射频功率放大器及LC压控振荡器的研究

摘要

近年来，随着无线通信技术的迅速发展，高传输速率、低成本成为目前移动通信系统(3G、4G等)和各种无线接入方式(无线局域网、全球微波互联接入、蓝牙等)及物联网的发展趋势。而数据的调制方式越来越复杂，这对射频集成电路的性能提出了更高的要求。射频功率放大器，又是射频电路中最为重要的模块之一，它是消耗功率最多的一个模块电路，功率放大器效率的高低，决定了整个收发系统的效率。目前射频收发系统中的低噪声放大器、压控振荡器等都经可以在CMOS工艺上实现，甚至与数字处理、模拟接口部分一起集成为片上系统(SOC)，在CMOS工艺上实现高性能功率放大器已成为实现进一步SOC集成的趋势。但CMOS工艺的低击穿电压、低跨导的有源器件和高损耗、低品质因数的无源器件成为实现高可靠性功率放大器的难点。所以，基于CMOS工艺设计实现高线性、高功率和高效率的射频功率放大器已成为射频集成电路设计中的一个新的挑战，也是目前国内和国际研究的一个热点。而压控振荡器作为锁相环等关键的一部分也受到人广泛的关注，也是人们研究的一个热点。
　　本文首先介绍了国内外功率放大器的研究现状，接着介绍功率放大器的原理，并且设计完成一款应用于2.45GHz无线局域网的AB类射频功率放大器，应用ADS软件对AB类射频功率放大器进行仿真。功率放大器采用自偏置预失真技术，在改善击穿电压的前提下增加了功率放大器的线性度。同时分级阐述了每一级电路的组成模块，并且介绍了各个模块的作用，以及设计依据和设计方法，在介绍第二级功率放大器的时候着重介绍了负载匹配的原理以及设计方法，再介绍了完整的功率放大器电路结构以及对该放大器仿真的结果。然后设计完成一款LC压控振荡器，分步骤对压控振荡器的各个模块进行设计论证，其中包括尾电流的设计，交叉耦合管的设计，LC谐振网络的设计，LC滤波器的设计，以及LC压控振荡器的缓冲电路的设计，并且用cadence的spectreRF对该电路进行仿真。LC压控振荡器在采用LC滤波技术改善它的相位噪声。射频功率放大器和LC压控振荡器电路最后都用cadence的virtuoso进行版图设计，并通过DRC，LVS等验证。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容安排

第二章 射频功率放大器概述及原理

2.1 射频功率放大器主要的性能参数

2.1.1 输出功率

2.1.2 增益

2.1.3 效率

2.1.4 功率利用因子

2.1.5 线性度

2.2 射频功率放大器分类

2.2.1 线性功率放大器

2.2.2 开关类功率放大器

2.3 射频功率放大器线性化技术及效率提升技术

2.3.1 功率回退技术

2.3.2 前馈

2.3.3 反馈

2.3.4 预失真

2.3.5 采用非线性元件的线性放大

2.3.6 包络消除与恢复

2.3.7 自适应偏置技术

2.3.8 Doherty技术

2.4 功率放大器的匹配技术

2.5 CMOS功率放大器的挑战及应对方法

2.5.1 氧化层击穿和热载流子效应

2.5.2 衬底问题

2.5.2 knee电压

第三章 功率放大器电路设计

3.1 工艺介绍

3.2 设计目标

3.3 电路结构框图

3.4 自偏置结构设计

3.5 第一级放大器设计

3.6 第二级放大器及预失真电路设计

3.6.1 预失真电路

3.6.2 负载牵引匹配

3.6.3 第二级功率放大器电路

3.7 完整电路设计

3.7.1 功率放大器电路结构

3.7.2 功率放大器电路S参数仿真

3.7.3 功率放大器电路Pout和PAE

3.7.4 功率放大器电路的稳定性分析

3.7.5 功率放大器电路的IMD3

3.8 功率放大器版图及后仿真

3.8.1 版图设计规则

3.8.2 本次设计所用到器件的版图简介

3.8.3 功率放大器的版图及其后仿真

3.9 本章小结

第四章 压控振荡器概述

4.1 振荡器的基本原理

4.1.1 反馈系统

4.1.2 负阻分析

4.2 压控振荡器设计的主要指标

4.2.1 相位噪声

4.2.2 功耗

4.2.3 调谐范围

4.2.4 压控振荡器的增益

4.2.5 压控振荡器的调谐线性度

4.3 振荡器的相位噪声分析

4.3.1 相位噪声原理分析

4.3.2 lesson相位噪声模型

4.3.2 Hajimiri相位噪声模型

4.4 LC压控振荡器分析

4.4.1 LC压控振荡器基本电路分析

4.4.2 LC压控振荡器尾电流分析

4.4.3 噪声滤波技术

第五章 压控振荡器电路设计

5.1 工艺介绍

5.1.1 变容管介绍

5.1.2 中心抽头差分螺旋电感介绍

5.2 LC压控振荡器的设计指标

5.3 LC压控振荡器的电路设计

5.3.1 尾电流源设计

5.3.2 交叉耦合管设计

5.3.3 LC谐振网络的设计

5.3.3 LC滤波电路设计

5.3.4 缓冲电路设计

5.4 LC压控振荡器的仿真

5.5 LC压控振荡器的版图及后仿

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录