片上功率合成器的建模及其在CMOS射频放大器中的应用研究

摘要

随着无线移动通信的高速发展，数据传输速率越来越快，如目前尚处于研究阶段的第五代移动通信(5G)的用户体验速率将超过1Gbps，但是无线通信距离并没有随之改善。移动终端的通信距离主要由无线收发器的接收灵敏度和发射功率决定，发射信号由功率放大器(Power Amplifier,PA)输出，所以高输出功率的PA设计对远距离通信极为重要。频率资源的日益紧张导致无线收发器的工作频率越来越高，更高的工作频率进一步增加了PA的设计难度，如应用日益广泛的下一代高速无线局域网(802.11ad,WiGig)采用60GHz毫米波(millimeter wave,mm-wave)频段，但是如何增加60GHz PA的发射功率是一个设计难点，导致60GHz收发器的有效通信距离局限在1~2米。
　　单片无线收发器包括数字、模拟和射频等多个模块，一般采用互补金属氧化物半导体(Complemetary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺制作，但是由于CMOS工艺存在衬底损耗大、MOSFET管击穿电压低等缺陷，直接增加了CMOS PA的设计难度。基基于片上功率合成器设计的CMOS PA可以解决以上问题，功率合成器将多个PA的输出信号相加，降低每个PA所需承受的电压摆幅，避免MOSFET管被击穿。采用功率合成器设计的CMOS PA可以实现大功率输出，如Axiom Microdevices公司于2006年推出的业界首款单片全集成CMOS PA(AX502)即采用功率合成器，AX502的最高输出功率可以达到35dBm。
　　尽管功率合成器在高输出功率的CMOS PA中应用广泛，但是如何建立其等效电路模型尚缺乏深入研究，导致功率合成器的设计过程较为复杂。本文以CMOS片上电感和变压器等器件为基础，建立常用CMOS片上器件的等效电路模型，然后对比分析不同片上功率合成器模型之间的区别，对功率合成器的性能进行深入研究，最后通过大量不同几何形状的功率合成器的设计与仿真，验证本文所提模型在GHz频段和mm-wave频段具有很高的精确度，并将其应用于两款CMOS PA的设计。
　　本文主要内容如下：
　　首先，分析了CMOS工艺的特点，研究金属厚度和硅(Silicon，Si)衬底对片上器件的影响；对片上电感等效电路模型的建立和模型参数的提取进行了深入研究，讨论了趋肤效应和邻近效应，对比了片上电感的两种不同电路模型，通过电磁仿真和流片测量，验证了电感等效电路模型的准确度。给出片上电感的应用实例：一个低相位噪声的宽带压控振荡器(Voltaged-Controlled Oscillator，VCO)。对片上变压器建立等效电路模型，设计了不同线圈比的片上变压器并进行流片和测量，验证所提变压器模型的准确度。
　　其次，分析了片上功率合成器的基本原理，对比片上功率合成器的不同模型，仿真验证不同损耗效应对其性能的影响，包括损耗电阻、变压器的耦合系数k等，提出了片上功率合成器完整的等效电路模型，推导了功率合成器性能和模型参数之间的计算公式，通过大量不同结构片上功率合成器的设计，验证了所提模型同时适用于GHz和mm-wave频段。
　　然后，基于功率合成器设计了一个工作频率为2.45GHz的CMOS PA，功率合成器用来实现三个子PA的输出信号相加，采用有源偏置和二极管线性度提高技术来改善PA的性能。基于TSMC0.18μm1P6M RFCMOS工艺流片，测试结果表明，该PA满足IEEE802.11b/g WLAN协议要求。
　　最后，提出了一种新型结构的片上功率合成器，并对该功率合成器进行深入的研究，通过仿真验证了该结构的性能不随几何尺寸和制作工艺的变化而变化，适合不同的应用情况；基于该功率合成器设计了一款工作频率为1.9GHz的CMOS PA，其中功率合成器用来实现四个子PA的输出信号相加，该PA采用MOSFET跨导补偿和二次谐波短路技术来改善PA的线性度。基于TSMC0.18μm1P6M RFCMOS模型进行仿真，结果表明，该PA满足3GPP WCDMA Band I协议要求。
　　本文受国家自然科学基金《基于CMOS工艺的动态电源驱动架构射频集成功率放大器关键问题研究》(编号:61076030)资助。

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1 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2功率合成器的研究现状

1.3论文结构

2 CMOS片上器件的建模及设计

2.1 CMOS工艺分析

2.2 CMOS片上电感的建模

2.3 CMOS片上变压器的建模

2.4本章小结

3 CMOS片上功率合成器的建模及设计

3.1 CMOS片上功率合成器简介

3.2 CMOS片上功率合成器的模型和性能分析

3.3 CMOS片上功率合成器的设计和仿真

3.4本章小结

4 功率合成器在2.4GHz CMOS 射频放大器中的应用

4.1 2.4GHz PA的设计要求

4.2 2.4GHz PA的电路设计

4.3功率合成器的设计及改进

4.4 2.4GHz PA的版图设计和仿真

4.5 2.4GHz PA的测量及结果分析

4.6本章小结

5 功率合成器在1.9GHz CMOS 射频放大器中的应用

5.1 1.9GHz PA的设计要求

5.2 1.9GHz PA的电路设计

5.3一种新型结构的功率合成器设计

5.4 1.9GHz PA的版图设计和仿真

5.5 1.9GHz PA的仿真及结果分析

5.6 1.9GHz PA的测量及结果分析

5.7本章小结

6 总结与展望

6.1主要结论和创新点

6.2需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文和专利目录

附录2 PCT 和 SCT性能参数的计算