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基于多栅晶体管结构的60GHz cmos功率放大器的设计及实现

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基于多栅晶体管结构的60GHz CMOS功率放大器的设计及实现

作者：钟文浩东南大学

学位级别：硕士

当今社会的高速发展使得人们对短距离无线通信的数据传输速度提出了越来越高的要求。由于极大带宽等一系列优点,60GHz频段无线通信系统可以达到Gb/s的通信速度,这使它能够比较好地应用在短距离无线通信场合。然而,在这么高的频段上,基于... 详细信息

当今社会的高速发展使得人们对短距离无线通信的数据传输速度提出了越来越高的要求。由于极大带宽等一系列优点,60GHz频段无线通信系统可以达到Gb/s的通信速度,这使它能够比较好地应用在短距离无线通信场合。然而,在这么高的频段上,基于cmos工艺的全集成收发系统,特别是其中的功率放大器模块设计难度很大。从文献调研结果来看,功率合成技术和中和电容技术的使用提高了60GHz cmos功率放大器的输出功率和增益等性能。但是,在实际应用当中具有重要意义的线性度和功率回退效率却还没有取得大的发展,这为60GHz频段的大规模应用设置了障碍。面对以上挑战,本文在变压器匹配和中和电容技术的基础上进行创新,在功率放大器设计中采用了一种新型的复合式结构——多栅晶体管结构。理论分析显示,该结构能在几乎不改变整体电路功耗的前提下同时实现线性度和回退效率的提升,有效突破这两个指标的制约。为了验证这个结构的实际效果,本文采用65nm cmos工艺设计并实现了一款60GHz两级差分功率放大器,芯片面积为0.49mm2。测试结果显示,在1V的供电电压之下,电路的静态功耗为24mW。当电路工作在54GHz时,输出饱和功率和1dB压缩点分别达到了10.5dBm和7.62 dBm。与公开文献相比,这是同等功耗的电路中输出功率性能最好的。与之对应,电路的最大效率和1dB压缩时的效率分别为23.3%和16.98%,这也是目前已发表结果中较优的。在51～56GHz的范围内,1dB压缩点处的效率均大于8%。

关键词： 60GHz 多栅晶体管结构 cmos功率放大器回退效率

5.8GHz cmos功率放大器研究与设计

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5.8GHz CMOS功率放大器研究与设计

作者：苏国东杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展，无线通信技术发展日新月异，无线局域网发展更是迅速无比。在这种大形势下，Wi-Fi（Wireless Fidelity、无线保真）技术应运而生。目前IEEE在802.11a和802.11n的基础上提出了制定IEEE 802.11ac标准，在该标准... 详细信息

