【摘要】：隨著無線移動(dòng)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(dòng)通信(5G)的用戶體驗(yàn)速率將超過1Gbps,但是無線通信距離并沒有隨之改善。移動(dòng)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(hào)由功率放大器(Power Amplifier,PA)輸出,所以高輸出功率的PA設(shè)計(jì)對(duì)遠(yuǎn)距離通信極為重要。頻率資源的日益緊張導(dǎo)致無線收發(fā)器的工作頻率越來越高,更高的工作頻率進(jìn)一步增加了PA的設(shè)計(jì)難度,如應(yīng)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(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn),導(dǎo)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(gè)模塊,一般采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jì)難度�；谄瞎β屎铣善髟O(shè)計(jì)的CMOS PA可以解決以上問題,功率合成器將多個(gè)PA的輸出信號(hào)相加,降低每個(gè)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(jì)的CMOS PA可以實(shí)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(dá)到35dBm。盡管功率合成器在高輸出功率的CMOS PA中應(yīng)用廣泛,但是如何建立其等效電路模型尚缺乏深入研究,導(dǎo)致功率合成器的設(shè)計(jì)過程較為復(fù)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(duì)比分析不同片上功率合成器模型之間的區(qū)別,對(duì)功率合成器的性能進(jìn)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(jì)與仿真,驗(yàn)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(yīng)用于兩款CMOS PA的設(shè)計(jì)。本文主要內(nèi)容如下:首先,分析了CMOS工藝的特點(diǎn),研究金屬厚度和硅(Silicon,Si)襯底對(duì)片上器件的影響;對(duì)片上電感等效電路模型的建立和模型參數(shù)的提取進(jìn)行了深入研究,討論了趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),對(duì)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(yàn)證了電感等效電路模型的準(zhǔn)確度。給出片上電感的應(yīng)用實(shí)例:一個(gè)低相位噪聲的寬帶壓控振蕩器(Voltaged-Controlled Oscillator,VCO)。對(duì)片上變壓器建立等效電路模型,設(shè)計(jì)了不同線圈比的片上變壓器并進(jìn)行流片和測量,驗(yàn)證所提變壓器模型的準(zhǔn)確度。其次,分析了片上功率合成器的基本原理,對(duì)比片上功率合成器的不同模型,仿真驗(yàn)證不同損耗效應(yīng)對(duì)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(dǎo)了功率合成器性能和模型參數(shù)之間的計(jì)算公式,通過大量不同結(jié)構(gòu)片上功率合成器的設(shè)計(jì),驗(yàn)證了所提模型同時(shí)適用于GHz和mm-wave頻段。然后,基于功率合成器設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為2.45GHz的CMOS PA,功率合成器用來實(shí)現(xiàn)三個(gè)子PA的輸出信號(hào)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P(yáng)A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(duì)該功率合成器進(jìn)行深入的研究,通過仿真驗(yàn)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(yīng)用情況;基于該功率合成器設(shè)計(jì)了一款工作頻率為1.9GHz的CMOS PA,其中功率合成器用來實(shí)現(xiàn)四個(gè)子PA的輸出信號(hào)相加,該P(yáng)A采用MOSFET跨導(dǎo)補(bǔ)償和二次諧波短路技術(shù)來改善PA的線性度。基于TSMC 0.18μm 1P6M RFCMOS模型進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,該P(yáng)A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(jì)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(gè)片上變壓器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)功率合成，應(yīng)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(dá)到 31.5dBm、PAE 為 27%[62]；2015 年 ISSCC 會(huì)議，，Song Hu 采用兩個(gè)片上變壓器實(shí)現(xiàn) Doherty 功率放大器的輸出信號(hào)相加，該 PA 的最高輸出功率為26.7dBm，漏端效率可達(dá) 40.2%[63]。(a) ISSCC 2012[64](b) ISSCC 2013[65]

科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位表 2-2 所設(shè)計(jì)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(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN73;TN722

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本文編號(hào)：2546459