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低压恒跨导增益提高CMOS运算放大器的设计

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半导体技术 2013年第9期38卷 651-655页

作者：周欢欢陈岚尹明会吕志强中国科学研究院微电子研究所北京100029

设计和研究了一种低压恒跨导增益提高互补金属氧化物半导体(CMOS)运算放大器。输入级采用互补差分对结构,使共模输入电压范围达到轨到轨,通过3倍电流镜控制尾电流使输入级总跨导恒定。中间级为增益提高级,通过反馈增大输出阻抗提高增益... 详细信息

设计和研究了一种低压恒跨导增益提高互补金属氧化物半导体(CMOS)运算放大器。输入级采用互补差分对结构,使共模输入电压范围达到轨到轨,通过3倍电流镜控制尾电流使输入级总跨导恒定。中间级为增益提高级,通过反馈增大输出阻抗提高增益。输出级采用ab类结构,通过米勒补偿控制零点使系统稳定,此运放可用于低压低功耗电子设备中。整个电路用CSMC 0.5μm BCDMOS工艺参数进行设计,工作电压为2.7 V。Spectre仿真结果显示,此运放实现了直流开环增益90 dB(负载电阻R L=600Ω),相位裕度70°,增益带宽积1.4 MHz,静态电流0.18 mA。设计的运算放大器满足设计指标。

关键词：互补金属氧化物半导体(CMOS)运算放大器 ab类低压增益提高恒跨导

基于0.28μm SOI CMOS工艺的2.45GHz功率放大器设计

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基于0.28μm SOI CMOS工艺的2.45GHz功率放大器设计

作者：包怡鹏东南大学

学位级别：硕士

随着无线射频收发机技术的发展,由射频传感器节点组成的无线传感网络(WSN)在环境监测、智能家居、物联网等领域有着广泛的应用,产生巨大经济效益的同时也在不断提高人类的生活质量,功率放大器(PA)作为无线通信系统中的重要模块,位于射... 详细信息

随着无线射频收发机技术的发展,由射频传感器节点组成的无线传感网络(WSN)在环境监测、智能家居、物联网等领域有着广泛的应用,产生巨大经济效益的同时也在不断提高人类的生活质量,功率放大器(PA)作为无线通信系统中的重要模块,位于射频发射机的后端,用于放大射频信号的功率,是射频收发机系统中消耗功率最大的模块,降低功耗可以有效提高节点电池的使用寿命,延长传感器节点的使用时间,对于提升无线传感网络系统的整体性能至关重要。因此,设计并实现低功耗高线性度的功率放大器具有重要意义。本文采用0.28μm SOI CMOS工艺,设计用于WSN系统的2.4～2.4835GHz高线性功率放大器。通过对各项指标的考量,整体电路包括输入匹配电路、驱动级电路、级间匹配电路、功率级电路和输出匹配电路。驱动级电路为共栅极结构,为射频输入信号提供一定大小增益的同时,通过选取合适的晶体管跨导起到输入匹配的作用。功率级电路主要作用是进行功率放大,其结构为共源共栅,共源晶体管采用偏置在A类和ab类的两个晶体管的并联结构以提高线性度。功率级电路采用三个支路并联的结构,通过开关控制各支路的通断来控制功率增益和输出功率,以实现七档功率增益。论文进行了电路设计、前仿真、版图设计和后仿真,后仿真结果表明,驱动级电源电压为1V,功率级电源电压为1.8V时,在TT工艺角27℃的状态下,在2.4～2.4835GHz频率范围内功率增益变化较小,功率放大器在2.45GHz频率点处小信号功率增益为22.5dB,OP1dB为12.8dBm,饱和输出功率大于16dBm,1dB压缩点处效率为21.3%。本文设计的功率放大器性能满足设计指标要求,可以应用于WSN射频收发机芯片中。

