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文檔簡介
1、隨著移動通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展,要求射頻前端模塊具有更高的集成度,更低的成本,同時能夠更加的適應未來移動通信系統(tǒng)的高帶寬要求。由于CMOS( Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝具有較低的成本,并且可以很好的實現(xiàn)普通的射頻小信號器件和邏輯控制電路,因此被看做實現(xiàn)單芯片射頻模塊的最有前途的工藝解決方案之一。但是由于CMOS晶體管本身較低的擊穿電壓,導性基片和無過孔工藝等限制,使得目前還無法設計實
2、用的射頻功率放大器(以下簡稱功放)。因此,本文針對CMOS工藝的特點,開展了對射頻CMOS功放結構和線性度加強技術的研究,設計實現(xiàn)了全集成的射頻CMOS功放。對于最終實現(xiàn)全集成的射頻前端模塊具有重大的現(xiàn)實意義。
首先,根據CMOS工藝的特點,提出了適合大信號工作條件下的CMOS功率元結構和等效分析模型。通過仿真優(yōu)化分析,得出了功率元的最優(yōu)單指柵寬和總柵寬等設計參數,并使用了0.18μm標準的CMOS工藝流片驗證,測試結果表明,
3、該功率元結構具有較低的損耗并與仿真模型符合較好,具有良好的可擴展性,為進一步設計高功率的CMOS功放提供了良好的基礎。
其次,利用傳輸線的奇偶理論設計了小尺寸,低損耗和高工作帶寬的在片轉換器。針對CMOS功率放大器常常采用差分結構的特點,使用傳輸線的奇偶理論分析了轉換器的帶寬和損耗等性能,提出了通過在輸入和輸出端加入集總電容可以降低轉換器的損耗并大幅減小轉換器尺寸,通過實際的加工流片測試,驗證了該設計方法的正確性。
4、第三,利用所提出的功率元結構和轉換器模型,以m-WiMAX(Mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access)為實際應用背景設計了超寬帶線性CMOS功放。通過輸出阻抗匹配電路對功放帶寬性能影響的分析,提出了通過將轉換器寄生參數綜合考慮到輸出阻抗匹配電路內以降低匹配阻抗隨頻率變化的響應,從而增加了功放的工作帶寬。以TSMC0.18μm CMOS工藝為基礎,首次在國內設計了全集成的
5、寬帶射頻功放,該功放所有輸入和輸出匹配均實現(xiàn)了在片集成,芯片全部尺寸僅為1.2mm×2mm,實際測試結果表明,該功放的工作帶寬達到1GHz。
第四,使用模擬預失真技術加強了CMOS功放的線性度。利用CMOS晶體管跨導具有較強的非線性的特點,在對其三次諧波分量特性分析的基礎上,通過調整驅動級和功率級的柵極偏置,使得他們在優(yōu)化功率范圍內的三次跨導分量相互抵消,提高了線性度。使用TSMC0.18μm CMOS工藝流片驗證理論分析,測
6、試結果表明,在24-27dBm的輸出功率范圍內,m-WiMAX功率譜改進了8dB以上。
最后,利用輸出匹配電容對轉換器工作頻點影響的特性,設計了可工作于2.5GHz和3.5GHz的雙頻段射頻CMOS功率放大器。通過開關切換在不同頻點下的匹配電容值,實現(xiàn)了轉換器的雙頻點的匹配;同時,通過對轉換器級間和輸入匹配的優(yōu)化設計,保證了功放在雙頻點工作狀態(tài)下的性能。使用Dongbu0.13μm CMOS工藝流片做仿真驗證分析和加工,實際測
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