿真結(jié)果可以看出，NMOS管在飽和區(qū)時(shí)，其gm3是負(fù)值，在弱反型區(qū)時(shí)，其gm3是正值，兩者趨勢相反。實(shí)際中，運(yùn)放起放大功能時(shí)要求功放管處于飽和區(qū)，因此當(dāng)輸入管采用偏置在亞閾值區(qū)的MOS管和偏置在飽和區(qū)的功放管并聯(lián)放大時(shí)，利用MOS管在不同偏置條件下gm3的變化趨勢不同，實(shí)現(xiàn)了gm3所產(chǎn)生的非線性度相減，從而達(dá)到提高RF MOS管線性度的目的，即為DMGTR技術(shù)，其電路原理圖如圖4所示。在ADS下對(duì)采用DMGTR技術(shù)的功率放大器電路進(jìn)行諧波平衡仿真，其IMD3仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯捎肈MGTR技術(shù)后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內(nèi)提高了約5 dB。

　　2.2 PMOS管補(bǔ)償技術(shù)

　　由圖6可以看出，NMOS的輸入電容隨Vgs增大而增大， PMOS的輸入電容隨Vgs增大而減小，兩者的變化趨勢是相反的。仿真采用TSMC 0.18 μm RF CMOS Spice模型，PMOS管和NMOS管的尺寸為W/L=15 360 μm/0.18 μm，PMOS管偏壓Vpp=1.1 V。因此，選擇合適的NMOS管和PMOS管的尺寸，可以使兩者的電容之和保持恒定，從而提高線性度。補(bǔ)償電路原理圖如圖7所示。

　　在ADS下對(duì)采用Cgs補(bǔ)償技術(shù)的功率放大器電路進(jìn)行線性度仿真，其仿真結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，采用此補(bǔ)償技術(shù)后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內(nèi)提高了約10 dB。

　　2.3 其他線性度提高技術(shù)

　　本節(jié)將簡要介紹其中4種常用的技術(shù)，即NMOS管補(bǔ)償技術(shù)、共柵管的柵電容補(bǔ)償技術(shù)、Cjd補(bǔ)償技術(shù)和多級(jí)DMGTR技術(shù)。NMOS管的源級(jí)通過一個(gè)小電阻連接到柵極后，其柵極電容的變化趨勢與NMOS的柵寄生電容也是相反的。因此，對(duì)此NMOS管的尺寸合理選擇，以及對(duì)其偏置做些處理，該電路也可以用來對(duì)Cgs的非線性度進(jìn)行補(bǔ)償，其原理圖如圖9（a）所示。共柵管柵端的電容也會(huì)貢獻(xiàn)相應(yīng)的非線性度，通過串聯(lián)一個(gè)金屬氧化物電容可以減小該點(diǎn)電容的變化，從而提高線性度，其電路原理圖如圖9（b）。在高頻下，Cjd的變化會(huì)導(dǎo)致RF MOS管的非線性度。在Cascode結(jié)構(gòu)中，采用兩個(gè)MOS電容接到地可以減小Cjd的變化，從而提高RF MOS管的線性度，其電路原理圖如圖9（c）。在DMGTR技術(shù)的基礎(chǔ)上，在輸入功放管旁邊再并聯(lián)一對(duì)NMOS管，相當(dāng)于對(duì)gm3進(jìn)行二次補(bǔ)償，保證gm3在工作范圍內(nèi)為正值，從而提高線性度，其電路原理圖如圖9（d）。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證上述線性度提高技術(shù)的可行性，將其分別應(yīng)用在了一款功率放大器上。該功率放大器采用Agilent公司的ADS軟件仿真驗(yàn)證，在TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì)。測量該功率放大器的IMD3，并與采用各個(gè)線性度提高技術(shù)后的IMD3進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

　　由表1的結(jié)果可以看出，采用各種線性度提高技術(shù)后，功率放大器的IMD3提高了4~10 dB，線性度性能得到改善，證明了本文對(duì)RF MOS管非線性模型分析正確可靠以及線性度提高技術(shù)正確可行。

4 結(jié)論

　　基于ADS軟件對(duì)MOS管的線性度進(jìn)行研究，并對(duì)其非線性進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)償，提出的DMGTR和PMOS線性化技術(shù)分別對(duì)gm和Cgs的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。采用DMGTR技術(shù)后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內(nèi)提高了接近5 dB；采用PMOS補(bǔ)償技術(shù)后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內(nèi)提高了接近10 dB，證明了本文對(duì)RF MOS管非線性模型分析正確可靠以及線性度提高技術(shù)正確可行。

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