cmos射頻功率放大器綜述

1、CMOS射頻功率放大器 綜述報(bào)告人：羅樂（1502202013）時(shí)間：2016年4月20日目錄CMOS 功率放大器的概述研究背景及目的CMOS 功放的特點(diǎn)及其現(xiàn)狀射頻器件及技術(shù)的發(fā)展射頻功率放大器的應(yīng)用CMOS功率放大器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)總結(jié)和展望 參考文獻(xiàn)一、CMOS 功率放大器的概述 研究背景及目的n射頻功率放大器是射頻收發(fā)(T/R)組件中的重要模塊，它的作用是將射頻信號放大到足夠高的功率電平，然后通過天線發(fā)射出去。射頻功率放大器可以保證無線信號的可靠傳輸，其性能好壞直接決定著整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)。n射頻收發(fā)組件廣泛應(yīng)用在軍用和民用事業(yè)中，包括全球定位系統(tǒng)，通信，導(dǎo)航，雷達(dá)，廣播電視等。射頻T/R組件

2、的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)低成本，低功耗，高性能高集成度的SOC芯片。當(dāng)前微電子技術(shù)發(fā)展迅猛，新工藝新材料技術(shù)不斷走向成熟，從而大大推動(dòng)了微波單片集成電路的發(fā)展。n現(xiàn)代無線通信的發(fā)展不可避免的要求把數(shù)字、模擬甚至是射頻模塊集成在一起。為了減少成本，目前發(fā)展的趨勢即是采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的片上集成。無論是學(xué)術(shù)界，還是業(yè)界，都已出現(xiàn)了性能優(yōu)異的產(chǎn)品或者樣片。n無線通信市場激烈的競爭不僅要求無線通信系統(tǒng)完成基本通信功能，更對其提出了低成本、高效率及高可靠性等性能要求。因此，采用CMOS工藝將無線收發(fā)機(jī)更多模塊集成在一個(gè)芯片上逐慚成為無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。CMOS功放的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀n CMOS工藝在

3、基帶，電源管理，DSP,混頻器，低噪聲放大器，壓控振蕩器等關(guān)鍵組件上的集成得到了廣泛的應(yīng)用。但是功率放大器(PA)在CMOS工藝下的應(yīng)用并不廣泛，功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。n成本方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大。再加上CMOS PA復(fù)雜的設(shè)計(jì)所投入的研發(fā)成本較高，使得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢并不那么明顯。n性能方面，CMOS功率放大器在線性度，輸出功率，效率等方面的性能較差。nCMOS工藝固有的缺點(diǎn):膝點(diǎn)電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。CMOS工藝與其他工藝的比較CMOS功放的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀n CMOS PA最大的優(yōu)

4、點(diǎn)是有利于提高系統(tǒng)的集成度，并且CMOS工藝比較成熟，流片成本較低。n國際上領(lǐng)先的專注于射頻和無線半導(dǎo)體解決方案的大公司也轉(zhuǎn)向CMOS功率放大器的研發(fā)。2013年5月，高通宣布推出基于CMOS的多模多頻PA產(chǎn)品線，這是高通首次進(jìn)軍CMOS功放市場。2012年11月，RF Micro Devices以4750萬美元收購CMOS PA初創(chuàng)公司Amalfi，有利地推進(jìn)了CMOS功放在低端入門級智能手機(jī)中的應(yīng)用。2009年Skyworks收購Axiom Microdevices，其中Axiom己經(jīng)在2G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)CMOS PA的千萬片的出貨量。眾多國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)對CMOS功率放大器的研究進(jìn)展：n

5、 2001年，Timothy等人利用0.2um厚柵CMOS工藝制作了900MHz的F類放大器，峰值輸出功率為1.5W，功率附加效率為43%，芯片大小為1 X 2mm2.。n 2003年，Tirdad,Domine等人采用0.18um CMOS工藝制作了2.4GHz的AB類功率放大器，該放大器為兩級共源共柵結(jié)構(gòu)。輸出功率為23dBm時(shí)，最大PAE為42%。n 2006年，Jongchan Kang等人采用0.13um CMOS工藝制作了2.4GHz的Doherty放大器，P1dB點(diǎn)輸出功率為22.7dBm，最大PAE為60%,5dB功率回退點(diǎn)PAE為35%。n 2008年，Javad, Pooy

