cmos射頻功率放大器綜述

CMOS射頻功率放大器

綜述

報(bào)告人：羅樂〔1502202121〕時(shí)間：2021年4月20日目錄CMOS功率放大器的概述研究背景及目的CMOS功放的特點(diǎn)及其現(xiàn)狀射頻器件及技術(shù)的開展射頻功率放大器的應(yīng)用CMOS功率放大器的設(shè)計(jì)根底總結(jié)和展望參考文獻(xiàn)一、CMOS功率放大器的概述

研究背景及目的射頻功率放大器是射頻收發(fā)(T/R)組件中的重要模塊，它的作用是將射頻信號(hào)放大到足夠高的功率電平，然后通過天線發(fā)射出去。射頻功率放大器可以保證無線信號(hào)的可靠傳輸，其性能好壞直接決定著整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)。射頻收發(fā)組件廣泛應(yīng)用在軍用和民用事業(yè)中，包括全球定位系統(tǒng)，通信，導(dǎo)航，雷達(dá)，播送電視等。射頻T/R組件的開展方向是實(shí)現(xiàn)低本錢，低功耗，高性能高集成度的SOC芯片。當(dāng)前微電子技術(shù)開展迅猛，新工藝新材料技術(shù)不斷走向成熟，從而大大推動(dòng)了微波單片集成電路的開展。現(xiàn)代無線通信的開展不可防止的要求把數(shù)字、模擬甚至是射頻模塊集成在一起。為了減少本錢，目前開展的趨勢即是采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的片上集成。無論是學(xué)術(shù)界，還是業(yè)界，都已出現(xiàn)了性能優(yōu)異的產(chǎn)品或者樣片。無線通信市場劇烈的競爭不僅要求無線通信系統(tǒng)完成根本通信功能，更對(duì)其提出了低本錢、高效率及高可靠性等性能要求。因此，采用CMOS工藝將無線收發(fā)機(jī)更多模塊集成在一個(gè)芯片上逐慚成為無線通信技術(shù)的開展趨勢。CMOS功放的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀CMOS工藝在基帶，電源管理，DSP,混頻器，低噪聲放大器，壓控振蕩器等關(guān)鍵組件上的集成得到了廣泛的應(yīng)用。但是功率放大器(PA)在CMOS工藝下的應(yīng)用并不廣泛，功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。本錢方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較廉價(jià)，但CMOS功放幅員面積比較大。再加上CMOSPA復(fù)雜的設(shè)計(jì)所投入的研發(fā)本錢較高，使得CMOS功放整體的本錢優(yōu)勢并不那么明顯。性能方面，CMOS功率放大器在線性度，輸出功率，效率等方面的性能較差。CMOS工藝固有的缺點(diǎn):膝點(diǎn)電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。CMOS工藝與其他工藝的比較射頻器件開展射頻功率放大器的應(yīng)用射頻功率放大器由于具有工作電壓低、尺寸小、線性度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)以及各種工業(yè)裝備中。在軍用與鐵路通信中，功率放大器通常被用于無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、軍用雷達(dá)的核心器件。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)中，要求數(shù)據(jù)傳輸速率到達(dá)2Mbit/s，單個(gè)信號(hào)的帶寬達(dá)5MHz，這就需要PA具有寬帶特性。為了降低通信運(yùn)營商的運(yùn)營本錢，減小冷卻本錢，易于熱控制，就要求提高PA的效率。為了減小功率放大的級(jí)數(shù)和功率管的使用數(shù)量，以更低的功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，降低本錢，就要求提高放大器的增益。二、CMOS功率放大器的設(shè)計(jì)根底功率放大器的分類開關(guān)型功率放大器〔SwitchingModePA,SMPA)

SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能到達(dá)100%。單級(jí)功率放大器設(shè)計(jì)單級(jí)功率放大器的結(jié)構(gòu)單級(jí)功率放大器是放大器的最根本組成單元，研究單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)方法，是設(shè)計(jì)其他類型功率放大器的根底。一個(gè)完整的單級(jí)功率放大器除了功率器件以外，還包括輸入匹配電路，輸出匹配電路，穩(wěn)定電路，偏置電路，隔直電路。射頻功率放大器指標(biāo)性能

