射频MOS管非线性优化：线性度提升4-10dB的关键技术

射频MOS管的非线性特性分析与线性度提高技术是现代无线通信设计中关键的研究领域。该研究主要基于射频MOS管的等效电路模型，如图1所示，通过Agilent公司ADS软件中的Symbolically Defined Device (SDD)进行非线性特性建模和仿真。SDD是一种符号定义的器件模型，它允许精确地处理MOS管在高频下的非线性行为，包括栅源电容(Cgs)、跨导(gm)、输出导纳(gds)和漏极结电容(Cjd)等关键参数。 在分析过程中，研究人员利用Taylor级数法揭示了这些非线性源对MOS管整体性能的影响。Taylor级数法是一种展开函数的方法，可以量化不同频率成分的增益变化，这对于理解和优化功率放大器的线性度至关重要。通过这种方法，研究者能够评估非线性导致的失真，如互调失真，这是射频电路设计中需要严格控制的问题。 针对发现的主要非线性源，本文提出了一系列线性度提高技术，包括多栅晶体管补偿、PMOS管补偿、NMOS管补偿、共栅管栅电容补偿以及深N阱和二次谐波短路等。这些技术旨在抵消或减小非线性效应，提高放大器的工作效率和线性范围。例如，多栅晶体管补偿通过增加额外的栅极结构来改善电压转移特性；PMOS/NMOS管补偿则是利用互补的MOS结构来平衡电流，减少失真；共栅管栅电容补偿通过调整栅极电容来优化工作点；深N阱技术通过改变器件结构减小非线性；而二次谐波短路则通过电路设计策略来抑制谐波噪声。 将这些线性度提高技术应用到一款基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺设计的射频功率放大器中，仿真结果显示，采用这些技术后，功率放大器的线性度得到了显著提升，从原来的数值提高到了4~10 dB。这不仅验证了非线性模型的准确性，也证实了所提技术的有效性，对于实际无线通信系统的性能优化具有重要意义。 射频MOS管的非线性特性分析和线性度提高技术是一个系统性的研究过程，需要结合精确的理论模型和先进的仿真工具。通过优化设计，能够在保持高性能的同时，有效解决大信号工作条件下的线性问题，推动无线通信系统向更高的数据速率和更低的失真迈进。