片上功率合成器的建模及其在CMOS射頻放大器中的應用研究.pdf

1、隨著無線移動通信的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率越來越快，如目前尚處于研究階段的第五代移動通信(5G)的用戶體驗速率將超過1Gbps，但是無線通信距離并沒有隨之改善。移動終端的通信距離主要由無線收發(fā)器的接收靈敏度和發(fā)射功率決定，發(fā)射信號由功率放大器(Power Amplifier,PA)輸出，所以高輸出功率的PA設(shè)計對遠距離通信極為重要。頻率資源的日益緊張導致無線收發(fā)器的工作頻率越來越高，更高的工作頻率進一步增加了PA的設(shè)計難度，如應用日益廣泛

2、的下一代高速無線局域網(wǎng)(802.11ad,WiGig)采用60GHz毫米波(millimeter wave,mm-wave)頻段，但是如何增加60GHz PA的發(fā)射功率是一個設(shè)計難點，導致60GHz收發(fā)器的有效通信距離局限在1~2米。
　　單片無線收發(fā)器包括數(shù)字、模擬和射頻等多個模塊，一般采用互補金屬氧化物半導體(Complemetary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工藝制作，但是由于CMOS工藝

3、存在襯底損耗大、MOSFET管擊穿電壓低等缺陷，直接增加了CMOS PA的設(shè)計難度?；谄瞎β屎铣善髟O(shè)計的CMOS PA可以解決以上問題，功率合成器將多個PA的輸出信號相加，降低每個PA所需承受的電壓擺幅，避免MOSFET管被擊穿。采用功率合成器設(shè)計的CMOS PA可以實現(xiàn)大功率輸出，如Axiom Microdevices公司于2006年推出的業(yè)界首款單片全集成CMOS PA(AX502)即采用功率合成器，AX502的最高輸出功率可

4、以達到35dBm。
　　盡管功率合成器在高輸出功率的CMOS PA中應用廣泛，但是如何建立其等效電路模型尚缺乏深入研究，導致功率合成器的設(shè)計過程較為復雜。本文以CMOS片上電感和變壓器等器件為基礎(chǔ)，建立常用CMOS片上器件的等效電路模型，然后對比分析不同片上功率合成器模型之間的區(qū)別，對功率合成器的性能進行深入研究，最后通過大量不同幾何形狀的功率合成器的設(shè)計與仿真，驗證本文所提模型在GHz頻段和mm-wave頻段具有很高的精確度，并

5、將其應用于兩款CMOS PA的設(shè)計。
　　本文主要內(nèi)容如下：
　　首先，分析了CMOS工藝的特點，研究金屬厚度和硅(Silicon，Si)襯底對片上器件的影響；對片上電感等效電路模型的建立和模型參數(shù)的提取進行了深入研究，討論了趨膚效應和鄰近效應，對比了片上電感的兩種不同電路模型，通過電磁仿真和流片測量，驗證了電感等效電路模型的準確度。給出片上電感的應用實例：一個低相位噪聲的寬帶壓控振蕩器(Voltaged-Controlle

6、d Oscillator，VCO)。對片上變壓器建立等效電路模型，設(shè)計了不同線圈比的片上變壓器并進行流片和測量，驗證所提變壓器模型的準確度。
　　其次，分析了片上功率合成器的基本原理，對比片上功率合成器的不同模型，仿真驗證不同損耗效應對其性能的影響，包括損耗電阻、變壓器的耦合系數(shù)k等，提出了片上功率合成器完整的等效電路模型，推導了功率合成器性能和模型參數(shù)之間的計算公式，通過大量不同結(jié)構(gòu)片上功率合成器的設(shè)計，驗證了所提模型同時適用于

7、GHz和mm-wave頻段。
　　然后，基于功率合成器設(shè)計了一個工作頻率為2.45GHz的CMOS PA，功率合成器用來實現(xiàn)三個子PA的輸出信號相加，采用有源偏置和二極管線性度提高技術(shù)來改善PA的性能?；赥SMC0.18μm1P6M RFCMOS工藝流片，測試結(jié)果表明，該PA滿足IEEE802.11b/g WLAN協(xié)議要求。
　　最后，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的片上功率合成器，并對該功率合成器進行深入的研究，通過仿真驗證了該結(jié)構(gòu)

8、的性能不隨幾何尺寸和制作工藝的變化而變化，適合不同的應用情況；基于該功率合成器設(shè)計了一款工作頻率為1.9GHz的CMOS PA，其中功率合成器用來實現(xiàn)四個子PA的輸出信號相加，該PA采用MOSFET跨導補償和二次諧波短路技術(shù)來改善PA的線性度?；赥SMC0.18μm1P6M RFCMOS模型進行仿真，結(jié)果表明，該PA滿足3GPP WCDMA Band I協(xié)議要求。
　　本文受國家自然科學基金《基于CMOS工藝的動態(tài)電源驅(qū)動架構(gòu)射