130nm CMOS无线发射机基本模块的研究与设计

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无线通信系统自诞生以来,越来越广泛应用在生活生产中。上变频混频器和射频功率放大器是无线发射前端的两个基本模块。功率放大器,作为无线发射机功耗最大的部分,影响着系统的总功耗和效率。片上集成的射频模块能减少面积和干扰,有效节约成本。本文基于Global Foundry130nm工艺,针对低功率场景,设计了低功率发射机的上变频混频器和射频功率放大器模块,针对高功率高效率场景,设计了高效率自举共源共栅结构的E类功率放大器。  功耗是集成电路设计的重要考虑因素。低功率无线通信项目的发射机指标要求变频到3GHz载波上,输出信号功率超过0dBm。本文通过设计有源双平衡结构的上变频混频器和Push-pull Class AB结构的射频功率放大器,实现了这一指标。并且射频功率放大器效率达到38.7%,能够节省功耗。  随着晶体管尺寸缩小,晶体管能承受的压降逐渐降低,这给大功率输出的功率放大器设计带来了挑战。尤其是开关类的E类功率放大器,虽然它能达到很高的效率,但是最大压降较高,有击穿或削减器件寿命的危险。理论计算表明,自偏置和自举共源共栅结构的E类功率放大器能工作在比普通共源共栅结构高44%的电源电压下。对比实验表明,自举共源共栅可以通过更小的共源共栅管栅压摆幅,实现更高的工作效率。后端仿真结果表明,自举共源共栅系统在1.6V电源电压下正常工作,输出18dBm的功率,效率达到43.2%。此结构可以尝试进一步拓展到其他多种E/F族功率放大器中,或者运用在包络消除与恢复功率放大器等更复杂的结构里。  本文的Class AB功率放大器和Class E功率放大器起到互为补充的效果。E类功率放大器适合大功率输出,但是作为130nm工艺下的开关类功率放大器在高频工作会有较大的开关损耗。并且大功率的功率放大器在功率回退时效率会快速降低,不适合小功率输出。针对不同背景,本文两个功率放大器互为补充,工作频率一高一低,输出功率一大一小,都取得了很高的效率。
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