CMOS線性射頻功率放大器的研究.pdf

1、隨著移動通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，要求射頻前端模塊具有更高的集成度，更低的成本，同時能夠更加的適應(yīng)未來移動通信系統(tǒng)的高帶寬要求。由于CMOS( Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝具有較低的成本，并且可以很好的實現(xiàn)普通的射頻小信號器件和邏輯控制電路，因此被看做實現(xiàn)單芯片射頻模塊的最有前途的工藝解決方案之一。但是由于CMOS晶體管本身較低的擊穿電壓，導(dǎo)性基片和無過孔工藝等限制，使得目前還無法設(shè)計實

2、用的射頻功率放大器（以下簡稱功放）。因此，本文針對CMOS工藝的特點，開展了對射頻CMOS功放結(jié)構(gòu)和線性度加強技術(shù)的研究，設(shè)計實現(xiàn)了全集成的射頻CMOS功放。對于最終實現(xiàn)全集成的射頻前端模塊具有重大的現(xiàn)實意義。
　　首先，根據(jù)CMOS工藝的特點，提出了適合大信號工作條件下的CMOS功率元結(jié)構(gòu)和等效分析模型。通過仿真優(yōu)化分析，得出了功率元的最優(yōu)單指柵寬和總柵寬等設(shè)計參數(shù)，并使用了0.18μm標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝流片驗證，測試結(jié)果表明，

3、該功率元結(jié)構(gòu)具有較低的損耗并與仿真模型符合較好，具有良好的可擴展性，為進一步設(shè)計高功率的CMOS功放提供了良好的基礎(chǔ)。
　　其次，利用傳輸線的奇偶理論設(shè)計了小尺寸，低損耗和高工作帶寬的在片轉(zhuǎn)換器。針對CMOS功率放大器常常采用差分結(jié)構(gòu)的特點，使用傳輸線的奇偶理論分析了轉(zhuǎn)換器的帶寬和損耗等性能，提出了通過在輸入和輸出端加入集總電容可以降低轉(zhuǎn)換器的損耗并大幅減小轉(zhuǎn)換器尺寸，通過實際的加工流片測試，驗證了該設(shè)計方法的正確性。
　　

4、第三，利用所提出的功率元結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器模型，以m-WiMAX(Mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access)為實際應(yīng)用背景設(shè)計了超寬帶線性CMOS功放。通過輸出阻抗匹配電路對功放帶寬性能影響的分析，提出了通過將轉(zhuǎn)換器寄生參數(shù)綜合考慮到輸出阻抗匹配電路內(nèi)以降低匹配阻抗隨頻率變化的響應(yīng)，從而增加了功放的工作帶寬。以TSMC0.18μm CMOS工藝為基礎(chǔ)，首次在國內(nèi)設(shè)計了全集成的

5、寬帶射頻功放，該功放所有輸入和輸出匹配均實現(xiàn)了在片集成，芯片全部尺寸僅為1.2mm×2mm，實際測試結(jié)果表明，該功放的工作帶寬達到1GHz。
　　第四，使用模擬預(yù)失真技術(shù)加強了CMOS功放的線性度。利用CMOS晶體管跨導(dǎo)具有較強的非線性的特點，在對其三次諧波分量特性分析的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整驅(qū)動級和功率級的柵極偏置，使得他們在優(yōu)化功率范圍內(nèi)的三次跨導(dǎo)分量相互抵消，提高了線性度。使用TSMC0.18μm CMOS工藝流片驗證理論分析，測

6、試結(jié)果表明，在24-27dBm的輸出功率范圍內(nèi)，m-WiMAX功率譜改進了8dB以上。
　　最后，利用輸出匹配電容對轉(zhuǎn)換器工作頻點影響的特性，設(shè)計了可工作于2.5GHz和3.5GHz的雙頻段射頻CMOS功率放大器。通過開關(guān)切換在不同頻點下的匹配電容值，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器的雙頻點的匹配；同時，通過對轉(zhuǎn)換器級間和輸入匹配的優(yōu)化設(shè)計，保證了功放在雙頻點工作狀態(tài)下的性能。使用Dongbu0.13μm CMOS工藝流片做仿真驗證分析和加工，實際測