CN116743095A - 一种改善各功率管输出功率一致性的pa及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种改善各功率管输出功率一致性的PA及设计方法，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；其中，各功率单元中对应功率管的隔直电容为不同的容值，以实现用容抗的差别抵消寄生电感带来的影响；其效果是：通过将功率单元中各个功率管的隔直电容设计为不同的容值，用容抗的差别来抵消寄生电感带来的影响，从而克服现有技术中，由于寄生电感的存在，导致各功率管实际得到的电压均不一致，进而影响其输出功率不一致，影响饱和输出功率的缺陷。

Description

一种改善各功率管输出功率一致性的PA及设计方法
技术领域
本发明涉及放大器技术领域，具体涉及一种改善各功率管输出功率一致性的PA及设计方法。
背景技术
PA是功率放大器(Power Amplifier)的简称。其理想的简化结构图如图1所示，主要的由驱动级和功率级组成。功率级主要由功率管(Q)和隔直电容(C)组成。Vx是驱动级提供的驱动电压，Vb是功率管实际得到的电压，可理解为各功率管的输入电压。
在理想情况下，多个功率管密集地排布在一起，这样能保证每个功率管的工作状态一致。然而由于需要发射较大功率，以及功率管自身的散热需求，功率管在芯片版图上只能以分布的形式摆放。不同功率管之间可能有较长的走线，走线可以近似等效为电感，由于寄生电感的存在，导致各功率管之间实际得到的电压均不一致，进而影响其输出功率不一致，从而影响饱和输出功率。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种改善各功率管输出功率一致性的PA及设计方法，以解决现有技术中，所存在的各功率管输出功率不一致的缺陷。
第一方面，一种改善各功率管输出功率一致性的PA，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；其中，各功率单元中对应功率管的隔直电容为不同的容值，以实现用容抗的差别抵消寄生电感带来的影响。
作为优选地，确定所述不同的容值采用以下步骤：
对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
在S参数的输入端提供AC激励信号，再根据AC仿真结果得到各个隔直电容的容值；其中，利用AC仿真，将各隔直电容值设为变量，将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化。
作为优选地，所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的。
作为优选地，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的。
第二方面，一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法，应用于第一方面所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；
所述设计方法包括如下步骤：
首先对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
在S参数的输入端提供AC激励信号；
同时，将各隔直电容值设为变量；
将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化。
作为优选地，所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的。
作为优选地，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的。
实施本发明实施例，通过将功率单元中各个功率管的隔直电容设计为不同的容值，用容抗的差别来抵消寄生电感带来的影响，从而克服现有技术中，由于寄生电感的存在，导致各功率管实际得到的电压均不一致，进而影响其输出功率不一致，影响饱和输出功率的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为理想PA的简化结构图；
图2为实际PA的功率级在芯片版图上摆放位置的示意图；
图3为各隔直电容容值相等的Vb电压的AC仿真结果图；
图4为本发明实施例中隔直电容容值不相等与容值相等的Vb电压的AC仿真结果对比图；
图5为本发明实施例提供的一种HB仿真结果对比图；
图6为本发明实施例提供的一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图2所示，一种改善各功率管输出功率一致性的PA，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；其中，各功率单元中对应功率管的隔直电容为不同的容值，以实现用容抗的差别抵消寄生电感带来的影响。
需要说明的是，本实施以二十个功率单元为例进行举例说明，但并不是对其进行限制；相应地，用Q1到Q20表示20个功率管，C1到C20表示对应的20个隔直电容，Vb1到Vb20表示功率管实际得到的电压，而前面驱动级的输出电压用Vx表示，且集中在一个位置提供。
以实际版图为例，若隔直电容C1到C20均取为相等的783fF，对上述结构进行电磁仿真得到版图的等效S参数，在S参数的输入端提供AC激励信号，观察不同的Vb之间的差别，得到如图3所示的结果。
从中可以看出，不同的功率管得到的Vb差别很大，最高值和最低值相差7.5dB。这样会使得发射相同功率下每个功率管的工作状态不同，输出功率不一致，进而影响饱和输出功率；需要说明的是，所述Vb即为功率管实际得到的电压，可理解为各功率管的输入电压。
然而本发明中，确定所述不同的容值采用以下步骤：
对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