6、a等人采用厚柵0.2um CMOS工藝制作了900MHz的F類放大器，采用偶次諧波濾波技術(shù)，得到最大PAE為56%，最大輸出功率29.8dBm。n 2008年，Li-Yuan Yang等人采用0.18um CMOS工藝制作了2.4GHz的全集成Doherty結(jié)構(gòu)放大器。該放大器采用Cascode-Cascade結(jié)構(gòu)，芯片面積為1.97 X1.4mm2。P1dB點(diǎn)輸出功率為21 dBm，功率附加效率為14%，7dB功率回退點(diǎn)PAE為10%。射頻器件發(fā)展射頻器件發(fā)展射頻功率放大器的應(yīng)用 射頻功率放大器由于具有工作電壓低、尺寸小、線性度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)以及

7、各種工業(yè)裝備中。 在軍用與鐵路通信中，功率放大器通常被用于無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、軍用雷達(dá)的核心器件。 在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)中，要求數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2M bit/s，單個(gè)信號的帶寬達(dá)5MHz，這就需要PA具有寬帶特性。 為了降低通信運(yùn)營商的運(yùn)營成本，減小冷卻成本，易于熱控制，就要求提高PA的效率。 為了減小功率放大的級數(shù)和功率管的使用數(shù)量，以更低的功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，降低成本，就要求提高放大器的增益。二、CMOS功率放大器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)功率放大器的分類開關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開，將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開關(guān)模

8、式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達(dá)到功耗為零，理想的效率能達(dá)到100%。單級功率放大器設(shè)計(jì)單級功率放大器的結(jié)構(gòu)單級功率放大器是放大器的最基本組成單元，研究單級放大器的設(shè)計(jì)方法，是設(shè)計(jì)其他類型功率放大器的基礎(chǔ)。一個(gè)完整的單級功率放大器除了功率器件以外，還包括輸入匹配電路，輸出匹配電路，穩(wěn)定電路，偏置電路，隔直電路。射頻功率放大器指標(biāo)性能 射頻功率放大器指標(biāo)性能 功率放大器的線性化技術(shù)目前己經(jīng)提出并得到廣泛應(yīng)用的功率放大器線性化技術(shù)包括，功率回退，負(fù)反饋，前饋，預(yù)

9、失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)(EER)，利用非線性元件進(jìn)行線性放大(LINC) 。較復(fù)雜的線性化技術(shù)，如前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)，使用非線性元件進(jìn)行線性放大，它們對放大器線性度的改善效果比較好。而實(shí)現(xiàn)比較容易的線性化技術(shù)，比如功率回退，負(fù)反饋，這幾個(gè)技術(shù)對線性度的改善就比較有限。功率放大器的線性化技術(shù)比較Lange耦合器版圖由集總參數(shù)元件等效的Wilkinson型功分器 Wilkinson功分器版圖三、總結(jié)和展望l國外在射頻領(lǐng)域起步較早，技術(shù)上的優(yōu)勢明顯，一些世界知名的企業(yè)己經(jīng)成為了行業(yè)內(nèi)的佼佼者，例如:半導(dǎo)體行業(yè)的freescale, TI, ADI, ST等;在射頻測試測量行業(yè)內(nèi)的安捷倫公司、