射頻功率放大器指標(biāo)性能

功率放大器的線性化技術(shù)目前己經(jīng)提出并得到廣泛應(yīng)用的功率放大器線性化技術(shù)包括，功率回退，負(fù)反響，前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)(EER)，利用非線性元件進(jìn)行線性放大(LINC)。較復(fù)雜的線性化技術(shù)，如前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)，使用非線性元件進(jìn)行線性放大，它們對(duì)放大器線性度的改善效果比較好。而實(shí)現(xiàn)比較容易的線性化技術(shù)，比方功率回退，負(fù)反響，這幾個(gè)技術(shù)對(duì)線性度的改善就比較有限。功率放大器的線性化技術(shù)比較Lange耦合器幅員由集總參數(shù)元件等效的Wilkinson型功分器Wilkinson功分器幅員三、總結(jié)和展望國外在射頻領(lǐng)域起步較早，技術(shù)上的優(yōu)勢明顯，一些世界知名的企業(yè)己經(jīng)成為了行業(yè)內(nèi)的佼佼者，例如:半導(dǎo)體行業(yè)的freescale,TI,ADI,ST等;在射頻測試測量行業(yè)內(nèi)的安捷倫公司、美國國家儀器NI等;在整機(jī)功率放大器行業(yè)的美國AR公司等。國內(nèi)的射頻研究起步較晚，無論是在理論研究，器件工藝和系統(tǒng)整體方面都處在相對(duì)初級(jí)階段，由于受到軍工產(chǎn)品禁運(yùn)限制，很多高功率、高頻率、高效率的射頻功率放大器禁止出口中國。功率放大器在航天科技、衛(wèi)星通信、軍用通信等方面的作用巨大，只有掌握射頻電路設(shè)計(jì)核心技術(shù)，提高半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工藝，才是突破國外廠商技術(shù)封鎖的唯一途徑。我國對(duì)于高精密設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)越來越重視，國家也提出了針對(duì)核心電子器件等領(lǐng)域的“核高基〞方案，國內(nèi)對(duì)于射頻技術(shù)的研究也在不斷進(jìn)步，一些學(xué)者的研究成果在國際會(huì)議和期刊上取得了較為矚目的成果。目前我國在民用商用射頻功率放大器和射頻接收機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)能力己經(jīng)有了質(zhì)的提高，這也是我國技術(shù)實(shí)力和綜合國際不斷提高的重要標(biāo)志，相信在將來，我國在射頻領(lǐng)域科技開展水平會(huì)得到不斷的提高。參考文獻(xiàn)[1]王志華，吳恩德，“CMOS射頻集成電路的現(xiàn)狀與進(jìn)展〞，電子學(xué)報(bào)，2001.[2]TimothyC.KuoandBruceB.Lusignan,“A1.5WClass-FRFPowerAmplifierin0.2μmCMOSTechnology〞,inIEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference,2001.[3]AlirezaShirvani,DavidK.SuandBruceA.Wooley,“ACMOSRFPowerAmplifierwithParallelAmplificationforEfficientPowerControl〞,inIEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference,2001.[4]MonaM.HellaandMohammedIsmail,“ADigitallyControlledCMOSRFPowerAmplifier〞,inIEEEMidwestSymposiumonCircuits&Systems,2001.[5]Y.Kim,C.Park,H.KimandS.Hong,“CMOSRFpoweramplifierwithreconfigurabletransformer〞,inELECTRONICSLETTERS,March2006.參考文獻(xiàn)[6]PatrickReynaertandMichielSteyaert,“AFullyIntegratedCMOSRFPowerAmplifierwithParallelPowerCombiningandPowerControl〞,inIEEEAsianSolid-StateCircuitsConference,2005.[7]N.Srirattana,P.Sen,H.-M.Park,C.-H.Lee,P.E.Allen,andJ.Laskar,“LinearRFCMOSPowerAmplifierwithImprovedEfficiencyandLinearityinWidePowerLevels〞,inIEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium,2005.[8]戚威，“射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)〞，碩士學(xué)位論文，2021.[9]HongtakLee,ChangkunPark,andSongcheolHong,“AQuasi-Four-PairClass-ECMOSRFPowerAmplifierWithanIntegratedPassiveDeviceTransformer〞,IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,April2021.參考文獻(xiàn)[10]FadaYu,EnlingLi,YingXue,XueWangandYongxiaYuan,“Designof2.1GHzRFCMOSPowerAmplifierfor3G〞,inInternationalConferenceonNetworksSecurity,WirelessCommunicationsandTrustedComputing,2021.[11]BrechtFran?oisandPatrickReynaert,“AFullyIntegratedWatt-LevelLinear900-MHzCMOSRFPowerAmplifierforLTE-Applications〞,IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,June2021.[12]Shiang-YuTsai,Chun-YuLin,Li-WeiChuandMing-DouKer,“DesignofESDProtectionforRFCMOSPowerAmplifierwithInductorinMatchingNetwork〞,inIEEEAsiaPacificConferenceonCircuits&Systems,2021.[13]SeunghoonKang,BonhoonKoo,andSongcheolHong,“ADual-ModeRFCMOSPowerAmplifierwithNonlinearCapacitanceCompensation〞,inAsia-PacificMicrowaveConference,2021.參考文獻(xiàn)[14]SunghwanPark,Jung-LinWoo,UnhaKimandYoungwooKwon,“BroadbandCMOSStackedRFPowerAmplifierUsingReconfigurableInterstageNetworkforWidebandEnvelopeTracking〞,IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,April2021.[15]NathalieDeltimple,MarcosL.Carneiro,EricKerhervé,PauloH.P.Carvalho,DidierBelot,“IntegratedDohertyRFCMOSPowerAmplifierdesignforAverageEfficiencyEnhancement〞,inIEEEInternationalWirelessSymposium,2021.[16]EarlMcCune,“ATechnicalFoundationforRFCMOSPowerAmplifiers,Part2:Poweramplifierarchitectures〞,IEEESOLID-STATECIRCUITSMAGAZINE,Fall2021.

參考文獻(xiàn)[17]MuhammadAbdullahKhan,AhmedFaroukAref,Muh-DeyWeiandRenatoNegra,“Highlylinearandreliablelowbandclass-ORFpoweramplifierin130nmCMOStechnologyfor4GLTE