發(fā)布時間：2019-10-08 21:38

【摘要】：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-Controlled 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SMC 0.18μm 1P6M RFCMOS工藝流片,測試結(jié)果表明,該PA滿足IEEE 802.11b/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)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SMC 0.18μm 1P6M 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。
【圖文】：

CMOS PA[60]；2012 年 Jihwan Kim 采用功率合成器設(shè)計了一款輸出功率為 34 dBm、最高效率為 34.9%的 2.4GHz WLAN CMOS PA[61]；2012 年 Wei Tai 采用四個片上變壓器串聯(lián)實現(xiàn)功率合成，應用于 2.4GHz D 類功率放大器，在 2.4V 供電條件下，該 PA的最高輸出功率達到 31.5dBm、PAE 為 27%[62]；2015 年 ISSCC 會議，，Song Hu 采用兩個片上變壓器實現(xiàn) Doherty 功率放大器的輸出信號相加，該 PA 的最高輸出功率為26.7dBm，漏端效率可達 40.2%[63]。(a) ISSCC 2012[64](b) ISSCC 2013[65]

科 技 大 學 博 士 學 位表 2-2 所設(shè)計電感的等效電感模型參數(shù)Rs0( )Cox1(fF)Csi1(fF)Rsi1( )Cox2(fF)Csi2(fF)Rsi2( ).201 759.7 45.8 186.3 159.7 45.8 186.3 .323 258.2 5.54 160 118.2 5.54 260
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN73;TN722

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本文編號：2546459