硅基微波功率放大器集成电路的研究

发布时间：2020-07-29 15:29

【摘要】：随着互联网中信息量的不断增长,人们对通信速率的要求也随之不断提高。为实现高速的无线通信系统,人们开始在微波及毫米波频段寻找未被开发的宽带的频谱。微波及毫米波前端电路是实现下一代高速通信系统的重要组成部分,其中功率放大器电路更是其中重要的模块。随着硅基集成工艺的特征尺寸不断缩小,硅基晶体管的特征频率得以不断提高。硅基工艺可以应用于微波及毫米波的功率放大电路,并和传统的III-V族化合物半导体电路相比,有着成本低、集成度高的优点。但硅基集成工艺仍面临着工作电压低、寄生效应大等缺点。通过合理的电路设计技术提高硅基功率放大器的性能,使其适用于未来的微波及毫米波通信系统,是一个重要的研究课题。本文的主要研究工作如下:1.基于变压器的宽带高效率谐波调制功率放大器的研究。通过分析CMOS晶体管的寄生效应,本文研究了利用反馈元件抵消晶体管寄生效应的方法,使晶体管的工作频率和性能得到提高。本文分析了使用层叠电路提高CMOS功率放大器输出功率的技术。针对传统的谐波调制电路面积和损耗大、不适合应用于集成电路的问题,本文利用变压器和差分电路的特点,提出了基于变压器的宽带谐波调制方法。基于变压器的方法降低了谐波调制电路的损耗,并达到了较宽的带宽。基于以上方法,本文设计了一款60 GHz高效率功率放大器,实验结果表明,其最大PAE达到16.3%,并实现了13 GHz的绝对带宽以及22.6%的相对带宽。2.基于电压合成技术的片上Doherty功率放大器的研究。通过对比分析电流合成型及电压合成型Doherty功率放大器的基本特征,本文提出了适用于微波及毫米波频段的无λ/4传输线的毫米波片上Doherty功率放大器方案。并分析了非对称阻抗对电压合成变压器的影响,提出了基于Marchand巴伦的平衡补偿型电压合成器。本文设计的电压合成型60 GHz Doherty功率放大器实现了最大16.8%的PAE和8.7%的6 dB功率回退效率。3.用于调频连续波雷达的群延时失真补偿功率放大器的研究。本文分析了功率放大器的群延时非线性失真对调频连续波雷达的影响,提出了基于全通网络的群延时失真补偿技术。本文设计的应用于24 GHz汽车雷达的功率放大器的群延时失真小于±5ps。经过补偿的群延时失真对雷达的影响得到大幅度减小。同时本文分析了用于稳定输出功率的自动增益控制环路,减小环境温度以及工艺的变化对调频连续波雷达输出功率的影响。4.微波及毫米波频段的空间功率合成及相控阵发射系统的研究。本文研究分析了相控阵系统的自测试电路。提出了降低相控阵系统自测试电路误差的方法。同时研究分析了降低移相器和衰减器误差的补偿技术。本文设计了一款Ku波段的带有自测试功能8通道相控阵发射机。实验结果表明,每个相控阵通道的发射功率达到13 dBm。自测试电路得到的结果和高频测试的结果吻合,具有代替高频测试的能力。5.基于双开关放大器的包络跟踪调制器的研究。针对双开关型包络跟踪放大器控制过程复杂、协同效率较低的问题,本文提出了简化的异步控制方式,提高了直流转换为包络信号的效率。本文基于180 nm CMOS工艺设计了一款用于LTE信号的包络跟踪调制器对提出的方法进行了验证,调制器整体效率达到86%。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75;TN40
【图文】：

传输线,功放,工艺,功率放大器

要被急切研究的。对于微波及毫米波雷达的应用，由于功率放大器失真会导致调频连续波雷达产生错误的判断，因此需要研究适用于达的低群延时失真的功率放大器。内外研究现状2004 年，IBM 公司使用 0.12umSiGeBiCMOS 工艺开发了工作在 6[59]，其中包含了一个 2 级的功率放大器，并使用了片上传输线作 1-1 所示。该功率放大器实现了 10.8 dB 的增益和 11.2 dBm 的输V 的工作电压下，该功率放大器达到了 1.4 dBm 的 IIP3，并消耗了。2006 年多伦多大学和台积电开发了基于 90 nm CMOS 工艺的 6器[60]，如图 1-2 所示。该放大器实现了 5.2 dB 的功率增益和 6.4 d。在 1.5V 的工作电压下，最大 PAE 为 7%。图 1-1 所示的功率放共发射级结构，图 1-2 所示的放大器使用了 A 类共源级结构，输较低。

功放,工艺,电开发,放大器

2006 年多伦多大学和台积电开发了基于 90 nm CMOS 工艺的 60 G大器[60]，如图 1-2 所示。该放大器实现了 5.2 dB 的功率增益和 6.4 dB率。在 1.5V 的工作电压下，最大 PAE 为 7%。图 1-1 所示的功率放大类共发射级结构，图 1-2 所示的放大器使用了 A 类共源级结构，输出均较低。图 1-1 基于 120nm SiGe 工艺和片上传输线的功放设计[59]

推挽功率放大器,层叠结构

第一章绪论为提高功率放大器的输出功率，IBM 开发了基于层叠结构的推挽式功率放大器[61]，如图 1-3 所示。层叠式的结构有效地提高了功率放大器的工作电压，在相同的工作电流下输出功率得到大幅度提高。在 4V 的工作电压下，该功率放大器实现了 20 dBm 的最大输出功率，并达到了 12.7%的最大 PAE。

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