随着科学技术的不断发展，无线通信技术发展日新月异，无线局域网发展更是迅速无比。在这种大形势下，Wi-Fi（Wireless Fidelity、无线保真）技术应运而生。目前IEEE在802.11a和802.11n的基础上提出了制定IEEE 802.11ac标准，在该标准的基础上，本课题提出了5.8GHz功率放大器的设计和研究。近年来随着无线通信的发展，射频收发机系统对低成本、低功耗、高集成度和高数据传输速率提出了更高的要求。作为射频收发前端核心模块之一的功率放大器芯片目前主要采用化合物半导体工艺实现，这和基于cmos工艺的其它模块在同一芯片上集成带来了很大的难度。采用cmos工艺来设计功率放大器可以解决集成化的问题。但cmos工艺中低跨导、低击穿电压的有源器件和低品质因数、高损耗的无源器件成为设计高可靠性功率放大器的难点。因此，采用cmos工艺设计大功率、高线性和高效率的功率放大器成为了射频集成电路设计的一个新的挑战。射频功率放大器的设计也是目前国际研究的一个热点。本文首先综述了国内外研究功率放大器的研究进程，描述了采用cmos工艺实现功率放大器遇到的一些困难和挑战，总结了业内电子工程师应对这些困难和挑战的应对措施，并将功率放大器分为输入、输出、有源放大三个模块进行分析，以便于清楚的了解功率放大器各个模块的工作原理，为后文功率放大器的设计提供了良好的基础。其次，通过对功率放大器稳定性的分析和稳定性改善措施的研究，提出了一种计算RC反馈网络中器件值的计算机辅助方法，该RC反馈网络用于改善功率放大器稳定性，并设计了共源、共源共栅单级放大器对该方法进行了验证;本文研究了目前已发表的功率放大器器件级线性化方法，根据其他电子工程师的研究方法，提出了一种改善功率放大器线性的新方法，并采用IBM 90nm cmos工艺设计了单级功率放大器对该方法进行验证，证明了该线性化方法的可行性，采用该方法实现的1dB压缩点输出功率较之于目前存在文献中提到的方法高出了1.7dBm。再次，采用上华0.18μm cmos工艺设计了单端功率放大器。该功率放大器采用三级实现。功率级采用共源放大器，使用了厚栅器件，这样可以通过该器件高的工作电压而得到较大的输出功率。该功率放大器的前两级均采用了共源共栅结构，提高了增益和反向隔离度，有效地缓解了栅氧击穿和热载流子效应的问题，本次设计的功率放大器1dB压缩点输出功率为22.7dBm，饱和输出功率23.5 dBm，功率增益为20.2dB，效率为40.8%。最后，分析了采用cmos工艺设计功率放大器在提高输出功率方面较之于使用化合物工艺的劣势和目前存在的功率放大器的合成方式，采用SMIC 65nm cmos工艺设计了基于变压器功率合成方式的功率放大器。该功率放大器的有源放大单元采用了伪差分对电路，有效地抑制了封装效应和晶体管源端键合线时对功率放大器增益和稳定性的影响，减小了功率放大器的大信号通过衬底耦合对其他电路的影响。在功率放大器设计中采用中心抽头变压器，去除了扼流电感的使用，有效利用了变压器初级/次级线圈作为电感，提高了电路的集成度。该四路合成功率放大器1dB压缩点输出功率为19.42dBm，饱和输出功率20.85 dBm，功率增益19.96 dB。综上，本文基于Wi-Fi技术的应用，对功率放大器的稳定性和线性度进行研究，提出了计算稳定性改善网络元件值的计算机辅助算法和线性度的改善方法。采用无锡上华0.18um RFcmos工艺和SMIC 65 nm cmos工艺分别设计了单端功率放大器和基于变压器合成的功率放大器为最终采用cmos工艺设计实现实用的射频集成电路和射频产品奠定了良好的基础。

关键词： cmos功率放大器栅氧击穿变压器伪差分结构自偏置

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用于EoC的cmos功率放大器设计与实现

用于EoC的CMOS功率放大器设计与实现

作者：严琼华东师范大学

学位级别：硕士

EoC (Ethernet over Cable,以太数据通过同轴电缆传输)技术以其高稳定性、高可靠性、成本低廉的优势,成为基于EPON的双向网改造技术首选。目前我国正在加速三网融合,基于EoC技术的电路设计研究受到学术界和产业界的关注。本文采用标准0... 详细信息

EoC (Ethernet over Cable,以太数据通过同轴电缆传输)技术以其高稳定性、高可靠性、成本低廉的优势,成为基于EPON的双向网改造技术首选。目前我国正在加速三网融合,基于EoC技术的电路设计研究受到学术界和产业界的关注。本文采用标准0.13μmRF cmos工艺,设计了基于EoC的1.2GHz和2.0-2.4GHz双频段可切换的A类cmos功率放大器,取得如下研究成果： 1.根据ITU-T G.9960协议要求,分析射频EoC收发系统的性能和指标要求,提出cmos功率放大器的性能指标;2.研究了cmos功率放大器设计的关键技术：采用功率回退和反馈的线性化技术;采用功率控制的效率提升技术：采用Candence的SpectreRF软件进行负载牵引(Loadpull)分析,实现了片外的串联L型匹配网络;研究了功率单元(Powercell)的排列方式和均流网络的走线方式;采用多键合线技术来降低源极退化效应;3.设计了符合ITU-T G.9960协议的1.2GHz功率放大器,在典型工艺角下的后仿真结果均达到指标要求：S11为-19.02dB,电路总电流为110mA,为20.19dBm,为1.23dBm, P1dB处PAE为28.29%;4.设计了符合ITU-T G.9960协议的2.0～2.4GHz功率放大器,在典型工艺角下的后仿真结果均达到指标要求：在2.0GHz处,S11为-10.12dB,电路总电流为69mA,OP1dB为19.02dBm,IP1dB为0.9dBm,P1dB处PAE为31.57%;在2.4GHz处,S1l为-14.78dB,电路总电流为76.03mA,OP1dB为19.08dBm,IP1dB为0.7dBm,P1dB处PAE为32.01%。此外,还搭建了测试平台、进行测试准备。本文研究受复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室开放课题—“用于宽带短距离接入的EoC/EoW双模收发芯片关键技术研究”项目(11KF008)及景略半导体(上海)有限公司资助。

