RF Power Amplifier Design

jacky810926

1 Introduction 1
1.1 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Task description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Design goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Power Ampli¯er in Theory 7
2.1 A generic power ampli¯er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 De¯nitions of the ¯gures of interest . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Gain, Power, E±ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Quality factor Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Negative feedback of the common collector . . . . . . . . . . . 11
2.4 Di®erent modes of operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 Class A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Class B and AB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Class C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Load Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Conjugate match versus load-line match . . . . . . . . 19
2.5.2 Load-line match from CE Class A to CC Class B . . . 20
2.6 Stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.1 Large signal S parameter simulations with two sources 23
2.6.2 Small signal simulation at Class A . . . . . . . . . . . 24
2.6.3 Small signal simulation at Class B with large signal gain 25
2.6.4 Small signal simulation at Class B . . . . . . . . . . . . 26
2.6.5 Transient Analysis (with two sources) . . . . . . . . . . 26
2.6.6 Derivation of a small signal HBT model including large
signal parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
vi CONTENTS
3 Target technology 29
3.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 On-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Hetero Bipolar Transistor (HBT) . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Maximum current and voltage . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3 Metal layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.4 Spiral inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.5 MIM capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.6 Thin ¯lm resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.7 Through waver vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.8 Bond Pads, Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 O®-chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Laminate board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Bondwires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.4 Spiral inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.5 0201 components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.6 Vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Comparison inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Comparison capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.3 Comparison resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Implementation 51
4.1 Design strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 The active device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Ballast resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Bias point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 Scaling of the design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 The passive network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Output network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 Stabilization resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.3 Input network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.4 Common collector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1 Load and source pull simulation . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.2 Stability simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 Test structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6.1 Layout of the die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
CONTENTS vii
4.6.2 Layout of the laminate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
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下了，谢谢楼主