基于MB-OFDM的超宽带无线发射机中功率放大器的设计

摘要

随着半导体技术和数字通信技术的发展，近年来出现了多种无线通信技术。在这些新的技术中，超宽带(UWB)技术是一种非常有优势的可在短距离范围内进行高速数据传输的无线技术。这种技术原服役于军方，后来被美国联邦通信委员会(FCC)正式批准民用从而备受关注。它具有速度快、功耗低、保密性好等特点，因此非常适合作为无线局域网的传输技术。作为UWB无线发射机的重要部分，超宽带功率放大器的研究受到了人们的关注。
　　 本文致力于研究一款应用于多频带正交频分复用超宽带(MB-OFDM UWB)无线发射机的CMOS功率放大器。首先介绍了功率放大器的关键性能指标，并分析了每一类功率放大器的工作原理及优缺点。针对CMOS工艺应用于超宽带功率放大器设计的局限性，给出了相应的解决办法。接着从电路层面和系统层面探讨了几种常见的线性化技术，并阐述了超宽带功率放大器几种基本电路结构的优缺点。然后是电流复用功率放大器的设计，重点分析了电流复用共源共栅结构以及利用晶体管寄生参数实现的宽带匹配。最后完成了电路的版图设计。一般的电路设计中并不会考虑版图布局的影响，而本论文中将版图布局后的寄生效应考虑进去，得到了更精确的仿真结果。
　　 本文基于台积电(TSMC)0.18μm RF CMOS工艺，设计了一款工作在3-5GHz的超宽带功率放大器，采用Cadence软件完成了电路的仿真、优化及版图设计。前仿真结果为:输入反射系数S11小于-8dB，输出反射系数S22小于-8.2dB，功率增益S21为16 dB，增益平坦度为±1dB;4GHz时输出1dB压缩点OP1dB为6dBm，三阶交调点OIP3为17.75dBm，功率附加效率PAE为11.5％;电路的功耗为33mW。功率放大器实现了宽带范围内较高的平坦增益及较好的线性度和效率。由于版图中寄生参数及不对称性等因素的影响，后仿真结果相较前仿真结果在增益、线性度、效率等性能上都有一定的下降，但是趋势与前仿真结果相近，实现了电路的基本功能，满足设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 UWB系统简介

1．2．1 UWB的定义及标准

1．2．2 UWB的应用

1．3 UWB PA的研究现状

1．4 本文的研究内容

1．5 论文结构

第二章 射频功率放大器基础

2．1 PA的主要性能参数

2．2 线性功率放大器

2．3 非线性功率放大器

2．4 本章小结

第三章 射频功率放大器设计技术

3．1 CMOS工艺对PA设计的限制

3．2 线性化技术

3．2．1 电路层亟的线性化技术

3．2．2 系统层面的线性化技术

3．3 超宽带PA的基本电路结构

3．4 本章小结

第四章 超宽带射频功率放大器电路设计

4．1 基于MB-OFDM UWB PA的指标设定

4．2 电路模块划分

4．3 放大电路设计

4．3．1 共源共栅结构分析

4．3．2 电流复用共源共栅电路设计

4．3．3 共源级放大电路设计

4．4 阻抗匹配网络设计

4．5 稳定性设计

4．6 线性度优化设计

4．7 总体电路设计

4．8 本章小结

第五章 功率放大器电路仿真及版图设计

5．1 前仿真结果及分析

5．2 电路版图设计

5．2．1 TSMC 0.18μm RF器件版图介绍

5．2．2 版图设计

5．3 后仿真结果及分析

5．4 性能对比

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻硕期间发表的论文