應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的硅基射頻功率放大器的設(shè)計(jì).pdf

1、功率放大器是射頻前端的重要組件，它的輸出功率會(huì)影響信號(hào)覆蓋范圍，線性度會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，效率會(huì)影響設(shè)備工作時(shí)間，因此設(shè)計(jì)高功率、高線性度和高效率的射頻功率放大器一直是研究的熱點(diǎn)。過去，高功率線性功率放大器通?；诰哂懈吖β拭芏群透咛卣黝l率的化合物半導(dǎo)體工藝，如GaAs工藝設(shè)計(jì)制造。但是化合物半導(dǎo)體工藝與傳統(tǒng)的低成本的體硅工藝不兼容，因此限制了射頻前端的集成度，并提高了成本。隨著硅基工藝的進(jìn)步，特別是SiGe BiCMOS工藝和SOI

2、CMOS工藝走向成熟，它們具有的良好射頻性能使基于硅基工藝設(shè)計(jì)射頻功率放大器成為可能。硅基工藝本身具有的低成本和高集成度優(yōu)勢使設(shè)計(jì)硅基射頻功率放大器成為研究的熱點(diǎn)。
　　在此背景下，本文分別基于SiGe BiCMOS工藝和SOI CMOS工藝兩種硅基工藝設(shè)計(jì)了應(yīng)用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的射頻功率放大器。主要工作和成果如下:
　　首先，對(duì)功率放大器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了研究，分析了WLAN協(xié)議對(duì)信號(hào)EVM和頻譜掩模的要求;對(duì)功率放

3、大器的仿真方法進(jìn)行了介紹，利用ADS的托勒密仿真控件，設(shè)計(jì)了仿真IEEE802.11g信號(hào)EVM的系統(tǒng);基于該系統(tǒng)，分析了AM-AM失真與EVM之間的關(guān)系，并提出了通過降低低功率處線性度來提高效率的方法;對(duì)功率放大器設(shè)計(jì)的功率匹配技術(shù)和增益膨脹現(xiàn)象進(jìn)行了討論。
　　然后，基于SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)了三級(jí)單端功率放大器。通過分析SiGe器件的特性，給出了由Kirk電流推導(dǎo)輸出功率的方法;針對(duì)功率放大器面對(duì)的熱穩(wěn)定性和電穩(wěn)定性

4、問題，采取了晶體管基極串聯(lián)電阻的解決方法;通過S參數(shù)仿真，確定各級(jí)晶體管的輸入阻抗，使用load-pull仿真確定各級(jí)放大電路的輸出阻抗;匹配電路利用了鍵合線參與匹配，對(duì)鍵合線進(jìn)行了電磁仿真，提取等效電路模型;使用Cadence Virtuoso完成版圖繪制，并進(jìn)行了提參和后仿;芯片測試結(jié)果顯示輸出1 dB壓縮點(diǎn)達(dá)到了23.6 dBm，增益為26.6 dB，輸入反射系數(shù)為-16.5 dB;在不同的偏置點(diǎn)下，對(duì)信號(hào)的EVM進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)

5、通過優(yōu)化偏置點(diǎn)可以提高最大線性輸出功率，并提高效率，優(yōu)化的最大線性輸出功率為16.6 dBm(EVM=5.6％，IEEE802.11g54Mbps)。
　　其次，基于SOI CMOS工藝設(shè)計(jì)了兩級(jí)單端功率放大器芯片。分析了CMOS功率放大器設(shè)計(jì)上的困難，原因是CMOS器件的耐壓低，設(shè)計(jì)大功率放大器時(shí)存在匹配難題;為了解決此問題，電路采用了共源共柵結(jié)構(gòu)，以提高電路耐壓能力;針對(duì)傳統(tǒng)共源共柵電路上下兩晶體管分壓不均的問題，提出了在共柵

6、管柵極并聯(lián)電容的方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了這種方法的有效性;設(shè)計(jì)了兩級(jí)的功率放大器芯片，在Cadence Virtuoso中完成版圖設(shè)計(jì);流片測試結(jié)果顯示，該功率放大器輸出1 dB壓縮點(diǎn)可達(dá)23.9 dBm，效率達(dá)39.4％，EVM為3％時(shí)，輸出功率為16.3 dBm。
　　綜上，本文的研究成果在于使用兩種硅基工藝設(shè)計(jì)了射頻功率放大器，并經(jīng)過流片測試，具有一定的參考價(jià)值。本文提出了通過合理選擇偏置電壓，犧牲低功率處線性度，來提高效率的方