BiCMOS多模多标准射频前端中功率放大器设计

摘要

随着无线通信的发展，我国已经进入第四代移动通信(4G)全面商用的时代，虽然5G技术在不久的将来将成为电信产业的主流技术，但我国市场在相当长的一段时间内仍会共存3G，4G的多种模式。而单片集成的射频芯片的需求量越来越大，要求收发机可以支持多种模式多种标准的通信方式，因此多模多标准应用是一个值得研究的方向。功率放大器是发射机中的重要组成部分，功耗约占发射系统80%的能耗，因此研究高效率的功率放大器具有重要意义。 为了完成高效率的指标，本文采用GF0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计了一种两级差分E类功率放大器。驱动级工作在AB类状态，为功率级提供足够大的驱动信号，保证功率级能正常工作在E类状态。传统的E类功率放大器最大输出电压将达到电源电压的3.57倍，为了降低晶体管发生击穿的风险，本次设计中功率级采用共基+共射的电路结构。由于本次设计的功率放大器为宽带放大器，因此在功率放大器的负载变换网络中采用了改进型的差分有限电感负载变换网络，提高了宽带性能。考虑到发射级键合线电感的负反馈问题，本次设计采用硅通孔(TSV)技术替代了传统的地焊盘，直接在芯片内部打通孔，使发射级直接与外部地相连，大大降低了发射级的阻抗和电感值，保证了放大器的高频增益和效率。除此之外，本文给出了功率放大器的稳定性分析和匹配电路设计，并给出了前仿真、版图设计和后仿真结果。后仿真结果表明：在1.75-2.75GHz频段内，功率放大器稳定，电路稳定性系数大于22，输入反射系数在频带内均小于-15dB，输入匹配性能良好。输出功率大于26dBm，功率增益大于21dB，带内功率附加效率大于50%，峰值效率达到60%。 本文设计的功率放大器覆盖了主流的3G和4G移动通信和短距离无线通信系统等频段，并且实现了较好的效率性能，可应用在手机，掌上电脑等使用电池的移动通信设备中，满足低功耗无线通信领域的要求。在高线性度要求的应用场合中，可结合线性化技术，如包络消除与恢复技术、包络跟踪等提高功率放大器的线性度，完善整体性能。

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缩略语表

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 SiGe HBT功率放大器的研究现状

1.3 研究内容和设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织结构

第 2 章 射频功率放大器基础

2.1 功率放大器简介

2.2 功率放大器的分类

2.2.1 D类功率放大器

2.2.2 E类功率放大器

2.2.3 F类功率放大器

2.2.4 不同类型功率放大器性能对比

2.3 功率放大器的主要性能参数

2.3.1 输出功率

2.3.2 功率增益

2.3.3 效率

2.3.4 线性度

2.3.5 输入输出反射系数

2.4 SiGe BiCMOS工艺下功率放大器基本特性简介

2.4.1 SiGe BiCMOS技术优势

2.4.2 SiGe HBT与射频功率放大器

2.5 宽带功率放大器设计的主要限制

2.5.1 宽带功率放大器设计的限制因素

2.5.2 宽带功率放大器设计的相关考虑

2.6 宽带功率放大器的设计技术

2.6.1 负反馈技术

2.6.2 匹配网络补偿技术

2.6.3 平衡放大器设计技术

2.6.4 分布式放大器

2.6.5 低Q值多级匹配

2.7 本章小结

第 3 章 射频E类功率放大器设计与前仿真

3.1 射频E类功率放大器设计指标

3.2 射频E类功率放大器设计方案

3.3 射频E类功率放大器设计

3.3.1 电路拓扑结构设计

3.3.2 晶体管选择

3.3.3 稳定性设计

3.3.4 匹配电路设计

3.3.5 负载变换网络设计

3.3.6 射频E类功率放大器整体结构

3.4 射频E类功率放大器前仿真

3.4.1 瞬态仿真

3.4.2 稳定性仿真

3.4.3 S参数

3.4.4 输出功率和功率附加效率

3.4.5 E类功率放大器前仿真总结

3.5 本章小结

第 4 章 射频E类功率放大器的版图设计和后仿真

4.1 版图设计考虑

4.2 射频E类功率放大器版图设计

4.3 射频E类功率放大器后仿真

4.3.1 瞬态仿真

4.3.2 稳定性和S参数

4.3.3 输出功率和功率附加效率

4.3.4 后仿真结果总结

4.4 本章小节

第 5 章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文