关键词：功率放大器线性度效率 SOI CMOS A类 ab类 WSN节点

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高效率滤波功率放大器

高效率滤波功率放大器

作者：王远波华南理工大学

学位级别：硕士

随着无线通信系统的日益发展,射频子系统需要满足高集成度、小型化和低功耗的要求。作为射频前端的关键组成部分,滤波器和功率放大器的性能直接影响到发射机的整体性能。一般来说,滤波器和功率放大器是相互独立设计,各自匹配到50Ω,最... 详细信息

随着无线通信系统的日益发展,射频子系统需要满足高集成度、小型化和低功耗的要求。作为射频前端的关键组成部分,滤波器和功率放大器的性能直接影响到发射机的整体性能。一般来说,滤波器和功率放大器是相互独立设计,各自匹配到50Ω,最后级联起来。在这种设计方式下,电路尺寸过大和级间失配会分布导致成本上升和性能下降。为了解决这个问题,滤波器和功率放大器的协同设计被提出。这种设计方法将滤波器嵌入到功率放大器的输出匹配网络,使得滤波器充当了阻抗转换的功能,也使得功率放大器获得良好的滤波响应。在上诉理论指导下,本文主要做了以下工作:1.介绍了射频功率放大器的基础知识理论,详细介绍了功率放大器的工作原理,指出了部分滤波功率放大器设计中的不足,提出了相应的解决方法。2.设计了一款中心频率在2.5 GHz的单频逆F类滤波功率放大器。在充分掌握设计原理的基础上,提出了一个十字形滤波器。文中给出了这个十字形滤波器详细的工作原理分析。此外,与传统的使用了四分之一波长微带的偏置电路不同,这个设计中的偏置电路直接通过滤波器的接地端加载进来。得益于十字形滤波器宽阻带抑制,输出匹配网络可以轻松地在本征面上使得二次谐波短路,三次谐波开路,满足逆F类功率放大器的匹配要求。最后为了验证,具备良好性能的宽阻带单频逆F类滤波功率放大器被设计并仿真出来。3.在单频滤波功率放大器的设计经验基础之上,设计了一款中心频率在分别为1.8GHz和2.4 GHz的双频滤波功率放大器。在分析双频滤波功放的难点后,提出了一个包含Levenberg-Marquard算法和Inpolygon算法的自动优化方法来降低双频高效率滤波功率放大器的设计难度。基于这种自动优化方法,一个新颖的双频阻抗转换器被充分分析并实现良好的阻抗匹配。通过这种方法,提出了一款具有良好滤波性能的双频高效率功率放大器。

关键词：协同设计功率放大器滤波器高效率 ab类双频滤波

基于SiC MESFET宽带功率放大器研究

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基于SiC MESFET宽带功率放大器研究

作者：万方文西安电子科技大学

学位级别：硕士

现代无线通信技术的发展,对射频功率放大器提出了越来越高的要求,如更宽的带宽,更大的输出功率等。而SiC MESFET的高的饱和电子速度、高的击穿电压、低的输出电容、很高的工作温度以及高的热导率等特点,使得基于它的宽带功率放大器在有... 详细信息

现代无线通信技术的发展,对射频功率放大器提出了越来越高的要求,如更宽的带宽,更大的输出功率等。而SiC MESFET的高的饱和电子速度、高的击穿电压、低的输出电容、很高的工作温度以及高的热导率等特点,使得基于它的宽带功率放大器在有源相控阵雷达、卫星通信和电子对抗设备中具有巨大的优势。本文基于CREE公司的CRF-24060 SiC MESFET设计了一款两级宽带功率放大器。首先给出了功率放大器的基本理论,由于线性度和效率的折中选择了ab类工作模式,详细介绍了宽带匹配的限制条件和扩展带宽的方法,然后给出了这款宽带功率放大器的详细设计过程,给出了整体电路的仿真结果:在500 MHz-2000 MHz的频带内,小信号增益为27dB±1 ,稳定因子K>2.7,功率增益为25.9dB,增益平坦度为,输出功率超过45.9dBm(38.9W),功率附加效率PAE>15%;同时在1500 MHz下功率增益达到26dB,1dB输出功率=46dBm(40W),功率附加效率PAE可以达到36% ,三阶交调系数IMD3=-24dBc,五阶交调系数IMD5=-39dBc。最后给出了整体电路的PCB版图。