在S参数的输入端提供AC激励信号，再根据AC仿真结果得到各个隔直电容的容值；其中，利用AC仿真，将各隔直电容值设为变量，将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化；这里的差异最小化尽可能小，如采用0.5dB或1dB。
具体地，表1中给出了得到的各个隔直电容的容值，可见所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的；如，C1与C16，C2与C17的容值相等。
同时，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的；如，C1与C2，C1与C6之间的容值不相等。
表1各个隔直电容的容值
所述AC仿真为电路设计软件常见的仿真，通过在电路的输入端提供AC激励信号，通过获取电路任意节点的AC信号大小，这样就可以得到各个功率管的Vb电压值；
采用上述的容值，再进行仿真，得到图4的结果。可见不同的Vb之间差别大幅度缩小，在5.5GHz频点处最大差别约1dB左右，大幅度改善了Vb的一致性。
最后为进一步验证其效果，对电路进行HB仿真，得到饱和功率的结果，并对比相同容值的隔直电容和不同容值隔直电容的差别，结果如图5所示。可见本方案设计的PA的1dB压缩点能提高约0.5dB。
其中，HB仿真全称谐波平衡仿真Harmonic balance simulation，是一种求解非线性电路和系统的稳态解的高精度的频域分析技术；1dB压缩点(P1dB)是输出功率的性能参数。压缩点越高意味着输出功率越高。P1dB是指与在很低的功率时相比增益减少1dB时的输入(或输出)功率点。
上述方案，通过将功率单元中各个功率管的隔直电容设计为不同的容值，用容抗的差别来抵消寄生电感带来的影响，从而克服现有技术中，由于寄生电感的存在，导致各功率管实际得到的电压均不一致，进而影响其输出功率不一致，影响饱和输出功率的缺陷。
如图6所示，本发明实施例还提供了一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法，应用于前文所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；
所述设计方法包括如下步骤：
S101，首先对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
S102，在S参数的输入端提供AC激励信号；
S103，同时，将各隔直电容值设为变量；
S104，将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化。
实施时，所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的。
更为具体的，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的。
通过上述方法，用容抗的差别来抵消寄生电感带来的影响，使不同的功率管实际得到的电压差别大幅度缩小，大幅度改善了Vb的一致性，改善了各功率管输出功率的一致性。
需要说明的是，关于方法实施例更为具体的工作流程，请参考前述实施例部分，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种改善各功率管输出功率一致性的PA，其特征在于，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；其中，各功率单元中对应功率管的隔直电容为不同的容值，以实现用容抗的差别抵消寄生电感带来的影响。
2.根据权利要求1所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，其特征在于，确定所述不同的容值采用以下步骤：
对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
在S参数的输入端提供AC激励信号，再根据AC仿真结果得到各个隔直电容的容值；其中，利用AC仿真，将各隔直电容值设为变量，将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化。
3.根据权利要求2所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，其特征在于，所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的。
4.根据权利要求3所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，其特征在于，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的。
5.一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种改善各功率管输出功率一致性的PA，所述PA包括功率级，所述功率级设置在芯片版图上；所述功率级包括多个功率单元，各功率单元均包含功率管和隔直电容；
所述设计方法包括如下步骤：
首先对芯片版图的结构进行电磁仿真得到对应的等效S参数；
在S参数的输入端提供AC激励信号；
同时，将各隔直电容值设为变量；
将优化目标设为各功率管的输入电压的AC值差异最小化。
6.根据权利要求5所述的一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法，其特征在于，所述芯片版图中左右对称位置的隔直电容容值是相等的。
7.根据权利要求6所述的一种改善各功率管输出功率一致性的设计方法，其特征在于，相邻功率单元之间的隔直电容容值是不相同的。
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