前言级联PA多使用片上变压器进行级间匹配。本文写一写变压器参数如何影响级联放大器的小信号增益从而方便调参。级间匹配与输出匹配的区别在讨论调参方法前本文先陈述背景电路与基本原理。下图展示了级间匹配等效电路的由来。(a)驱动级放大器(b)功率级放大器(c)功率级输入部分串并转换(d)级间匹配等效电路假设驱动级放大器为共源结构功率级放大器为共源共栅结构。功率级的输入部分栅极的串联RC电路可以通过串并转换被变换为并联RC电路。而驱动级的输出部分漏极无需等效就是并联RC电路。在两侧都存在并联RC网络时基于变压器结构的级间匹配网络便被等效成了耦合谐振腔。下图展示了在某55nm工艺下级间匹配耦合谐振腔的实际参数值。级间匹配等效电路的实际参数值根据JIA的文章 耦合谐振腔两侧的RLC并联网络的Q定义为以主线圈侧为例副线圈侧同理:若可计算得级间匹配网络中为2.07为13.15差别较大。由此可得级间匹配中的耦合谐振腔是非对称的耦合谐振腔。两个条件无法同时达到JIA中由此推导出的结论也无法直接使用。从另一个角度来说计算结果也表明在级间实现阻抗的共轭匹配是非常困难的。既然无法实现阻抗匹配那么设计者可以默认级间存在信号的反射以及相应的损耗。进一步地设计者可以利用这些损耗如果在级间匹配网络中引入可控反射以补偿有源器件增益滚降就可以实现目标频段内的平坦增益响应。仿真结果讨论搭建如下图所示的简易仿真电路探究变压器参数对增益平坦度的影响。仿真电路主要包括一个变压器和一级伪差分共源放大器。中和电容被设置到使得Kf参数最大即可。初始的变压器参数确定方法如下Lp、CpLs、Cs)在目标频段的中心处谐振。Cp是前一级放大器的漏极寄生电容。Cs是后一级的栅极寄生电容串并转换后。耦合系数可以在0.4-0.6这个范围内选择具体数值取决于目标相对带宽。初始的参数被设置为110 fF200 pH304 pH72 fF0.6注意到初始参数的确定过程不关心与只是以LC谐振条件作为大概的参数迭代起点。仿真后得到该单级放大电路的S21与S11如下图所示可以看到S21存在两个极大值点。S11非常大表明输入端的信号确实存在比较严重的反射这些反射在高频强低频弱而晶体管的增益刚好在高频弱低频强二者互相补偿使得增益平坦度变好。实际设计时各种因素会导致设计者需要对变压器参数进行细调。接下来通过扫参来揭示细调时应该遵循的规律。Lp从100pH变化到300pHLs从200pH变化到400pH结合以上两张图片可以看出Lp越大S21曲线频率更高的极值点的增益越大Ls越大频率更低的极值点的增益越大。另外Ls相比于Lp对S21整体的频率偏移影响更加显著。接下来观察耦合系数对S21曲线的影响。k从0.4变化到0.6观察上图可以看到k越大两个极大值点离得越远同时高频点的极值相对于低频点的极值越小。综合上述三组扫描结果可以看到细调变压器参数时先调k获得合适的带宽再调Ls移到合适的频带最后调Lp提高增益的平坦度。
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