射頻MOS管的非線性特性分析與線性度提高技術*

徐元中，劉凌云

（湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢430068）

射頻MOS管的非線性特性分析與線性度提高技術*

徐元中，劉凌云

（湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢430068）

基于射頻 (RF)MOS管的等效電路及非線性等效模型，采用Agilent公司ADS軟件中的Symbolically Defined Device(SDD)，對RF MOS管的非線性特性進行了綜合分析。在此基礎上，針對柵源電容(Cgs)、跨導(gm)、輸出導納(gds)和漏極結電容(Cjd)四個主要非線性源，提出了多柵晶體管補償、PMOS管補償、NMOS管補償、共柵管柵電容補償、深N阱和二次諧波短路等線性度提高技術。將這些線性度提高技術應用在射頻功率放大器(PA)上，該PA采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝設計，仿真結果表明：采用線性度提高技術后，該功率放大器的線性度提高了4～10 dB。

射頻場效應晶體管；非線性；三階交調失真；線性度提高；電容補償；跨導補償

0 引言

為了滿足現代無線通信對高速率的要求，通信系統采用了更加復雜的調制方式，對射頻電路設計的性能指標要求也越來越苛刻。低互調失真、高線性度是當前無線射頻前端設計的重要問題之一[1]。射頻功率放大器（PA）處于通信系統中信號發射機的末端，對發射信號的質量起著決定性作用，然而由于PA工作在大信號下，所以其線性度差一直是難以克服的問題。常用的PA線性化技術都是基于系統級的，電路復雜、功耗大且價格高。RF MOS管的非線性特性決定了PA的線性度，因此，從RF MOS管級對非線性特性進行分析和補償，可以有效提高線性度，降低功耗和設計成本，對于集成高線性度的PA和通信系統來說意義重大。

常用的分析非線性電路方法有 Taylor級數法[2]、Volettra級數法[3]和諧波平衡法。文獻[4]中已經使用 Taylor級數和BSIM3模型來研究RF MOS管的非線性特性。本研究中，使用了 Taylor級數的分析方法，并基于 ADS軟件中的 Symbolically Defined Device（SDD）對 RF MOS管進行非線性特性建模和仿真，計算出各非線性源對RF

MOS管總體非線性度的貢獻，并提出了與之對應的線性度提高技術。

本文最后將各種線性提高技術應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工藝設計。仿真結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RF MOS管非線性模型分析正確可靠，提出的線性度提高技術正確可行。

1 RF MOS管非線性特性分析

根據通信系統對發射功率的要求，一般功率放大器工作在大信號區域，各種寄生參數會隨著信號幅度的變化而變化，即具有很強的非線性特性。圖1（a）是RF MOS管等效電路模型，圖1（b）是其對應的非線性等效模型[7]，其中虛線框內為 MOS管本征參數模型，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表示漏極結電容；gm為 MOS管的跨導。

圖1 RF MOS管等效電路及非線性等效模型

由于MOS管的非線性特性，輸入信號會在輸出端產生互調失真信號，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RF MOS管的IMD3進行掃描仿真，分析出各個非線性源對 RF MOS管總體線性度的貢獻。圖2（a）為SDD測試電路圖，仿真結果如圖2（b）所示。從圖2（b）仿真結果可以看出，柵源電容 Cgs、跨導 gm、輸出導納gds和漏極結電容 Cjd是 RF MOS管非線性特性的四個主要來源[5]。

使用Taylor級數的分析方法，忽略高階系數和互調系數，得到各非線性源的泰勒級數表達式為：

在飽和區，柵漏電容(Cgd)主要是外部電容，而漏源電容(Cds)接近于零，所有參數都可以認為是與偏置無關的。當負載阻抗低時，gm是最主要的非線性源，然而，對于一般級別的負載阻抗，gds才是最主要的非線性源。在偏置點附近，Cgs的值會發生強烈的變化，即MOS管在大信號狀態下，從線性區變化到飽和區或者從飽和區變化到線性區時，Cgs產生很大變化，從而造成了電路的非線性現象。寄生電容Cgd幾乎不變，且Cgb的變化也不大。因此，當選定合適的偏置點使得 gm和 gds非線性度最小時，此時 MOS管的非線性特性幾乎由 Cgs來決定[6]。

圖2 各非線性源對IMD3的貢獻

2 線性度提高技術

2.1 DMGTR技術

由前文的分析可知，gm的非線性現象主要由于其 gm3（跨導的二階倒數）在零點處，具有對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，即所謂的差分多柵晶體管技術，簡稱DMGTR[4]。

在ADS下對TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝下的偽差分NMOS管進行gm3參數提取，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（Vbias=0.65 V）和弱反型區（Vbias=0.4 V）下得到 gm3隨柵源電壓Vgs變化的情況如圖3所示。

圖3 差分NMOS管在飽和區和弱反型區的gm3

由圖3的仿真結果可以看出，NMOS管在飽和區時，其 gm3是負值，在弱反型區時，其 gm3是正值，兩者趨勢相反。實際中，運放起放大功能時要求功放管處于飽和區，

因此當輸入管采用偏置在亞閾值區的MOS管和偏置在飽和區的功放管并聯放大時，利用MOS管在不同偏置條件下 gm3的變化趨勢不同，實現了 gm3所產生的非線性度相減，從而達到提高 RF MOS管線性度的目的，即為DMGTR技術，其電路原理圖如圖4所示。在ADS下對采用DMGTR技術的功率放大器電路進行諧波平衡仿真，其IMD3仿真結果如圖5所示?？梢钥闯?，采用DMGTR技術后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內提高了約5 dB。

