【2021集创赛】IEEE杯一等奖：一种28GHz高能效Outphasing PA设计

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团队介绍

参赛单位：电子科技大学
队伍名称：PA调得队
指导老师：王政
参赛队员：倪梦虎、杨茂旋、张振翼
总决赛奖项：一等奖

1.项目简介

在实际的通信系统中，应用得最广的还属系统级的功放电路。所谓“系统级功放”主要是相对于单管功放电路而言，它们通常是由多个功率晶体管组成，共同实现对信号的功率放大，并且通过这几个单管电路之间的相互作用，来获得效率、线性等射频性能的提升。

我们设计了一种工作于28GHz的Outphaisng功率放大器，并采用Global Foundries 45nmSOI CMOS工艺对其中电路进行了具体设计、版图绘制与仿真，结果均达到了比赛题目的要求。我们从文献调研出发，首先调研主流的提升PA效率的技术，之后调研了近些年的Doherty PA与Outphasing PA的文章。之后分析了Outphaisng PA与Chireix补偿的数学原理，其中重点关注了了PA输出阻抗的影响，了解了传统电压型Outphasing PA的局限性。在此之上分析了电流型Outphasing PA的数学原理，并推导出了其理想效率。

我们首先设计了一种传统的电压型Outphaisng PA，其中支路PA采用差分共源结构，使用了理想变压器实现的功率合成器，能够达到了赛题指标，但在实现了实际的电压型功率合成器后，会显著恶化PA 的 PAE。

之后，我们设计了一种新型的逆向电流型Outphaisng PA，支路PA采用差分Cascode结构，显著提高了输出功率，引入了新型的信号调制方式，最终整体Outphaisng PA可以达到23.01dBm的饱和输出功率，44.1%的峰值PAE，功率回退(PBO)6dB时PAE为29.5%，输出1dB压缩点为20.5dBm，小信号增益为17.9dB，充分体现了Outphasing技术在功率回退时提高效率的特点，整体性能优良，性能全部达到了比赛要求。

系统架构图
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功能验证
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2.技术创新点

1.在电压型OPA设计时，我们设计并分析了变压器combine进行功率合成的问题
2.在单路PA设计时，我们采用了包络电荷加速技术在内的多种技术来提高性能
3.在电流型OPA设计时，探索并实现了额外的信号调制模式，实现更高的峰值效率

最终，完成了版图级的实现，各项指标均有不错的效果

3.参赛体会

在比赛过程中，我们对软硬件开发在设计思路、开发难度与耗时上的区别有了极为切身的体会，完整经历了系统从设计、改进到最终实现的过程。本次大赛作为全国性顶尖赛事，云集了来自全国各地高校优秀的大学生，使我们能够与未来的集成电路行业后备军同台竞技，相互交流，极大提升了自己的视野与能力。非常感谢本次赛事组委会的工作人员和老师们的高效组织工作与指导，让我们能够参与到这样的大赛之中展示自身的风采，接触当前的前沿技术与设计潮流。

4.后续工作

包括进行更充分的EM仿真，对关键无源模块，晶体管走线，整体版图进一步优化；对信号发生部分，通过verilog A进行实现；研究电压型Outphaisng PA的功率合成器效率随异相角效率下降的原因，探索电流型与电压型Outphaisng功率放大器的优点结合；数字预失真处理，进一步提高线性度，完成整体Outphaisng功率放大器系统的仿真。