用于多模发射机的线性功率预放大器研究与设计

摘要

随着无线通讯技术的发展，目前移动通讯存在多种并存的协议。于是，满足多协议要求的收发机是当前通讯技术中的研究热点，而多协议收发机硬件中最关键的部分是多模收发机芯片。多模收发机中，功率预放大器作为芯片输出级，又在很大程度上影响着多模收发机芯片的性能。本论文针对用于多模收发机芯片的功率预放大器进行了如下研究:
　　首先，分析了主流发射机的架构，对各种架构进行了比较，并且分析了功率预放大器的关键指标对于发射机性能的影响。
　　其次，使用简化模型分析了功率预放大器工作状态的效率与线性度之间的折衷关系，指出最适合与功率预放大器的工作状态是AB类状态。
　　第三，分析了影响工作在AB类状态的功率预放大器的主要非线性要素，并指出对于工作在中等信号强度下的功率预放大器，对非线性影响最大的因素是跨导的非线性。基于此，论文进一步对功率预放大器非线性进行建模，提出了一种同时适合于大信号和小信号的统一非线性解析模型，该模型能够较好地预测功率预放大器的非线性，并且从物理上直观地解释了大信号非线性和小信号非线性互相作用的过程。
　　第四，在统一非线性模型的指导下，提出了一种适用于大信号的微分叠加电路优化方法，区分了适用于小信号的微分叠加电路优化方法及适用于大信号的微分叠加电路优化方法并且进行了比较。三阶交调仿真结果表明，使用大信号微分叠加优化方法得到的三阶叠加相比使用小信号微分叠加优化方法得到的结果要好4dB，而比不使用微分叠加时要好20 dB。
　　最后，使用SMIC0.13μm工艺下实现了一种兼容多协议(GSM，DCS，WCDMA)的功率预放大器。测试结果表明，该功率预放大器饱和功率为12.2dBm，并能提供44dB的增益范围和2dB的增益步长。该功率预放大器使用了前述的微分叠加技术，测试结果中该技术能将发射机整体的输出三阶交调点改善3dB以上，而在输出中等功率（3dBm）时，三阶交调量改善了4dB左右。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 论文主要工作与创新

1．4 论文的组织结构

第二章 发射机基本架构与指标简介

2．1 发射机基本架构

2．1．1 直接变频

2．1．2 两次变频

2．1．3 极坐标调制

2．1．4 异相调制

2．1．5 射频数-模转换

2．1．6 发射机架构比较

2．5 与功率预放大器相关的发射机关键指标分析

2．2．1 功耗与功率效率

2．2．2 工作频率

2．2．3 线性度

2．2．4 发射功率及其控制

2．2．5 调制精度

2．2．6 阻抗匹配与S参数

2．2．7 噪声性能

第三章 功率预放大器概述

3．1 概述

3．2 线性放大器

3．2．1 A类放大器

3．2．2 B类放大器

3．2．3 AB类放大器

3．2．4 C类放大器

3．2．5 对比与总结

3．2．6 平方律模型与线性模型的对比以及非理想因素

第四章 AB类功率预放大器线性度分析及改善

4．1 非线性来源

4．1．1 跨导非线性

4．1．2 源-漏电阻非线性

4．1．3 栅-源电容非线性

4．1．4 二阶非线性的影响

4．2 非线性改善方法

4．2．1 微分叠加

4．2．2 栅电容补偿

4．2．3 二阶谐波消除

4．3 非线性模型

4．4 大信号微分叠加理论

4．5 多级系统中的微分叠加

第五章 用于多模发射机的功率预放大器

5．1 设计目标

5．2 结构选择

5．3 电路设计

5．3．1 驱动级设计

5．3．2 功率级设计

5．4 版图设计

5．5 仿真结果

5．5．1 电路仿真结果

5．5．2 版图后仿真结果

第六章 功率预放大器测试结果

6．1 芯片实现及测试方案

6．2 测试结果与分析

6．2．1 直流功耗

6．2．2 输出匹配测试

6．2．3 单音测试

6．2．4 双音测试

6．2．5 邻道泄漏比

6．2．6 输出EVM

6．2．7 输出调谐曲线

6．2．8 增益误差

6．2．9 测试结果总结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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