片上功率合成器的建模及其在CMOS射頻放大器中的應(yīng)用研究.pdf

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

2、的下一代高速無(wú)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(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，導(dǎo)致60GHz收發(fā)器的有效通信距離局限在1~2米。
　　單片無(wú)線收發(fā)器包括數(shù)字、模擬和射頻等多個(gè)模塊，一般采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jì)難度?；谄瞎β屎铣善髟O(shè)計(jì)的CMOS PA可以解決以上問(wèn)題，功率合成器將多個(gè)PA的輸出信號(hào)相加，降低每個(gè)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(jì)的CMOS PA可以實(shí)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(dá)到35dBm。
　　盡管功率合成器在高輸出功率的CMOS PA中應(yīng)用廣泛，但是如何建立其等效電路模型尚缺乏深入研究，導(dǎo)致功率合成器的設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)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(duì)比分析不同片上功率合成器模型之間的區(qū)別，對(duì)功率合成器的性能進(jìn)行深入研究，最后通過(guò)大量不同幾何形狀的功率合成器的設(shè)計(jì)與仿真，驗(yàn)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(yīng)用于兩款CMOS PA的設(shè)計(jì)。
　　本文主要內(nèi)容如下：
　　首先，分析了CMOS工藝的特點(diǎn)，研究金屬厚度和硅(Silicon，Si)襯底對(duì)片上器件的影響；對(duì)片上電感等效電路模型的建立和模型參數(shù)的提取進(jìn)行了深入研究，討論了趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，對(duì)比了片上電感的兩種不同電路模型，通過(guò)電磁仿真和流片測(cè)量，驗(yàn)證了電感等效電路模型的準(zhǔn)確度。給出片上電感的應(yīng)用實(shí)例：一個(gè)低相位噪聲的寬帶壓控振蕩器(Voltaged-Controlle

6、d Oscillator，VCO)。對(duì)片上變壓器建立等效電路模型，設(shè)計(jì)了不同線圈比的片上變壓器并進(jìn)行流片和測(cè)量，驗(yàn)證所提變壓器模型的準(zhǔn)確度。
　　其次，分析了片上功率合成器的基本原理，對(duì)比片上功率合成器的不同模型，仿真驗(yàn)證不同損耗效應(yīng)對(duì)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(dǎo)了功率合成器性能和模型參數(shù)之間的計(jì)算公式，通過(guò)大量不同結(jié)構(gòu)片上功率合成器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了所提模型同時(shí)適用于

7、GHz和mm-wave頻段。
　　然后，基于功率合成器設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為2.45GHz的CMOS PA，功率合成器用來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)子PA的輸出信號(hào)相加，采用有源偏置和二極管線性度提高技術(shù)來(lái)改善PA的性能?；赥SMC0.18μm1P6M RFCMOS工藝流片，測(cè)試結(jié)果表明，該P(yáng)A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(duì)該功率合成器進(jìn)行深入的研究，通過(guò)仿真驗(yàn)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(yīng)用情況；基于該功率合成器設(shè)計(jì)了一款工作頻率為1.9GHz的CMOS PA，其中功率合成器用來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)子PA的輸出信號(hào)相加，該P(yáng)A采用MOSFET跨導(dǎo)補(bǔ)償和二次諧波短路技術(shù)來(lái)改善PA的線性度?；赥SMC0.18μm1P6M RFCMOS模型進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該P(yáng)A滿足3GPP WCDMA Band I協(xié)議要求。
　　本文受國(guó)家自然科學(xué)基金《基于CMOS工藝的動(dòng)態(tài)電源驅(qū)動(dòng)架構(gòu)射