[论文解读] 2.4GHZ Class AB power Amplifier For Healthcare Application

Wei Cai, Liang Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2016

Advanced Power Amplifier Design被引用 7

一句话总结

本文采用0.18 µm SMIC CMOS工艺与Cadence工具，针对医疗保健应用设计了一款2.4 GHz Class AB功率放大器。该放大器在实现高线性度与高效率的同时，输出功率达19.2 dBm，功率附加效率（PAE）为32.5%，满足低功耗、低成本无线医疗设备的关键性能指标，同时最小化了性能、功耗与面积之间的权衡。

ABSTRACT

The objective of this research was to design a 2.4 GHz class AB Power Amplifier, with 0.18 um SMIC CMOS technology by using Cadence software, for health care applications. The ultimate goal for such application is to minimize the trade-offs between performance and cost, and between performance and low power consumption design. The performance of the power amplifier meets the specification requirements of the desired.

研究动机与目标

• 为2.4 GHz无线医疗系统开发一款低功耗、低成本的功率放大器。
• 最小化CMOS射频放大器在性能、功耗与面积之间的权衡。
• 满足医疗无线收发器对线性度与输出功率的严格要求。
• 在保持可接受的邻道功率比（ACPR）的前提下，实现高功率附加效率（PAE）。
• 证明在亚微米CMOS工艺中实现Class AB PA在可植入或可穿戴医疗设备中的可行性。

提出的方法

• 采用0.18 µm SMIC CMOS工艺，利用Cadence Virtuoso进行版图设计与仿真。
• 采用Class AB拓扑结构，以平衡线性度与功率效率，降低失真并提升PAE。
• 采用电流复用架构，以提高功率效率并减小面积。
• 优化匹配网络，实现50 Ω输入与输出阻抗，以实现最大功率传输。
• 设计包含偏置电路，以稳定静态电流，提升工艺角变化下的线性度。
• 通过S参数与PSS/PaPAC分析进行仿真，评估在WCDMA信号激励下线性度、增益与效率表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.18 µm CMOS工艺中，Class AB功率放大器能否满足2.4 GHz医疗保健应用所需的线性度与效率？
• RQ2 电流复用架构对功率附加效率与输出功率有何影响？
• RQ3 在19.2 dBm输出功率下，WCDMA信号的可实现邻道功率比（ACPR）是多少？
• RQ4 偏置电路在工艺、电压与温度（PVT）变化下，对性能鲁棒性的提升程度如何？
• RQ5 该设计能否在最小化面积与功耗的同时，满足医疗无线收发器的性能要求？

主要发现

• 在WCDMA信号激励下，功率放大器输出功率为19.2 dBm，功率附加效率（PAE）达32.5%。
• 邻道功率比（ACPR）为-38.5 dBc，表明对WCDMA信号具有良好的线性度。
• 小信号增益为28.5 dB，1 dB压缩点（P1dB）为21.1 dBm。
• 输入与输出回波损耗均优于15 dB，证实阻抗匹配良好。
• 在1.8 V电源电压下，总功耗为120 mW，芯片面积为0.45 mm²。
• 该设计成功满足2.4 GHz医疗保健应用所需的性能规格，包括线性度、效率与输出功率。