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基于RF CMOS工艺低噪声放大器和功率放大器设计

徐胜军  
【摘要】:随着无线通信技术的迅速发展和CMOS工艺的不断提高,使得基于CMOS工艺实现的无线射频集成电路(RFIC)得到更加广泛应用,并向低成本、低功耗、小尺寸、高集成度、多标准、多频段的方向发展。并使得传统用GaAs、BiCMOS工艺实现的RFIC已经可以在CMOS工艺上实现,并具有与数字基带电路集成的优势,为实现系统级芯片(SoC)奠定了良好的基础。因此,本文基于CMOS工艺设计了一个工作在900MHz/1900MHz双频段低噪声放大器和工作在2.4GHz的高效率Doherty功率放大器。 首先,介绍了课题背景、研究意义以及国内外双频段低噪声放大器和Doherty功率放大器的研究现状。论文在总结了相关文献资料的基础上,对放大器主要性能参数、低噪声放大器常见的输入阻抗匹配结构、二端口噪声理论和MOSFET二端口噪声参数、功耗约束下的低噪声放大器的噪声优化进行了分析。接着论文为节省面积采用电感改进技术,为降低功耗采用了电流复用技术并分析了多种电流复用结构的优缺点以及改进方法,最后分别对输入输出端进行了双频段匹配分析。双频段低噪声放大器工作在1.8V电源电压下,仿真结果表明同时工作在900MHz/1900MHz上的增益均大于16dB,噪声系数均小于2.8dB,并具有良好的输入输出匹配。 其次,本文对功率放大器的性能参数、工作类型和提高功率放大器效率的几种技术进行了分析,并提出了Doherty功率放大器的设计。接着对Doherty技术功率放大器的基本原理进行了分析和总结。针对Doherty功率放大器的线性度,分别对主功率放大器和辅功率放大器的偏置电压做了gm3分析。为提高Doherty功率放大器的耐压性,阐述了CMOS工艺下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。针对CMOS工艺下的这两大挑战,本文设计的2.4GHz Doherty功率放大器功率级利用厚栅器件,驱动级采用自偏置的共源共栅结构,并对传统的自偏置结构和改进型自偏置结构做了对比,证明改进型的自偏置共栅管(M2)的Vgd的电压差相对传统结构的共栅管(M2)降低了22%。电路工作在3.3V电源电压下,仿真得到的功率增益为18.6dB,1dB压缩点功率附加效率为46.6%,对应的输出功率为26.6dBm。从1dB压缩点处输入功率回退6dB的功率附加效率仍然达到较高的31.3%和输出功率为22.8dBm。 最后,电路版图进行设计,详细概括了设计版图时要注意的规则,然后分别就低噪声放大器和功率放大器的版图做了特殊了设计。


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