圖4 采用DMGTR技術的電路圖

圖5 采用DMGTR技術的IMD3仿真結果

2.2 PMOS管補償技術

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。補償電路原理圖如圖7所示。

圖6 NMOS管和PMOS管柵電容隨Vgs的變化

圖7 Cgs補償電路原理圖

在ADS下對采用Cgs補償技術的功率放大器電路進行線性度仿真，其仿真結果如圖8所示?？梢钥闯?，采用此補償技術后，電路的IMD3在一定輸入功率范圍內提高了約10 dB。

圖8 Cgs補償電路的IMD3仿真結果

2.3 其他線性度提高技術

圖9 其他補償技術電路圖

本節將簡要介紹其中4種常用的技術，即NMOS管補償技術、共柵管的柵電容補償技術、Cjd補償技術和多級DMGTR技術。NMOS管的源級通過一個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，對此NMOS管的尺寸合理選擇，以及對其偏置做些處理，該電路也可以用來對Cgs的非線性度進行補償，其原理圖如圖8（a）所示。共柵管柵端的電容也會貢獻相應的非線性度，通過串聯一個金屬氧化

物電容可以減小該點電容的變化，從而提高線性度，其電路原理圖如圖9（b）。在高頻下，Cjd的變化會導致 RF MOS管的非線性度。在Cascode結構中，采用兩個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8（c）。在 DMGTR技術的基礎上，在輸入功放管旁邊再并聯一對 NMOS管，相當于對 gm3進行二次補償，保證 gm3在工作范圍內為正值，從而提高線性度，其電路原理圖如圖9（d）。

3 設計實現與結果分析

為了驗證上述線性度提高技術的可行性，將其分別應用在了一款功率放大器上。該功率放大器采用 Agilent公司的ADS軟件仿真驗證，在TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝下進行設計。測量該功率放大器的IMD3，并與采用各個線性度提高技術后的IMD3進行比較，實驗測試結果如表1所示。

表1 不同線性度提高技術的線性度指標對比

由表1的結果可以看出，采用各種線性度提高技術后，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RF MOS管非線性模型分析正確可靠以及線性度提高技術正確可行。

4 結論

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

[1]Wei Cheng，OUDE ALINK M S，ANNEMA A J，et al.RF circuit linearity optimization using a general weak nonlinearity model[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-I：Regular Papers，2012，59(10)：2340-2353.

[2]TERROVITIS M T,MEYER R G.Intermodulation distortion in current-commutating CMOS mixers[J].IEEE J.Solid-State Circuits，2000，35(10)：1461-1473.

[3]YU W，SEN S，LEUNG B H.Distortion analysis of MOS track-and-hold sampling mixers using time-varying Volterra series[J].IEEE Trans.Circuits Syst.II，1999，46(2)：101-113.

[4]KANG S，CHOI B，KIM B.Linearity analysis of CMOS for RF application[C].IEEE RFIC Symp.Digest.Monterey：IEEE，2002：363-366.

[5]KANG J，DAEKYU Y，YOUNGOO Y.Highly linear 0.18 μm CMOS power amplifier with deep n-well structure[J].IEEE J.Solid-State Circuits，2006，41(5)：1073-1080.

[6]WANG C，VAIDYANATHAN M，LARSON L E.A capacitance-compensation technique for improved linearity in CMOS classAB power amplifier[J].IEEE J.Solid-State Circuits，2004，39(11)：1927-1937.

[7]KANG J，JEHYUNG Y，KYOUNGJOON M，et al.A highly linear and efficient differential CMOS power amplifier with harmonic control[J].IEEE J.Solid-State Circuits，2006，41 (6)：1314-1322.

Nonlinear analysis and linearity enhancement techniques of RF MOS

Xu Yuanzhong，Liu Lingyun
(Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy，Hubei University of Technology,Wuhan 430068，China)

Based on the equivalent circuit and nonlinear equivalent model of RF MOSFET(radio frequency metal-oxide-silicon field-effect transistors),a comprehensive analysis of its nonlinear behavior by Symbolically Defined Device(SDD)in Agilent’s ADS software was presented.Furthermore,to decrease the nonlinearity which mainly came from gate-source capacitance(Cgs),trans-conductance(gm),output conductance(gds)and drain junction capacitance(Cjd),different techniques such as the differential multiple gate transistor(DMGTR)，PMOS compensation,NMOS compensation,capacitance compensation of common-gate MOSFET,deep N-Well and second harmonic resonance technique were proposed.Finally,various linearization techniques were respectively applied in a CMOS power amplifier(PA)based on TSMC 0.18 μm RF CMOS process.Simulation results show that the third-order inter-modulation distortion(IMD3)of PA improves by 4～10 dB after using the linearity enhancement techniques.

radio frequency metal-oxide-silicon field-effect transistors；nonlinearity；the third-order intermodulation distortion；linearity improving；capacitance compensation；transconductance compensation

TM277

A

0258-7998(2015)04-0056-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.012

2014-11-25）

徐元中（1974－），男，講師，主要研究方向：射頻集成電路設計及射頻器件研究。

國家自然科學基金（51171061）

劉凌云（1970－），男，博士后，副教授，主要研究方向：射頻器件研究。