10、美國國家儀器NI等;在整機(jī)功率放大器行業(yè)的美國AR公司等。l國內(nèi)的射頻研究起步較晚，無論是在理論研究，器件工藝和系統(tǒng)整體方面都處在相對初級階段，由于受到軍工產(chǎn)品禁運(yùn)限制，很多高功率、高頻率、高效率的射頻功率放大器禁止出口中國。l功率放大器在航天科技、衛(wèi)星通信、軍用通信等方面的作用巨大，只有掌握射頻電路設(shè)計(jì)核心技術(shù)，提高半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工藝，才是突破國外廠商技術(shù)封鎖的唯一途徑。l我國對于高精密設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)越來越重視，國家也提出了針對核心電子器件等領(lǐng)域的“核高基”計(jì)劃，國內(nèi)對于射頻技術(shù)的研究也在不斷進(jìn)步，一些學(xué)者的研究成果在國際會議和期刊上取得了較為矚目的成果。l目前我國在民用商用射頻功率放大器和射

11、頻接收機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)能力己經(jīng)有了質(zhì)的提高，這也是我國技術(shù)實(shí)力和綜合國際不斷提高的重要標(biāo)志，相信在將來，我國在射頻領(lǐng)域科技發(fā)展水平會得到不斷的提高。參考文獻(xiàn) 1 王志華，吳恩德，“CMOS射頻集成電路的現(xiàn)狀與進(jìn)展”，電子學(xué)報(bào)，2001. 2 Timothy C. Kuo and Bruce B. Lusignan, “A 1.5W Class-F RF Power Amplifier in 0.2m CMOS Technology”, in IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2001. 3 Alireza Shirvani, D

12、avid K. Su and Bruce A. Wooley, “A CMOS RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Control”, in IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2001. 4 Mona M. Hella and Mohammed Ismail, “A Digitally Controlled CMOS RF Power Amplifier”, in IEEE Midwest Symposium on Circui

13、ts & Systems, 2001. 5 Y. Kim, C. Park, H. Kim and S. Hong, “CMOS RF power amplifier with reconfigurable transformer”, in ELECTRONICS LETTERS, March 2006. 參考文獻(xiàn) 6 Patrick Reynaert and Michiel Steyaert, “A Fully Integrated CMOS RF Power Amplifier with Parallel Power Combining and Power Control”, in

14、 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, 2005. 7 N. Srirattana, P. Sen, H.-M. Park, C.-H. Lee, P. E. Allen, and J. Laskar, “Linear RF CMOS Power Amplifier with Improved Efficiency and Linearity in Wide Power Levels”, in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2005. 8 戚威，“射頻功率放大器的研究與設(shè)

15、計(jì)”，碩士學(xué)位論文，2009. 9 Hongtak Lee, Changkun Park, and Songcheol Hong, “A Quasi-Four-Pair Class-E CMOS RF Power Amplifier With an Integrated Passive Device Transformer”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2009. 參考文獻(xiàn) 10 Fada Yu, Enling Li, Ying Xue, Xue Wang and Yongxia Yuan, “Des

16、ign of 2.1GHz RF CMOS Power Amplifier for 3G”, in International Conference on Networks Security, Wireless Communications and Trusted Computing, 2009. 11 Brecht Franois and Patrick Reynaert, “A Fully Integrated Watt-Level Linear 900-MHz CMOS RF Power Amplifier for LTE-Applications”, IEEE TRANSACTIONS

17、 ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, June 2012. 12 Shiang-Yu Tsai, Chun-Yu Lin, Li-Wei Chu and Ming-Dou Ker, “Design of ESD Protection for RF CMOS Power Amplifier with Inductor in Matching Network”, in IEEE Asia Pacific Conference on Circuits & Systems, 2012. 13 Seunghoon Kang, Bonhoon Koo, and

18、Songcheol Hong, “A Dual-Mode RF CMOS Power Amplifier with Nonlinear Capacitance Compensation”, in Asia-Pacific Microwave Conference, 2013. 參考文獻(xiàn) 14 Sunghwan Park, Jung-Lin Woo, Unha Kim and Youngwoo Kwon, “Broadband CMOS Stacked RF Power Amplifier Using Reconfigurable Interstage Network for Wideband Envelope Tracking”, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2015. 15 Nathalie Deltimple, Marcos L. Carneiro, Eric Kerherv, Paulo H. P. Carvalho, Didier Belot, “Integrated Doherty RF CMOS Power Amplifier design for Average Efficiency Enhancement”, in IEEE Interna