2W HVMOS射频功率放大器的设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文2W HVMOS射频功率放大器的设计姓名：路宁申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：刘章发;袁晓君20071201A B S T R A C TA B S T R A C T ：D u et ot h ei n t e n s e l ym a r k e tc o m p e t i t i o n , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd e m a n dl o wc o s t , l o wp o w e ra n dm u l t i —f u n c t i o nf o rR F I C ．I nt h i sc o n d i t i o n ,c o m p a r i n gw i t h8 0m a n yp r o c e s s e s ．t h eC M O Sp r o c e s s 啪f u l f i l lt h o s ed e m a n d so n l y ．O nt h eo t h e rh a n 正o w i n gt ot h ec h a n K 堆a 伽c so fC M O St e c h n o l o g y , t h eb 砌e n o c ko fK F I Cd e s i g ni sp o w e ra m p l i f i e rd e s i g n ．I nt h i sp a p e r , t h ed e t a i ls t e p so fp o w e rm n p l i f i e rd e s i g n 躺p r e s a a t e d ．W ed e s i g nt h ep o w e ra m p l i f i e ra c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r i a ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n ．T h el i m i t a t i o no fp o w e ra m p l i f i e rd e s i g ni nC M O Sp r o c e s si sa n a l y z e df i r s t ．T h e nW ec o n s t r u c ta n da n a l y z et h em o d e lo fp o w e rt r a n s i s t o rb yu s i n gM a t l a bs o f t w i n e ．T h eC M O Sp o w e ra m p l i f i e rd e s i g nm e t h o d o l o g ya n df i x e dm e t h o da mt h o np r e s e n t e d ．I nt h i sp a p e r , a2 Wc l a s sA BC M O SR FP Ai nJ A Z Z0 ．5 u mp r o c e s si sd e s i g n e d ．T h eo p e T a t i o nf r e q u e n c yo ft h eP Ai s1 ．S G H z ．T h em p u tm a t c h , O I R 讲Rm a t c ha n db i a sc i r c u i t 躺i m p l e m e n t e dw i t hd i s c r e t eo f f - c h i pd e m e n t s ．T h es p e c i f i c a t i o n s 躺r e f e r e n c e dt oN E 5 5 1 0 2 7 9 A , t h eP A 伽b ea p p l i e di nG S Mh a n d s e t , t h ee f f e c to fr e a lb o n d - w i r ep a r a s i t i c a li n d u c t o rw h e np a c k a g i n gi sc o n s i d e r e di nt h es c h e m a t i cd e s i g n ．T h ed e t a i l e dd e s i g nf l o wa n dt h el a y o u to ft h ep o w e rt r a n s i s t o ra t op r o p o s e da l s o ．S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eP A o p e r a t e sa t1 ．8 G H za n dt h ei n p u tp o w e ri s2 5 d B m , i th a sa3 2 ．6 7 d B mo u t p u tp o w e r ,4 0 ％P A Ea n d8 0 0 m Ao p 蒯o uc u r r e n t , a n dt h ei n l 斌l d Bc o m p r e s s i o np o mi s2 4 ．6 d B m ．K E Y W O R D S ：C M O SP R O C E S S ：P O W E R A M P L I F I E R ；R FP O W E R T R A N S I S T O R ；R FP O W E RT R A N S I S r D RM O D E LC L A S S N 0 ：T N 7 2学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：强雪导师签名：签字日期：卿年仁月z 1 日痧眩段、解醐：中协胞明J独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意．学位论文作者签名：E 骝签字日期：歹·订年眨月z 1 日致谢本论文的工作是在我的导师刘章发教授和袁晓君教授的悉心指导下完成的，刘章发教授和袁晓君教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响在此衷心感谢三年来刘老师和袁老师对我的关心和指导刘章发教授和袁晓君教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向刘老师和袁老师表示衷心的谢意。

