【正文】 基于WSN的D類射頻功放設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘 要 IAbstract III第 1 章 緒論 1 研究背景 1 研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)指標(biāo) 3 研究?jī)?nèi)容 3 設(shè)計(jì)指標(biāo) 4 論文組織 4第 2 章 功率放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 5 功率放大器的分類 5 A類功率放大器 6 B類功率放大器 7 AB類功率放大器 8 C類功率放大器 8 D類功率放大器 9 E類功率放大器 10 F類功率放大器 12 共軛匹配和負(fù)載線匹配 14 D類放大器原理分析 14 D類功率放大器功率損耗分析 15 晶體管損耗 15 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的損耗 16 高次諧波損耗 16 CMOS功率放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 16第 3 章 應(yīng)用于WSN的D類功率放大器設(shè)計(jì) 19 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 驅(qū)動(dòng)放大級(jí)和輸出放大級(jí)的設(shè)計(jì) 19 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 22 數(shù)字功率控制的實(shí)現(xiàn) 24 偏置電路的設(shè)計(jì) 24 功率放大器的前仿真 25 功率放大器輸入輸出匹配仿真 25 功率放大器穩(wěn)定性仿真 26 TT工藝角下的增益和功率附加效率仿真 27 FF工藝角下的增益和功率附加效率仿真 43 SS工藝角下的增益和功率附加效率仿真 48第 4 章 結(jié)論和展望 50 總結(jié) 50 展望 50參考文獻(xiàn) 51致 謝 52I第 4 章 結(jié)論和展望第 1 章 緒論 研究背景無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種利用空間上分布的傳感器件自動(dòng)檢測(cè)諸如溫度、聲音、震動(dòng)、氣壓、位移或者污染物等物理或環(huán)境變量的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1][2]。它在物理世界和數(shù)字世界中起到一個(gè)橋梁的作用。 WSN的起源來(lái)自于軍方的應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國(guó)軍方提出的，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署（DARPA）于1978年開(kāi)始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。在這些項(xiàng)目取得進(jìn)展的同時(shí)，其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。如今，WSN越來(lái)越多的應(yīng)用到環(huán)境和生態(tài)控制、醫(yī)療、家庭自動(dòng)化、交通控制等民用場(chǎng)合[1][3]，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，在不遠(yuǎn)將來(lái)會(huì)改變我們的生活。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性很強(qiáng)，在特定應(yīng)用背景下，以一定網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)劃出的傳感器節(jié)點(diǎn)的集合。除了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)外，網(wǎng)絡(luò)中還包含一個(gè)或數(shù)個(gè)基站，基站可以是移動(dòng)的也可以是固定的[4]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)刻都在監(jiān)測(cè)著網(wǎng)絡(luò)所處的應(yīng)用環(huán)境，當(dāng)事件發(fā)生的時(shí)候，該事件周圍的節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)到并產(chǎn)生相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)送給基站?；咎幚斫邮盏降臄?shù)據(jù)，并通過(guò)高質(zhì)量的鏈路來(lái)發(fā)送給外網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架 在理論上，無(wú)線傳感網(wǎng)路具有高密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，兩兩之間一般相距小于10米。一個(gè)典型的分布是具有一些相鄰的節(jié)點(diǎn)位于通信半徑內(nèi)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有如下幾個(gè)功能：感知環(huán)境中的物理參數(shù)、處理數(shù)據(jù)、通過(guò)無(wú)線鏈路把信息傳送到相鄰節(jié)點(diǎn)。圖 WSN節(jié)點(diǎn)示意圖[5]WSN有如下一些特性：（1） 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大空間分布的觀察需要大范圍的分布傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，特別是考慮到獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)容易失效的問(wèn)題。因此WSN通常包括幾百個(gè)甚至上千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以保證大的覆蓋范圍和足夠的冗余，這和傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比高出了很多。（2） 嚴(yán)格的功耗要求功率是WSN中最需要嚴(yán)格控制的資源。因?yàn)闆](méi)有供電設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)需要能夠獨(dú)立的工作數(shù)月甚至數(shù)年。而這期間電池通常是其唯一的電源，以支持感應(yīng)、信號(hào)處理和通信等模塊。更嚴(yán)重的是，由于WSN的大范圍分布和可能的惡劣環(huán)境，使得電源的更換工作變得十分困難的。這不像手機(jī)、PDA等手持設(shè)備那些可以用人力進(jìn)行充電和維護(hù)。因此，WSN必須具有高的功率效率。在設(shè)計(jì)中，高效率的要求貫穿整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是無(wú)線收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗推渌K相比，消耗最多的功率。（3） 數(shù)據(jù)匯集命名方案WSN的主要任務(wù)是收集環(huán)境中的數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)中心處理。通常用戶對(duì)于各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的ID是沒(méi)有興趣的，而且也很難在全球范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立的ID，因?yàn)槠鋽?shù)量實(shí)在過(guò)于龐大。這和因特網(wǎng)有很大的不同。（4） 高層信息傳送用戶通常只關(guān)心最高層的信息，而不需要知道數(shù)據(jù)是如何采集和處理的。