0.18μm CMOS无线传感器网络功率放大器设计

摘要

无线传感网络(WSN，Wireless Sensor Network)因为其巨大的应用前景而受到学术界和工业界广泛的重视，被认为是二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。射频功率放大器位于发射机的末端，将调制和变频后的信号进行功率放大并通过天线传输出去，是无线通信系统中的关键模块之一，因此研制射频集成功率放大器对无线通信具有重要的意义。
　　 本文描述了WSN射频收发机中功率放大器的电路结构的确定以及电路的前仿真、后仿真过程，并对测试结果进行了分析。由于WSN系统低功耗的要求，该功率放大器并不需要太高的功率输出和功率增益，而效率是关键指标。权衡效率、线性度、增益、功率等方面，最终的电路采用全差分的AB类单级共源共栅结构，同时通过控制晶体管的通断实现功率控制。论文给出了电路设计、前仿真结果与分析、版图设计和后仿真结果与分析。后仿真结果表明，在典型工艺角、室温和1.8V电源电压下，功放电路工作频率能覆盖2.4-2.4835 GHz，具有18.6dB的功率增益，10.0dBm的输出1dB压缩点，1dB输出时约28％的功率附加效率(PAE)，在某一固定输入功率下，通过3比特功率控制码，输出端可以得到7种不同的功率输出。芯片面积为1.8mm×0.6mm。芯片经过流片测试验证，由于输入端未进行匹配，最高增益时S21约为11dB，输出1dB压缩点约为14dBm，效率约为22％。
　　 本文设计的PA模块基本满足WSN射频前端的要求，经过进一步优化可以应用于WSN射频芯片中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 无线传感器网络应用背景

1．1．2 射频前端系统

1．1．3 功率放大器

1．1．4 电路设计平台

1．2 设计指标

1．3 论文组织

第二章 功率放大器设计基础

2．1 衡量功率放大器性能的参数

2．1．1 S参数

2．1．2 功率放大器的非线性

2．1．3 功率放大器的稳定性

2．2 功率放大器的基本结构

2．2．1 A类功率放大器

2．2．2 B类功率放大器

2．2．3 AB类功率放大器

2．2．4 C类功率放大器

2．2．5 D类功率放大器

2．2．6 E类功率放大器

2．2．7 F类功率放大器

第三章 功率放大器电路设计及前仿真

3．1 无线传感网射频收发前端基本架构及对PA设计的影响

3．1．1 无线传感网射频收发前端工作原理

3．1．2 收发前端架构对功率放大器设计的限制

3．2 功率放大器电路设计

3．2．1 主体结构

3．2．2 器件选择

3．2．3 输入输出匹配

3．2．4 功率控制的实现

3．2．5 偏置电路设计

3．2．6 ESD保护电路的影响

3．2．7 完整的差分结构PA电路

3．3 功率放大器电路原理图仿真

第四章 功率放大器版图设计及后仿真

4．1 电路版图设计

4．1．1 版图设计的考虑因素

4．1．2 功率放大器版图设计

4．2 功率放大器电路后仿真

第五章 功率放大器芯片测试

5．1 芯片测试环境及测试方案

5．1．1 测试环境

5．1．2 芯片照片

5．1．3 直流特性测试方案

5．1．4 S参数及增益1dB压缩点测试方案

5．1．5 频谱测试方案

5．1．6 输出波形测试方案

5．2 测试结果

5．2．1 直流测试结果

5．2．2 网络分析仪对S参数及增益1dB压缩点测试结果

5．2．3 频谱分析仪测试结果

5．2．4 输出波形测试结果

5．3 测试结果分析

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