刘章发教授和袁晓君教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢在实验室工作及撰写论文期间，杜春山、幸小雷、姚雷波、尉理哲、王启娟、苗莹、姜明芳等同学对我论文中的功率放大器研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情另外也感谢我的家人和女朋友任研，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业．绪论1 ．1 前言1 绪论随着科学技术的发展，、无绳、无线局域网、蓝牙等无线通信系统已经成为人们生活中不可缺少的一部分无线通信产业已经成为继P c 产业之后最重要的产业之一．无线通信系统由最初8 0 年代的“大哥大”，逐步发展到今天口袋大小的尺寸，方寸之间包含了射频电路、通信标准、数字模拟集成电路以及政府法规等多项要求，其复杂程度已经超过了可以单独操作的个人计算机如此复杂的系统结构，能够实现在诸如大小的系统上，归功于集成电路的高速发展其中一部分依赖于高速运算及高度集成的数字系统芯片，另外一大部分则依赖于射频芯片的发展与数字集成电路的设计不同，射频集成电路除了要满足功耗、速度等一般性要求外，还必须考虑噪声、增益、线性度和最大功率传输等因素由于激烈的市场竞争，无线通信系统对射频集成电路不断提出了低成本、低功耗、多功能等的要求。

在这种情况下，射频集成电路的技术优化会沿着与数字集成电路一样的发展道路前进，即最终选择C M O S 技术来实现．目前多种工艺技术可以应用于射频集成电路设计，如C M O $ 、B i C M O S 、B i p o l a r 、G a A s 等在这些技术中，唯有C M O S工艺能够真正做到单片集成同时随着C M O S 深亚微米技术的发展现代C M O S工艺已经可以满足射频电路的要求，主要表现在；( 1 ) 晶体管栅长尺寸不断缩小，晶体管的特征频率和截止频率不断提高，使得晶体管已经可以正常工作在射频频率范围内例如，0 ．1 8 9 m I 艺N M O S 晶体管的截止频率已经达到了3 0 G I - I z 左右 2 ) 随着工艺的不断完善，射频电路所需要的无源元件( 电阻、电容和电感，甚至包括变换器) 已经可以在芯片上实现，而且它们的品质已经达到或者接近达到射频电路的要求随着人们对集成无源器件研究的深入，这些无源器件的性能将会有更大的提高 3 ) 封装技术的发展，使得由于封装引起的寄生效应逐步缩小，电学性能和热学性能都有了很大的提高所有这些都使得硅C M O S 射频集成电路成为了一种发展趋势。

但是，由于硅C M O S 工艺的固有缺陷，采用硅C M O S I 艺来实现射频集成电路存在很多的挑战，主要表现在以下几个方面l l 】：( 1 ) 与工作频率相比，晶体管的特征频率和截止频率不是特别高一般说来，晶体管的工作频率应该低于晶体管截止频率的十分之一，对于0 ．1 8 1 _ L m 的C M O S T北京交通大学硕士学位论文艺，其截止频率约为3 0 G H z ，则其工作频率应该低于3 G H z ，但一些射频应用都已经超出了这个频率范围当然，随着深亚微米技术的发展，晶体管的特征线宽不断缩小，晶体管的特征频率和截止频率不断提高，这方面的限制会逐渐放松 2 ) 缺乏准确的射频晶体管模型当晶体管工作于射频条件下时，寄生效应会极大地影响晶体管的性能，这时晶体管的性能与普通晶体管模型已经不相符了，必须使用射频模型由于寄生效应与工艺和版图直接相关，这类模型一般依赖于芯片制造厂家提供但目前很多芯片制造厂家并不提供这类模型，即使少数厂家提供了晶体管的射频模型，这些模型也都是对实际生产出的有限个元件测试所得s参数进行拟合得到的由于拟合元件数量有限，这些模型只具有有限的准确度另外，由于s 参数测试只针对两端口网络，对于M O S 晶体管等多端口器件，一般将其简化为两端口网络。

比如，射频电路最常用的N M O S 管射频模型，就只是对栅极和漏极进行两端N S 参数测试然后对测试结果进行拟合得到的，测试过程中，晶体管的源端和体端都连接到地在实际电路中，很多N M O s 晶体管的源端和体端并不接地，而很有可能接到随时间变化的交流信号上，这样就使得模型描述的晶体管行为与晶体管的实际行为并不一致，造成仿真结果和测试结果存在偏差，特别是其源极是一个L c 谐振回路的时候，这种偏差将更加明显 3 ) 相比于其它工艺，M O S 晶体管的1 ，f 噪声对电路的影响加大，而且由于测试的困难，厂家很难给出准确的射频噪声模型 4 ) 缺乏高质量的无源器件和准确的无源器件模型由于树底损耗的影响，使得集成无源元件( 特别是电感) 的品质因子都很低，对于某些要求较高的应用，采用集成无源元件很难满足系统要求而且，芯片制造厂家也很少给出( 或仅给出少数) 准确的无源元件模型从而给芯片设计带来困。