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功率放大器作为无线通信系统中核心组成部分,其输出功率、带宽、效率等严重制约着系统的功耗以及传输距离等指标。因此,为了提高系统的整体性能,设计一款性能优越的宽带高效功率放大器至关重要。然而,基于传统的III-V族化合物工艺设计的功率放大器虽然能实现较高的输出功率,但该工艺成本较高,而CMOS工艺由于具有应用广泛,易于系统集成等若干优点,随着无线连接设备的成倍增长,必然成为系统小型化及低成本的最佳工艺选择。另一方面,CMOS器件性能受外部环境温度以及自热效应的影响明显,导致所实现的系统具有很大的温度依赖性,温度变化会引发功率放大器增益变化以及线性度下降等一系列问题。因此,对功率放大器的温度补偿电路的研究正逐渐成为热点。
因此,基于上述两方面问题,本文主要讨论了基于CMOS工艺的宽带功率放大器的实现方法,以及针对堆叠结构功率放大器的温度补偿电路进行了研究。下面是对本文主要工作以及创新点的总结:
(1)针对目前几种典型的宽带电路结构在VHF/UHF频带中存在的无源器件损耗大、占用面积大等问题,提出一款采用0.18μmCMOS工艺的0.1-1.5GHz超宽带堆叠功率放大器。通过使用两级四层堆叠结构和反馈技术结合,使功率放大器呈现出超宽带的特性。并且无需使用额外的匹配网络,既可以实现宽带阻抗匹配又缩小了芯片面积,测试结果显示,功放的增益平坦度为22.3±1.5dB,饱和输出功率为22dBm,最大功率附加效率为20%,输入回波损耗小于-10.8dB,输出回波损耗小于-9.6dB。
(2)针对CMOS器件性能受外部环境温度以及自热效影响明显的问题,提出一种新型的针对堆叠结构的温度补偿电路。基于此方法设计了两款带温度补偿网络的堆叠功率放大器,一款是单端堆叠功率放大器,另一款是差分堆叠功率放大器。仿真结果表明,两款电路均覆盖Ka波段,实现了25-40GHz的宽带性能,单端电路实现最大输出功率为20.1dBm,带内功率附加效率为20%-30%,在-40℃到125℃范围内,采用新型温补偏置网络与传统偏置电路相比,小信号增益的温度波动从2.2dB改善到0.1dB。差分电路饱和输出功率为24.7dBm,带内功率附加效率为27%-36%,小信号增益的温度波动从2.4dB改善到0.1dB。
因此,基于上述两方面问题,本文主要讨论了基于CMOS工艺的宽带功率放大器的实现方法,以及针对堆叠结构功率放大器的温度补偿电路进行了研究。下面是对本文主要工作以及创新点的总结:
(1)针对目前几种典型的宽带电路结构在VHF/UHF频带中存在的无源器件损耗大、占用面积大等问题,提出一款采用0.18μmCMOS工艺的0.1-1.5GHz超宽带堆叠功率放大器。通过使用两级四层堆叠结构和反馈技术结合,使功率放大器呈现出超宽带的特性。并且无需使用额外的匹配网络,既可以实现宽带阻抗匹配又缩小了芯片面积,测试结果显示,功放的增益平坦度为22.3±1.5dB,饱和输出功率为22dBm,最大功率附加效率为20%,输入回波损耗小于-10.8dB,输出回波损耗小于-9.6dB。
(2)针对CMOS器件性能受外部环境温度以及自热效影响明显的问题,提出一种新型的针对堆叠结构的温度补偿电路。基于此方法设计了两款带温度补偿网络的堆叠功率放大器,一款是单端堆叠功率放大器,另一款是差分堆叠功率放大器。仿真结果表明,两款电路均覆盖Ka波段,实现了25-40GHz的宽带性能,单端电路实现最大输出功率为20.1dBm,带内功率附加效率为20%-30%,在-40℃到125℃范围内,采用新型温补偏置网络与传统偏置电路相比,小信号增益的温度波动从2.2dB改善到0.1dB。差分电路饱和输出功率为24.7dBm,带内功率附加效率为27%-36%,小信号增益的温度波动从2.4dB改善到0.1dB。