所以WSN的任務(wù)不是提供各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，而是提供分析過(guò)的高層信息，例如，一個(gè)特定房間所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的平均溫度。（5） 高冗余度在WSN系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)的經(jīng)常失效，故需要高的冗余度以避免網(wǎng)絡(luò)失效以及維持一個(gè)好的偵測(cè)覆蓋范圍或者好的精度。不穩(wěn)定的通信鏈路也需要一個(gè)高的冗余度以達(dá)到一定的健壯度。所以高冗余在WSN中是一個(gè)必須的要求。上面列出的WSN的這些特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了一定的要求，例如功率效率、適應(yīng)性、健壯度、自組織、可測(cè)性、質(zhì)量小等等。此外，WSN系統(tǒng)研究上還存在以下一些問(wèn)題：第一，小體積，大空間分布的觀察需要大范圍的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在體積上應(yīng)該要最夠小，集成度要盡量高，來(lái)保證對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特征不會(huì)造成影響。第二，成本要低，只有低成本才能夠大量地部署于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。第三，功耗要低，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常都運(yùn)行在人們無(wú)法接近的惡劣環(huán)境中，其供電源較難更換，一節(jié)電池要能夠支持節(jié)點(diǎn)工作數(shù)月乃至數(shù)年，因此功耗是WSN系統(tǒng)中最要嚴(yán)格控制的指標(biāo)。第四，高性能，作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行速度不但要盡量快，還要具有一定的擴(kuò)展性和靈活的接口[6]。 研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)指標(biāo) 研究?jī)?nèi)容本課題來(lái)源于江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目“低功耗傳感網(wǎng)片上系統(tǒng)(SoC)芯片及其目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化”和無(wú)錫市科技局/高新區(qū)聯(lián)合支持的“東南大學(xué)傳感網(wǎng)技術(shù)研究中心”建設(shè)項(xiàng)目中的“無(wú)線傳感網(wǎng)核心芯片研發(fā)”課題。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是采用TSMC RF CMOS工藝設(shè)計(jì)功率放大器。射頻功率放大器是各種無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要組成部分。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心工作是研究高效率功率放大器設(shè)計(jì)方法。，具有10dB的功率增益，并且其效率要大于25%。 設(shè)計(jì)指標(biāo)。表 功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)要求工藝標(biāo)準(zhǔn)TSMC μm RF CMOS電源電壓 V輸入射頻頻率(RF)~ GHz功率增益10 dB效率 25%輸出功率 7 dBm負(fù)載阻抗50Ω 論文組織本論文分為四章闡述。WSN在第一章作簡(jiǎn)單的介紹，以為讀者提供一些最基本的背景。不同類型的功率放大器和功率放大器相關(guān)的內(nèi)容以及D類功率放大器的原理在第二章描述。第三章是本文的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于WSN的D類功率放大器，并做了詳細(xì)的討論。最后一章是結(jié)論和展望。 53第 2 章 功率放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵模塊，位于發(fā)射機(jī)的后端，用于放大射頻信號(hào)，達(dá)到一定的輸出功率，然后送給天線發(fā)射。由于功率放大器會(huì)消耗很大的直流功率，因此效率是功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的重要指標(biāo)，同時(shí)輸出功率、線性度、增益、輸入輸出匹配等也是功率放大器的關(guān)鍵指標(biāo)。 功率放大器的分類功率放大器位于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，為天線提供足夠的功率去發(fā)射信號(hào)。輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)的放大，然后送至輸出級(jí)，在這里信號(hào)將獲得足夠高的能量。通常在該級(jí)需要并聯(lián)很多晶體管，以達(dá)到輸出高功率的目的。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)通常都是由無(wú)源元件，比如電容、電感組成。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)主要的作用，首先是濾波功能，可以濾除負(fù)載端不希望出現(xiàn)的諧波分量；其次是起到阻抗匹配的作用，把輸出阻抗匹配到負(fù)載阻抗，負(fù)載通常是一個(gè)50歐姆的天線。圖 功率放大器框圖功率放大器性能的主要指標(biāo)有輸出功率、線性度和效率。關(guān)于功率放大器的效率常見(jiàn)的有兩種定義方法：漏極效率(DE)和功率附加效率(PAE)。DE的定義是射頻輸出功率與直流功率之比 其中是輸出功率，是消耗的直流功率。DE在實(shí)際中應(yīng)用的不多，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到進(jìn)入到放大器的功率，故無(wú)法真實(shí)的反映一個(gè)功率放大器的自身性能。功率附加效率是一個(gè)更好的指標(biāo)。PAE的定義如式()，是輸出功率與輸入功率的差值與直流功率之比 其中是功率放大器的輸入功率。PAE由于考慮到放大器增益的因素，故可以更好的衡量一個(gè)功率放大器的性能。當(dāng)功率增益下降的時(shí)候，為了達(dá)到一定的輸出功率則需要更多的放大器級(jí)聯(lián)。而增加的放大器無(wú)疑要消耗一定的功率，故總的功耗會(huì)上升，從而造成了整體效率的下降。功率放大器一般可劃分為兩大類：傳統(tǒng)功率放大器和開(kāi)關(guān)型功率放大器。A類至C類功率放大器屬于傳統(tǒng)型放大器，晶體管被用作一個(gè)電流源，輸出功率和輸入功率成正比。D類至F類功率放大器可以劃分為非線性類，晶體管常常起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用。輸入電壓控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。開(kāi)關(guān)型功率放大器通常用在恒包絡(luò)信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。 A類功率放大器。在晶體管的柵極施加一個(gè)高于其閾值電壓的直流偏置電壓，以保證始終有靜態(tài)的電流流過(guò)晶體管和電感LDC。CB是隔直電容，防止直流電流進(jìn)入負(fù)載RL。由于晶體管在整個(gè)工作周期都處于導(dǎo)通狀態(tài)，故會(huì)造成很大的功率損耗。圖 A類功率放大器電路圖A類功率放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是效率比較低。因?yàn)樵谡麄€(gè)工作周期晶體管都存在導(dǎo)通電流。假設(shè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)具有正弦波的形式，則輸出功率可以表示為：