基于CMOS的移动终端高能效功率放大器研究与设计

摘要

功率放大器是整个收发机系统中主要的耗能模块且有较大的非线性失真，直接影响着设备的待机时间和所能支持的通信速率，因此高能效高线性度的CMOS功放设计一直是国内外研究的热点。
　　CMOS工艺由于其高的衬底损耗、低的击穿电压以及各种寄生电容给大功率线性功放设计带来了很大的挑战，特别是应用于移动终端的功放，近年来高通等公司已经相继推出了相应的CMOS功放产品，实现了不错的性能。本文第一部分设计了一种高线性度高效率CMOS线性功放，对CMOS功放的可靠性和非线性来源进行了深入的分析，并给出了相应的解决方案，芯片绑线以及PCB走线等都用HFSS进行了建模优化。该线性功放采用TSMC0.18um工艺设计，后仿输出功率1dB压缩点P1dB为25.3dBm，在P1dB处功率附加效率PAE接近33％。在ADS的WLAN802.11g仿真平台里，输入64QAM信号，该功放满足其频谱掩膜和EVM要求的最大线性输出功率为15dBm，说明功放具有很好的线性度。
　　由于目前通信通常采用高阶的幅度调制信号，为了满足其线性度要求，功放必须采用功率回退的方式，这样会造成效率的降低。而数控类功放可以实现效率和线性度之间更好的权衡。本文第二部分对数控类功放进行了研究，对数控功放的版图进行优化，并采用了新型的二次谐波电流抑制电路和改进型的LO驱动电路，设计了两种高效率的数控功放:(1)针对蓝牙v4.0应用设计了一种6位数控式功放，采用TSMC0.18um工艺，后仿输出功率为4.3dBm，效率为35％，功放的动态范围超过26dB，可以支持蓝牙v4.0的EDR模式;(2)设计了一种应用于WLAN802.11g的大功率8位数控的逆D类功放，使用SMIC65nm工艺，后仿结果显示，在2.4GHz处的峰值输出功率为26.1 dBm，主功放的漏端效率约为42％，输出功率变化低于1dB的带宽为900MHz。
　　论文第三部分设计了一种应用于综合功率控制器的有源巴伦，加入了三级校正电路、带宽补偿电路和温度补偿电路，并对开关管的可靠性和非线性进行了分析讨论。后仿结果显示，在1.9-2.6GHz带宽内输出差分信号幅度误差控制在0.2dB以内，相位误差控制在1°以内。通过带宽补偿技术使整个功率控制器系统的增益变化低于1dB的带宽大于1GHz。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容和贡献

第2章 功率放大器基本原理和设计总结

2．1 功率放大器的基本性能参数

2．1．1 输出功率

2．1．2 功率增益

2．1．3 效率

2．1．4 线性度

2．2 功率放大器的分类

2．2．1 线性功率放大器的分类

2．3 CMOS功率放大器设计总结

2．3．1 CMOS功率放大器设计挑战

2．3．2 CMOS功率放大器主要的设计技术

2．3．3 CMOS功率放大器设计要点和总结

2．4 功率放大器的测试

2．4．1 WLAN802．11g测试平台

2．4．2 简易的源漏负载牵引平台

2．5 本章小结

第3章 应用于WLAN的高线性度高效率集成功放设计

3．1 WLAN802．11g简介

3．2 设计指标与方案分析

3．2．1 设计指标

3．2．2 整体结构设计

3．2．3 器件的可靠性、稳定性及解决方案

3．2．4 非线性及解决方案

3．2．5 片外匹配电路设计与仿真

3．3 版图设计与仿真结果分析

3．3．1 版图设计

3．3．2 单音仿真结果

3．3．3 双音仿真结果

3．4 本章小结

第4章 全集成数控功放设计与实现

4．1 应用于蓝牙v4．0的6位数控功放设计

4．1．1 蓝牙v4．0简介

4．1．2 设计指标

4．1．3 方案选取与分析

4．1．4 仿真结果与分析

4．2 一种基于65nm CMOS工艺的数控极坐标功放设计

4．2．1 设计指标

4．2．2 方案选取与分析

4．2．3 仿真结果与分析

4．3 本章小结

第5章 应用于综合功率控制器的有源巴伦设计

5．1 设计简介

5．2 有源巴伦整体结构与子电路分析

5．2．1 衰减器模块与分析

5．2．2 有源巴伦电路设计

5．2．3 隔离器设计

5．3 后仿结果与分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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