关键词： SiC MESFET 宽带功率放大器 ab类

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UHF RFID阅读器芯片功率放大器设计

UHF RFID阅读器芯片功率放大器设计

作者：郭晓峰北京交通大学

学位级别：硕士

目前射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)在低频和高频频段已经获得广泛应用,而在超高频(UHF)频段上,RFID标签和阅读器尚处于研发阶段。本论文的工作是根据超高频射频识别(UHF RFID)技术的应用背景以及对低功耗、便携式和多... 详细信息

目前射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)在低频和高频频段已经获得广泛应用,而在超高频(UHF)频段上,RFID标签和阅读器尚处于研发阶段。本论文的工作是根据超高频射频识别(UHF RFID)技术的应用背景以及对低功耗、便携式和多频带阅读器的需求,设计了一个基于SMIC 0.18μm CMOS工艺、适用于阅读器单芯片集成的860MHz～960MHz频带的两级ab类射频功率放大器。论文首先总结了各类功率放大器的工作原理与特点,给出了ab类功率放大器的理论分析与计算,简要介绍了射频功率放大器的线性增强技术、效率提升技术、稳定性技术和宽带匹配技术等关键技术,阐述了射频功率放大器的CMOS设计所面临的困难和挑战。根据设计目标和射频功率放大器的设计流程,分别给出了各部分电路的具体设计过程。特别针对射频功率放大器的带宽,给出了具有精确带宽的输出匹配电路设计;针对射频功率放大器的稳定度也给出了详细的考虑和解决方法。论文提出了两项电路级的线性化技术,即电容补偿技术和二极管线性化技术,并给出了详细讨论和相关设计。仿真结果显示采用线性化技术后射频功率放大器的输入P和IIP3改善了约17dB。最后给出了射频功率放大器的版图设计与后仿真。本论文设计的两级ab类射频功率放大器完成的各项指标:3.3V电源电压线性输出功率为23.5dBm,功率增益19.1dB,功耗27dBm,最大效率(PAE)为48%,输入P为5.03dBm,IIP3为13dBm;1.8V电源电压时线性输出功率15dBm,功耗为18dBm。

关键词：超高频射频识别射频功率放大器 ab类宽带匹配线性化

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一款高性能音频功率放大器的设计

一款高性能音频功率放大器的设计

作者：林雨佳辽宁大学

学位级别：硕士

近年来，集成电路（IC）产业得到了飞跃式的发展，尤其是便携式电子产品的发展尤为突出，IC的应用已经渗透到包括军事在内的社会各个领域。消费类电子产品的蓬勃发展带动了低成本、低功耗集成电路的开发和研究[1]。随着工艺的不断进步... 详细信息

近年来，集成电路（IC）产业得到了飞跃式的发展，尤其是便携式电子产品的发展尤为突出，IC的应用已经渗透到包括军事在内的社会各个领域。消费类电子产品的蓬勃发展带动了低成本、低功耗集成电路的开发和研究[1]。随着工艺的不断进步，越来越多的功率放大电路采用集成方式来实现。音频功率放大器是功率集成电路领域中的一个十分重要的组成部分，并且在消费类电子产品中广泛应用。目前我国是世界上最大的消费类电子产品生产基地，随着对音频放大设备需求的与日俱增，未来电子产品将拥有更加广阔的市场[2]。因此，对高性能音频功率放大器的研究与设计具有重要的实际意义。本文首先对五种不同类型的功率放大器进行了介绍，详细分析了他们的工作原理和自身特点。接下来比较了这几种放大器的优缺点，在兼顾效率、失真和音质等多重因素下，最终选择了ab类结构作为本设计的功放结构。本文设计的是一款用于汽车音箱系统的四通道BTL型音频放大器。此功放具有足够的工作电压范围（8～18V）;瞬时功率可以达到45W;低的总谐波失真，在特定条件下THD只有0.007%;同时还具有模式选择功能，可以控制放大器进入待机、静音状态;放大器内部集成的短路保护电路，可以在特殊情况下将功率输出级关闭，防止功率输出管和负载扬声器发生损坏。本芯片采用0.35μm BCD工艺实现。在Cadence Spectre环境下对芯片的各个模块进行了整体仿真，使仿真结果达到设计要求。

