硅基功率放大器和低功耗混频器研究

发布时间：2020-04-22 03:44

【摘要】：随着现代通讯技术日新月异的发展与更新,5G移动通信、物联网、车联网不断地引起学术界和工业界的广泛关注,具有广阔的应用前景和市场潜力。人们对无线通讯的需求也要求无线通讯设备能在任何时间、任何地点使用,因而拥有更小的尺寸、更低的功耗、更好的性能的通讯设备也越来越受到人们的追捧,这些需求极大的促进了集成电路产业的蓬勃发展。传统的III-V族(如GaAs、InP等)材料芯片虽然具有较高的线性度和较高的功率效率,但成本高、不易于集成、热导性能较差等不可忽视的缺点成为了人们追求小型化、低功耗、低成本的巨大阻碍。SiGe工艺与Si工艺可以兼容,有着极高的集成度,而且制造成本家较低,功耗也很低,未来将逐渐取代III-V族材料芯片在市场的地位,高性能硅基通讯芯片的设计和研究对满足人们对无线通信系统的需求、对无线通信系统的发展有着举足轻重的意义。基于以上,本文基于IBM 0.13-μm SiGe BiCMOS 8HP工艺,研究设计了一种物联网频段(LoRa(470M-510MHz)、eMTC(700M-960MHz)、NB-IoT(700M-960MHz))的功率放大器和基于IBM 0.13-μm CMOS工艺,研究设计了一种车联网频段(5.9GHz)低功耗混频器。其中功率放大器在传统的Cascode(共源共栅)结构的基础上,采用多重(5层)堆叠结构,增大输出电压的摆幅从而增大输出功率。在输出功率一定的情况下,使用多层晶体管叠加的结构,可极大减小电流,低频时,由于使用的电感较大,此方法可减小电感的截面宽度从而减小电感面积。同时放大器输入输出使用RC反馈的形式,增大电路的稳定性。另外,低功耗混频器在传统的基尔伯特结构的基础上,去掉尾电流源,使用LC并联作为负载,减少电路的堆叠来减小电源电压,达到减少功耗的效果;次外,使跨导级的晶体管工作在亚阈值区,也大大减小了电路的功耗。本文所设计的物联网频段功率放大器的版图后仿真结果:在7.5V的电源电压下,小信号增益大于20dB,最大输出功率为28.1dBm,1dB压缩点输出功率为26.5dBm,最大的功率附加效率(PAE)大于41%,芯片面积(包括PAD)为1.26mm×1.12mm。车联网频段低功耗混频器的版图后仿真结果:在1.1V的电源电压下,变频增益为5.8dB,输出P1dB为-2.4dBm,功耗为0.985mW,输出3阶交调为5.1dBm。核心电路的芯片面积为440μm×360μm。
【图文】：

硅基功率放大器和低功耗混频器研究

并行A&B功率放大器

照片,功率放大器

(a) (b)图 1-2 2.4G 功率放大器。(a)放大器原理图；(b)放大器实物照片2014 年，Los Angeles 南加州大学的 Kunal Datta 等人采用 0.13-μm SiGe BiCMOS工艺，，通过单元对功率的适当组合，实现了一种高效的瓦特级 ClassE 功率放大器，峰值输出功率达到 20dBm，峰值 PAE 达到 31.5%，并且使用两层堆叠和三层堆叠晶体管的方式使输出功率达到 23.4dBm，效率达到 34.9%[7]，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722.75

【参考文献】