多模多标准发射机中包络跟踪功率放大器设计

发布时间：2017-10-15 21:07

  本文关键词：多模多标准发射机中包络跟踪功率放大器设计

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【摘要】：随着无线通信技术的进步和其应用范围的扩展,新的通信模式和标准不断产生。为满足人们生活中的不同需求,支持多种通信模式的射频收发机不可或缺。为了提高数据传输速率,新技术中采用频谱利用更高效的非恒包络调制方式,极大地提高了信号的动态范围和峰均功率比,然而采用传统功率回退法设计的射频功率放大器效率很低,难以满足便携式设备对能耗的要求。因此,设计支持多种复杂通信标准、高集成度、高线性度、高效率的射频功率放大器具有重要的研究意义和实用价值。本文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一种包络跟踪功率放大器,可满足1.85-2.7GHz频段内多种通信标准的应用,提高了非恒包络调制信号输出时的平均效率。该系统主要包括了包络检波器、包络调制器和宽带AB类功率放大器几个部分,其中包络检波器提取出射频信号的包络,包络调制器根据包络信号幅度来动态调整功率放大器的供电电压以提高其效率。功率放大器作为该电路的核心模块,采用两级差分线性放大器结构,设计中利用有耗匹配网络、匹配补偿、低Q值多节匹配等技术,满足了宽工作频带内的指标要求。后仿真结果表明,在工作频率1.85-2.7GHz内,功放的最大输出功率超过24dBm,功率增益超过20dB,输出1dB压缩点超过21.8dBm,1dB压缩点处的功率附加效率大于21.2%,S11小于-15dBm,具有良好的输入匹配特性,满足应用要求。在非恒包络信号LTE 16QAM 5MHz和CDMA输入时,功率放大器的平均PAE超过21%,整个ETPA系统的效率超过11%,比固定电压下的平均效率提高了5%～7%,实现了效率增强的目的。本课题所设计的包络跟踪功率放大器具有较大的工作带宽,提高了高峰均功率比信号输入时的效率,适用于多种无线通信标准。可以经过进一步优化,应用于对效率和线性度较高的多模多频发射系统中。
【关键词】：多模收发机 包络跟踪 宽带功率放大器 CMOS工艺 效率增强
【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;TN830
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 多模多频功率放大器发展动态10-11
• 1.2.2 包络跟踪功率放大器研究状况与发展动态11-12
• 1.3 研究内容与设计指标12-13
• 1.3.1 研究内容12
• 1.3.2 设计指标12-13
• 1.4 论文结构13-15
• 第2章 功率放大器设计基础15-31
• 2.1 主要性能指标15-19
• 2.1.1 输出功率15-16
• 2.1.2 功率增益16
• 2.1.3 效率16-17
• 2.1.4 线性度17-19
• 2.2 线性功率放大器19-24
• 2.2.1 基本电路模型20
• 2.2.2 工作类型与波形分析20-22
• 2.2.3 线性度、输出功率与效率分析22-24
• 2.3 共轭匹配与负载线匹配24-25
• 2.4 负载线理论与负载牵引25-29
• 2.4.1 负载线理论25-28
• 2.4.2 负载牵引28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 宽带CMOS功率放大器设计31-51
• 3.1 设计难点及制约因素31-34
• 3.1.1 工艺和器件限制31-33
• 3.1.2 宽带设计的限制33-34
• 3.2 宽带功率放大器设计技术34-38
• 3.2.1 匹配补偿34-35
• 3.2.2 有耗匹配35
• 3.2.3 低Q值多节匹配35-37
• 3.2.4 负反馈放大器37
• 3.2.5 平衡式放大器37-38
• 3.3 宽带CMOS功率放大器的设计指标38-39
• 3.4 宽带CMOS功率放大器的设计方案39-40
• 3.5 宽带CMOS功率放大器的电路设计40-49
• 3.5.1 功率级和驱动级晶体管尺寸设计40-41
• 3.5.2 稳定性分析41-43
• 3.5.3 输出匹配网络设计43-45
• 3.5.4 输入匹配网络设计45-46
• 3.5.5 级间匹配网络设计46
• 3.5.6 整体功放电路结构46-47
• 3.5.7 宽带功率放大器前仿真47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 包络跟踪功率放大器系统设计51-67
• 4.1 包络跟踪功率放大器系统介绍51-54
• 4.1.1 系统架构51
• 4.1.2 效率提升原理51-54
• 4.2 包络检波器设计54-56
• 4.2.1 二级管检波器54-55
• 4.2.2 伪复型包络检测器55-56
• 4.3 包络调制器设计56-66
• 4.3.1 包络调制器工作原理56-58
• 4.3.2 包络调制器工作状态分析58-60
• 4.3.3 运算放大器设计60-61
• 4.3.4 迟滞比较器设计61-62
• 4.3.5 Buck型DC-DC变换器的设计62-63
• 4.3.6 偏置电路设计63-64
• 4.3.7 包络调制器前仿真64-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 包络跟踪功率放大器的版图设计与后仿真67-77
• 5.1 版图设计的考虑因素67-70
• 5.1.1 对称匹配性67-68
• 5.1.2 金属线宽68
• 5.1.3 延时一致性68-69
• 5.1.4 闩锁效应69
• 5.1.5 ESD保护69-70
• 5.2 包络跟踪功率放大器的版图设计70-71
• 5.3 包络跟踪功率放大器的后仿真71-76
• 5.3.1 宽带功率放大器后仿真71-73
• 5.3.2 包络调制作用下功率放大器后仿真73-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第6章 总结与展望77-79
• 6.1 总结77
• 6.2 展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-85
• 攻读硕士期间发表的论文85

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本文编号：1038697