关键词：音频功率放大器 BCD ab类短路保护

一种新型音频放大器在笔记本电脑中的研究与应用

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一种新型音频放大器在笔记本电脑中的研究与应用

作者：李建苏州大学

学位级别：硕士

现今,随着电子技术的飞速发展,各种功率集成芯片也迅速发展和应用,笔记本电脑已经进入了千家万户,成为当今社会最重要的消费电子产品,而随着笔记本电脑的普及,它的应用范围也日益广泛,音频功率放大器在音频输入方面的应用也就应运而生,... 详细信息

现今,随着电子技术的飞速发展,各种功率集成芯片也迅速发展和应用,笔记本电脑已经进入了千家万户,成为当今社会最重要的消费电子产品,而随着笔记本电脑的普及,它的应用范围也日益广泛,音频功率放大器在音频输入方面的应用也就应运而生,本论文采用了目前在笔记本电脑音频处理部分应用最广泛的ab类音频功率放大器,能够解决这方面的需求。首先从电路本身分析各种功放电路的优点和缺点,设计出合适的电路,这种电路设计有音频差分输入级,电压放大级,功率输出级,在这里提出了一种应用音频功率放大器IC在音频输入电路中,通过放大输入端的信号来达到输出的音量的放大,这样大大提高了笔记本电脑的功能应用范围,从办公室应用到影视娱乐等方面一应俱全,满足不同人群的需求;测试是使用正弦波音频信号进行测试的,取得了不错的实验结果,达到了预期的功率输出效果。最后,本文有利用ab类功率放大器优点,设计出了一种适合于笔记本电脑应用的小功率ab类放大器设计方案,该放大器额定电压为5V,输出功率为2W,负载为4Ω。综上所述,本文对传统的ab类功率放大器的应用及改进方案以及在此基础上设计的ab类功率放大器的设计方案,均达到了设计的要求。

关键词： ab类音频功率放大器

面向无线传感器网络高效率CMOS功率放大器设计

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面向无线传感器网络高效率CMOS功率放大器设计

作者：朱彪彪西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着传感器设备和无线通信技术的发展,无线传感器网络受到了极大的关注。无线传感器网络的广泛使用使得远程监控物理环境变得更加容易,但是其低功耗、小成本与有限的网络寿命等特点为收发机系统带来了一系列挑战,尤其是对片上功... 详细信息