关键词： EoC cmos功率放大器负载牵引功率单元

无线通信网络中cmos功率放大器的研究与设计

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无线通信网络中CMOS功率放大器的研究与设计

作者：金科中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着无线通信市场的持续繁荣与发展,小尺寸、低成本、低功耗和更加稳定的无线通信设备越来越受到消费者的青睐。cmos工艺凭借其低成本以及易集成等优势,已经使得大部分的无线收发模块都能在不牺牲性能的前提下采用cmos工艺实现。然而功... 详细信息

随着无线通信市场的持续繁荣与发展,小尺寸、低成本、低功耗和更加稳定的无线通信设备越来越受到消费者的青睐。cmos工艺凭借其低成本以及易集成等优势,已经使得大部分的无线收发模块都能在不牺牲性能的前提下采用cmos工艺实现。然而功率放大器,作为无线收发机中耗能最多、尺寸最大的模块,仍然是尚未被成功集成的几个模块之一。本文基于不同的无线通信应用背景,对cmos功放的相位和功率控制、可靠性、集成度和功率回退时的效率等几个方面进行了研究。针对超高频RFID中自干扰信号的问题,本文设计了一种相位和幅度可以数字控制的全集成功放。该功放由有源移相电路、缓冲电路和增益可控的功率放大电路组成。文中分析了各个模块的基本原理和电路结构。为了降低数控功放的AM-PM失真,增益可控的功率放大电路采用了一种电容补偿技术。该功放采用130nm cmos工艺实现,仿真结果表明,数控功放在840MHz～960MHz的工作频段内,相位均方根误差小于0.21°,输出功率变化小于1dBm,取得了较好的相位和幅度控制精度。将该功放应用到自干扰抵消系统,仿真结果显示,功率为8dBm的自干扰信号最大可被抑制38dB。为了满足超高频RFID发射信号的要求,本文设计了一种全集成的线性功放。该功放采用一种带有校准电路的有源巴伦作为驱动级,同时该巴伦又提供了输入信号单端转差分的功能,节约了芯片面积。为了实现功放的全集成,本文还设计了一种可以实现差分转单端功能的片上变压器作为输出匹配网络。该功放在130 nmcmos工艺下实现,核心面积仅为0.83 mm-,仿真结果表明,功放在输出功率为27dBm时,效率能达到41%。为了支持更高的通信速率,现代无线通信信号的调制峰均比越来越高,功放将不可避免地要工作在功率回退状态。为了提高功放在功率回退时的效率,本文在传统负载调制技术的基础上,设计了一种可动态切换的双模功放。文中分析了MOS开关在关断时功率损耗的来源,并在可调匹配网络中采用了一种耐高压的开关电容来减少高输出功率时的功率泄露。通过采用一种功率检测控制电路对功放的偏置、晶体管尺寸和最优负载进行动态调节,功放在功率回退7dB时的效率可提升11.7%。在带宽为40MHz的802.11n OFDM 64-QAM调制信号激励下,功放在输出功率为18dBm时的EVM和ACPR完全符合协议的线性度要求。

