一种2.4GHz CMOS射频开关和功率放大器的设计

发布时间：2017-08-24 08:11

  本文关键词：一种2.4GHz CMOS射频开关和功率放大器的设计

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【摘要】：现今,无线通信系统的技术有了巨大的进步,新型的收发机架构和电路的出现,使数据传输仅消耗较小的功率,就能更快的传递到更远的地区。具有集成度和成本等显著亮点的CMOS技术的出现,使现代无线通信产品的集成度、功耗以及成本都达到了前所未有的水平。RF CMOS开关的关键指标是插入损耗、隔离度和线性度,三者之间存在一定的相互制约因素。所以,如何在保证隔离度较好的情况下,提高RF开关的线性度,是RF CMOS开关一直面临的问题。而RF CMOS PA性能好坏主要由线性度、输出功率及效率等因素决定,故RF CMOS PA面临的主要问题则是如何在其满足线性度较高的情况下使效率得到改善。因此,采用CMOS工艺设计高性能的RF开关和PA非常具有挑战性,也是国内外的主要研究方向。本文的设计为一种2.4GHzCMOS射频开关及功率放大器,其中RF收发开关采用非对称单刀双掷结构。为了提高射频收发开关每个MOS管的功率处理能力,使信号电压均匀分布,本设计采用交流悬浮偏压和前馈电容技术。并且,本设计还采用双悬浮的CMOS工艺三阱设计方法,通过将P阱与深N阱用一个大电阻悬浮的方式来提高开关的隔离度和线性度。本文RF CMOS PA的设计为两级级联的共源共栅AB类放大器,本设计在功率级添加了一个预失真电路,通过抵消其失真的增益和相位来提高PA的线性度。此外,为改善PA的功率附加效率(PAE),本设计对驱动级和功率级的偏置电流进行控制,使PA可以切换于高低功率两种工作模式,由此使多余的功率损耗降低,进而提升PA的工作效率。本文设计的RF CMOS收发开关已流片并完成测试,其测试结果为,在频率为2.4GHz时,发射路径的插入损耗约为1.04dB,隔离度能达到34.82dB,输出功率的1dB压缩点为35.58dBm左右。而RF CMOSPA也已完成版图设计并进行后仿真,其后仿真结果为,在2.4-2.5GHz频段,最大增益为33.18dB,输出功率的1dB压缩点为22.06dBm,最大功率附加效率为34.55%。本文设计的2.4GHzCMOS射频开关及功率放大器,均满足设计要求,对推动无线局域网的发展有一定的贡献。
【关键词】：射频集成电路 CMOS工艺 射频开关 功率放大器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.75
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 研究内容与设计指标14-15
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 设计指标15
• 1.4 论文组织15-18
• 第二章 RF开关和PA的关键指标与问题分析18-32
• 2.1 RF开关的关键指标与问题分析18-23
• 2.1.1 传统RF CMOS收发开关的电路结构18-19
• 2.1.2 插入损耗19-20
• 2.1.3 隔离度20
• 2.1.4 线性度20-22
• 2.1.5 RF CMOS开关面临的问题22-23
• 2.2 RF PA的关键指标与问题分析23-31
• 2.2.1 传统RF CMOS PA的电路结构23-24
• 2.2.2 RF PA的分类24-28
• 2.2.3 输出功率28-29
• 2.2.4 效率和增益29-30
• 2.2.5 功率容量30
• 2.2.6 负载牵引技术30-31
• 2.2.7 RF CMOS PA面临的问题31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的设计32-42
• 3.1 RF CMOS开关面临问题的分析32-33
• 3.2 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的电路设计33-40
• 3.2.1 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的整体电路结构33-34
• 3.2.2 单个晶体管的分析34-36
• 3.2.3 叠加晶体管的数量设计36
• 3.2.4 交流悬浮偏压技术36
• 3.2.5 前馈电容技术36-38
• 3.2.6 一种双悬浮的CMOS三阱设计方法38-39
• 3.2.7 天线效应的消除方法39-40
• 3.3 RF CMOS非对称SPDT单刀双掷开关的版图设计40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 RF CMOS高效率PA的设计42-52
• 4.1 RF CMOS PA面临问题的分析42
• 4.2 RF CMOS高效率PA的电路设计42-48
• 4.2.1 RF CMOS高效率PA的原理图42-43
• 4.2.2 RF CMOS高效率PA的整体电路结构43-44
• 4.2.3 功率级电路设计44-46
• 4.2.4 驱动级电路设计46-48
• 4.3 RF CMOS高效率PA的阻抗匹配48-50
• 4.3.1 输出匹配网络48-49
• 4.3.2 级间匹配网络49-50
• 4.3.3 输入匹配网络50
• 4.4 RF CMOS高效率PA的版图设计50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 实验结果分析52-60
• 5.1 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的仿真及测试结果52-55
• 5.1.1 R.F CMOS非对称单刀双掷收发开关的前仿真结果52-53
• 5.1.2 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的后仿真结果53-54
• 5.1.3 RF CMOS非对称单刀双掷收发开关的测试结果54-55
• 5.2 RF CMOS高效率PA的仿真结果55-58
• 5.2.1 RF CMOS高效率PA的前仿真结果55-57
• 5.2.2 RF CMOS高效率PA的后仿真结果57-58
• 5.3 本章小结58-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68

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本文编号：730163