《24ghz cmos功率放大器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《24ghz cmos功率放大器设计（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、杭州电子科技大学 硕士学位论文 2.4GHz CMOS功率放大器设计 姓名：赵明付 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：余志平;孙玲玲 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘 要 近年来， 随着无线通信技术的迅速发展， 低成本、 高传输速率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）的发展趋势。由射 频集成电路（RFIC）构成的射频前端收发机系统对芯片的高集成度、低成本、低功耗提出了 更高的要求。先进 CMOS 技术使得基于 CMOS 工艺的高集成度、低成本、低功耗的射频集 成电路得到了长足的发展，目
2、前射频收发系统中的低噪声放大器、混频器、压控振荡器等已 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 工艺上实现功率放大器已成为实现进一步更高集成的趋势。但 CMOS 工艺的低跨导、 低击穿电压的有源器件和低品质因数、高损耗的无源器件成为实现高可靠性功率放大器的难 点。因此，基于 CMOS 工艺设计实现高功率、高线性和高效率的射频功率放大器成为射频集 成电路设计的一个新的挑战，也是目前国际研究的一个热点。 本文首先从芯片级综述了目前国内外功率放大器的研究现状，并针对功率放大器的高线 性实现，从系统级和芯片级两个方面总结了现有的几种线性化
3、技术。 其次，重点阐述了采用 CMOS 工艺设计实现功率放大器的挑战，包括有源 MOSFET 器 件的低击穿电压、 低跨导、 Knee 电压问题和无源器件低品质因数、 高损耗及高导电性衬底等， 着重讨论了栅氧击穿和热载流子效应的机理及其给功率放大器设计带来的影响。并以此讨论 了一些现有的应对策略和设计方法。 在以上分析的基础上，本文基于 SMIC 0.18m RF CMOS 工艺分别采用单端和差分全集 成形式设计实现了两种工作在 2.4GHz 的射频放大器，并已递交流片。 2.4 GHz 单端功率放大器采用两级放大， AB 类工作： 驱动级采用自偏置的共源共栅结构， 不仅可以提高增益，增加反向
4、隔离，而且能有效缓解栅氧击穿和热载流子效应带来的可靠性 问题；功率级利用厚栅器件，从而可以在更高的电压下工作以提高输出功率。在 3V 工作电 压下，单端功率放大器仿真得到的功率增益为 23.8dB,1dB 压缩点输出功率为 22dBm, 对应的 功率附加效率为 31%。 由于单端功率放大器源端寄生电感对电路稳定性有较大的影响，并且功率放大器很容易 通过衬底耦合对其它电路带来干扰。而差分结构具有源、漏端的虚地特性以及其对衬底注入 频率为工作频率的两倍特性，因而能够有效提高电路的稳定性，同时降低其大输出功率通过 衬底耦合对其它电路的影响。因此，基于以上考虑和更高集成度的要求，本文又设计了一种 2.
5、4GHz 的差分全集成功率放大器。 2.4GHz 差分全集成功率放大器以单端功放的结构为基础，同样采用两级放大，AB 类工 作。为了实现信号的单端输入、单端输出，设计了两个在片变压器结构。输入端变压器采用 交叉互绕的螺旋形式实现，在片测试的插入损耗为 1.78dB，幅度和相位特性良好；输出端变 杭州电子科技大学硕士学位论文 II 压器采用半圆形功率耦合结构，同时实现差分信号的单端转换、功率合成和阻抗匹配。本文 首次设计了这种的半圆形在片变压器结构，版图尺寸仅为 650m260m，也是目前已报道的 最紧凑型的在片变压器之一，通过电磁场仿真（Momentum）显示其插入损耗为 1.59dB，幅 度
6、不平衡和相位不平衡在 2.4GHz 处分别为 0.3dB 和 0.4。差分功放在 3V 电源电压供电下， 功率增益为 22dB，1dB 压缩点输出功率为 23dBm，对应的功率附加效率为 35%。 综上，本文基于 2.4GHz 无线接入方式的应用，采用 SMIC 0.18m RF CMOS 工艺，实 现了两种功率放大器从结构选择、电路、版图及后仿真、测试方案等方面的研究和设计，为 最终采用 CMOS 工艺设计实现实用的射频集成电路和射频产品奠定了良好的基础， 关键词：CMOS 功率放大器； 栅氧击穿； 变压器； 差分结构； 自偏置 杭州电子科技大学硕士学位论文 III ABSTRACT Rec
7、ently, with the development of wireless communication technology. Low cost, high transmission rate become the development trend of current mobile communications systems (3G, 4G, etc.) and various wireless access methods (wireless LAN, WiMAX, Bluetooth, etc.) RF transceiver systems consisted of by RF
8、IC set more high requirements for high integration, low-cost and low power. Advanced CMOS technology makes high integration, low cost, low-power radio frequency integrated circuits based on CMOS technology great progress, at present, low-noise amplifiers, mixers, voltage controlled oscillator of rad
9、io frequency systems and the digital baseband can be achieved single chip intergration based on CMOS technology, so, realizing power amplifier by CMOS technology become a higher integration trend. However, the low transconductance, low-breakdown voltage of the active devices and low-quality factor,
10、high-loss passive components of CMOS process make it difficulty to achieve high reliability Power Amplifier, Therefore, based on CMOS process to design a high power, high linearity and high efficiency RF power amplifier become a new challenges of radio integrated circuits design, but also a hot topi
11、c of current international research, but also a hot topic of current international research. Firstly, this thesis introduces the research situation at home and abroad of Power Amplifier at home and abroad from the chip-level, then introduces several linearization technologies of Power Amplifier. Sec
12、ondly, we discusse the design challenges of Power Amplifier design by CMOS technology. Including the low breakdown voltage of the active MOSFET devices, low transconductance, Knee voltage problems and the low quality factor and high loss of passive components and high conductivity substrate, etc. We
13、 emphasis the mechanism of oxide breakdown and hot carrier effect and its effect on Power Amplifier design, and thus discuss a number of existing coping strategies and design methods. Based on the above analysis, we design a single-ended and differential fully-integrated 2.4GHz Power Amplifier based
14、 on SMIC 0.18m RF CMOS technology, respectively which have been tapeout. 2.4GHz single-ended Power Amplifier uses two-stage amplifiying structure with AB type of operation, drive stage adopts self-baised Cascode structures, which donot noly increase the gain and reverse isolation, but also alleviate
15、 the danger of oxide breakdown and hot carrier effect, power stage uses the thick MOS transistor to improve the output power in a higher operation voltage, with a supply voltage of 3V, its power gain is 23.8dB, P1dB is 22dBm, with 31% of PAE at P1dB. 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV because the parasitic inductor
16、of source of Single-ended PA has a great effect on stability. Moreover, the PA interferes other circuits by substrate coupling easily, the characteristics of virtual ground of the source and drain of differential structure and twice of operation frequency to inject to the substrate, Consequently, this differential structure can improve the stability and reduce the substrate coupling effectly. Therefore, based on the above considerations and the requirements of higher levels of integratio