关键词：无线通信 cmos功率放大器超高频RFID 全集成功率回退

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60 GHz cmos功率放大器设计

60 GHz CMOS功率放大器设计

作者：黄孟佳重庆邮电大学

学位级别：硕士

移动数据的快速增长和智能手机的普及,为克服全球带宽短缺带来前所未有的挑战。毫米波技术被广泛认为是能够继续满足消费者对增加无线数据容量需求的关键技术之一。具有国际通用性的免执照60 GHz频段,比现有Wi-Fi产品使用的2.4 GHz和5 ... 详细信息

移动数据的快速增长和智能手机的普及,为克服全球带宽短缺带来前所未有的挑战。毫米波技术被广泛认为是能够继续满足消费者对增加无线数据容量需求的关键技术之一。具有国际通用性的免执照60 GHz频段,比现有Wi-Fi产品使用的2.4 GHz和5 GHz频段具有更多的频谱,为建立高速率短距离无线通信链路提供了巨大潜力。尽管60 GHz频段带宽很大,但由于氧气吸收造成的信号衰减,特别是如果选择cmos技术来实现完全集成的60 GHz无线系统,功率放大器(Power Amplifier,PA)的设计是60 GHz无线收发器开发中的主要挑战。虽然与高速复合半导体技术相比,cmos具有更高的集成度和更低的制造成本,但低电源和击穿电压以及MOSFET接近频率的操作使得功率放大器的设计极具挑战性。因此,设计满足毫米波系统需求的PA具有重要意义。在此背景下,本论文主要完成对60 GHz频段cmos PA的研究与设计。本文针对cmos工艺下毫米波电路设计的挑战,进行了较为深入的调研并探讨了毫米波电路设计的方法。以实现可应用于60 GHz无线个域网(WPAN)的功率放大器为研究目标,基于SMIC 90nm RFMOS工艺设计了单端与差分两款功率放大器。对于可工作在60 GHz的单端功率放大器,采用均工作在A类的三级级联结构,输入级采用具有自适应偏置的共源共栅(Cascode)结构实现,以提高增益,改善反向隔离度。后两级以共源(Common source,CS)结构实现,以满足输出功率和线性度要求。采用HFSS建模获得小感值片上螺旋电感用于匹配设计,并通过简化匹配网络以减少电路损耗实现高效率。仿真结果表明,工作在1.2V电压下,60 GHz处功率增益为16.2dB,1dB压缩点处的输出功率为8.2dBm,饱和输出功率为11.4dBm,峰值功率附加效率为15.3%,直流功耗为70mW。对于60 GHz的差分功率放大器,利用可获得较大输出功率的A类CS伪差分结构进行设计实现,为了消除CS结构栅-源寄生电容C对电路带来的负面影响,采用交叉耦合电容中和技术用以抵消由于寄生电容C所导致较差的反向隔离度、稳定性和低增益的问题,从而达到改善电路性能的目的。仿真结果表明,工作在1.2V电压下,差分功率放大器在60 GHz处实现了17.0dB的功率增益,反向隔离优于-50dB,输出1dB压缩点功率为10.2dBm,饱和输出功率为14.4dBm,PAE峰值9.1%,耗电量103mW。后仿真得到功率增益9.56dB,Psat为10.0dBm,峰值PAE为6.0%。

关键词：毫米波电路 60GHz cmos功率放大器单端结构差分结构

Black Sand Technologies推出首个3G cmos功率放大器产品系列

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电子技术应用 2011年第2期37卷 8-8页

专长于无线应用领域先进功率放大器技术的无晶圆厂半导体公司Black Sand科技有限公司日前宣布：公司已推出两条新的3Gcmos射频功率放大器（PA）产品线，可显著提升各种手机、平板电脑和数据卡的可靠性和数据传输量并降低成本。该产品系... 详细信息

专长于无线应用领域先进功率放大器技术的无晶圆厂半导体公司Black Sand科技有限公司日前宣布：公司已推出两条新的3Gcmos射频功率放大器（PA）产品线，可显著提升各种手机、平板电脑和数据卡的可靠性和数据传输量并降低成本。该产品系列包括6个特别的、覆盖多个频段的功率放大器。

关键词： cmos功率放大器品系射频功率放大器 3G 半导体公司数据传输量无线应用平板电脑

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Si4300：单芯片cmos功率放大器