低功耗CMOS射频功率放大器的研究与设计

摘要

现代无线通信系统的绝大部分功耗都来自于射频前端电路的功率损耗，而其中射频功率放大器的功耗尤为突出。随着人们对通信终端的要求越来越高，射频前端收发系统向着低成本、小型化及集成化发展成为一种必然趋势。因此，设计低功耗、高集成度的射频功率放大器具有非常重要的研究意义。
　　本文简要介绍了射频功率放大器的研究背景和意义，综述了高效率E类功率放大器与超宽带功率放大器的研究现状。在文献阅读和理论分析的基础上，以低功耗为目标提出了两种分别可应用于无线局域网(WLAN)和超宽带(UWB)通信系统的功率放大器电路。本文的主要工作成果如下:
　　(1)提出了一种新型的高效率E类功率放大器。该功率放大器由两级电路级联组成。驱动级采用电流复用技术在实现高增益的同时，降低了偏置电流;功率级电路通过采用共源共栅的自偏置技术提高功率放大器的输出功率;另外，在开关场效应管的漏极插入串联LC网络，其目的是消除寄生电容的影响，改善功率放大器的线性度。仿真结果表明，在2.5V的工作电压下，功率放大器的功率附加效率为68.3％，输出功率为21.5dBm，功率增益为45dB;在2.4GHz频率处的输入匹配(S11)小于-13.6dB，它具有高效率、高增益以及高输出功率的特点。
　　(2)提出了一种低功耗超宽带功率放大器。该功率放大器以共栅场效应管为输入匹配网络，在3.1～10.6GHz频带范围内获得了较好的输入匹配性能;电路通过采用RC反馈技术和峰值电感技术改善其在超宽带全频带范围内的增益平坦度。为了降低功耗，电路采用了可改变场效应管阈值电压的衬底偏置技术。仿真结果显示，提出的超宽带功率放大器在超宽带全频带内的最大输出功率为5.5dBm，功率增益为10.6±0.8dB，输入/输出回波损耗(S11、S22)分别小于-14.3dB和-9dB，输出1dB压缩点达到2dBm。功率放大器电路在0.9V电源电压下的功耗仅为14.3mW。
　　本文提出的电路均采用0.18μmRF CMOS工艺设计，用Cadence和ADS软件进行模拟仿真。

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 功率放大器晶体管的工艺概述

1．3 高效率E类功率放大器的研究现状

1．4 超宽带功率放大器的研究现状

1．5 论文的主要研究内容

1．6 论文的组织结构

第2章 射频功率放大器的理论基础

2．1 射频功率放大器的主要性能指标

2．1．1 输出功率

2．1．2 效率

2．1．3 功率增益和增益平坦度

2．1．4 稳定性

2．1．5 线性度

2．1．6 工作频段和带宽

2．2 功率放大器的分类及其特点

2．2．1 线性功率放大器

2．2．2 开关类功率放大器

2．3 功率放大器的负载线理论

2．4 CMOST艺对射频功率放大器设计的限制

2．5 小结

第3章 2．4GHz CMOS高效率E类功率放大器设计

3．1 引言

3．2 提出的电路结构

3．3 电路分析

3．3．1 输入匹配分析

3．3．2 驱动级的电路分析

3．3．3 自偏置技术

3．3．4 功率级电路的大信号分析

3．4 电路仿真结果分析

3．5 版图设计

3．6 与相关论文的性能对比

3．7 小结

第4章 低功耗CMOS超宽带功率放大器的电路设计

4．1 引言

4．2 提出的电路结构

4．3 电路分析

4．3．1 输入匹配分析

4．3．2 电压增益分析

4．3．3 衬底偏置技术

4．4 电路仿真结果分析

4．5 本电路的版图设计

4．6 与相关论文的性能比较

4．7 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录)

附录B (攻读硕士学位期间所参与的科研活动)