近年来,随着传感器设备和无线通信技术的发展,无线传感器网络受到了极大的关注。无线传感器网络的广泛使用使得远程监控物理环境变得更加容易,但是其低功耗、小成本与有限的网络寿命等特点为收发机系统带来了一系列挑战,尤其是对片上功率放大器的设计提出了很高的要求。基于这一背景,本论文对高效率CMOS功率放大器展开了研究。本论文分析了功率放大器在无线传感网络中的应用,对当前国内外提出的CMOS功率放大器所使用的架构、技术与性能等进行了调研,介绍了功率放大器的分类与性能参数等电路设计基本理论,并规划了功率放大器的设计指标。然后对需要考虑的设计要点进行了分析,包括晶体管的非线性特性与电路的阻抗匹配技术等,并提出相应的高效率、线性化提升技术。在此基础上,本论文提出了一款在具有高效率CMOS功率放大器。该功率放大器采用单端两级级联结构,驱动级与功率级均采用自偏置共源共栅结构,降低了击穿风险,增大了输出电压摆幅并提高反向隔离度。功率级偏置为深ab类,提高了电路的效率并保证了一定的线性度。驱动级电路采用电容补偿技术来解决晶体管栅源寄生电容引起的非线性效应,利用RC负反馈技术将电路的增益与线性度进行折中。输入电路利用负载牵引技术选取了最佳负载阻抗值,并使用低通L型匹配网络将50Ω变换为最佳负载阻抗值,将对电路的高阶谐波非线性信号进行抑制,并使得电路最终同时达到了较高的输出功率与功率附加效率。本设计基于SMIC 55nm RF CMOS工艺,利用Cadence Virtuoso软件完成了整体2.4 GHz功率放大器电路的前后仿真,并使用工艺角仿真分析了元器件偏差对电路性能的影响。为了减弱片上电感的寄生效应带来的影响,本设计还对电路关键模块进行了电磁仿真优化,并搭建了Cadence与Sonnet电磁联合仿真平台对电路进行电磁联合仿真验证。最终电路的芯片面积为0.635 mm,S11<-11.6 d B,输入1d B压缩点为1.5 d Bm,饱和输出功率为13.1 d Bm,功率附加效率PAE为46%,均能够满足性能指标。

关键词：无线传感器网络功率放大器 CMOS ab类电容补偿技术

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高性能音频功放电路的设计与实现

高性能音频功放电路的设计与实现

作者：呼延木子西安电子科技大学

学位级别：硕士

低成本、高品质的耳机驱动功率放大器一直是消费类电子,诸如CD播放器、MP3和DVD等产品所追求的目标。大多数传统的音频功率放大器是用双极型工艺设计和制造,其基础在于良好的双极型三极管特性。虽然CMOS技术具有低成本的优点,但是较大... 详细信息

低成本、高品质的耳机驱动功率放大器一直是消费类电子,诸如CD播放器、MP3和DVD等产品所追求的目标。大多数传统的音频功率放大器是用双极型工艺设计和制造,其基础在于良好的双极型三极管特性。虽然CMOS技术具有低成本的优点,但是较大的输出管尺寸,驱动低阻抗负载时稳定性问题,驱动高容性负载时带宽问题以及噪声干扰等一直限制了CMOS应用技术的前进步伐。针对这些问题,本论文设计了一种高开环稳定性ab类CMOS音频功率放大器。论文首先研究了各种功放电路的优缺点,根据设计指标确定符合要求的功放电路形式,然后用功率预算和电流分配的方法设计器件参数,最后利用计算机仿真。结果显示,当使用5V电压源时,能给一个4?的负载传输2.2W或给一个3?负载传输2.5W的平均连续功率,总谐波失真+噪声（THD+N）小于1.0%;此外,当耳机插头接入插孔时,音频功率放大器便处于单终端工作模式,能给一个32?的耳机传输85mW的连续功率,THD+N小于0.5%;静态电流在桥式模式下为11.5mA,单终端模式下为5.8mA。双桥模式下电源抑制比（PSRR）为67dB,信躁比（SNR）为98dB;单终端模式下电源抑制比（PSRR）为58dB,信躁比（SNR）为95dB,显示出优良的抗电源噪声干扰能力。与此同时,还设计了低功耗关断电路和过热保护电路。当低功耗关断引脚有效时,关断电流仅为0.7μA;当电路的工作环境温度超过165℃时,过热保护电路输出高电平,从而关断整个芯片,防止造成永久性损坏。由于芯片内部独特设计使得输出端去掉了耦合电容,实现双桥（BTL）连接,进一步减小了系统体积。

关键词： CMOS ab类电源抑制比过热保护