【正文】 基于WSN的D類射頻功放設(shè)計畢業(yè)論文目錄摘 要 IAbstract III第 1 章 緒論 1 研究背景 1 研究內(nèi)容及設(shè)計指標 3 研究內(nèi)容 3 設(shè)計指標 4 論文組織 4第 2 章 功率放大器設(shè)計基礎(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)計要點 16第 3 章 應(yīng)用于WSN的D類功率放大器設(shè)計 19 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 驅(qū)動放大級和輸出放大級的設(shè)計 19 負載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 22 數(shù)字功率控制的實現(xiàn) 24 偏置電路的設(shè)計 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 51致 謝 52I第 4 章 結(jié)論和展望第 1 章 緒論 研究背景無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種利用空間上分布的傳感器件自動檢測諸如溫度、聲音、震動、氣壓、位移或者污染物等物理或環(huán)境變量的無線網(wǎng)絡(luò)[1][2]。它在物理世界和數(shù)字世界中起到一個橋梁的作用。 WSN的起源來自于軍方的應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。在這些項目取得進展的同時，其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。如今，WSN越來越多的應(yīng)用到環(huán)境和生態(tài)控制、醫(yī)療、家庭自動化、交通控制等民用場合[1][3]，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，在不遠將來會改變我們的生活。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性很強，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)點的集合。除了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中還包含一個或數(shù)個基站，基站可以是移動的也可以是固定的[4]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時刻都在監(jiān)測著網(wǎng)絡(luò)所處的應(yīng)用環(huán)境，當(dāng)事件發(fā)生的時候，該事件周圍的節(jié)點可以監(jiān)測到并產(chǎn)生相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后通過無線鏈路發(fā)送給基站?；咎幚斫邮盏降臄?shù)據(jù)，并通過高質(zhì)量的鏈路來發(fā)送給外網(wǎng)進行進一步處理。圖 無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架 在理論上，無線傳感網(wǎng)路具有高密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，兩兩之間一般相距小于10米。一個典型的分布是具有一些相鄰的節(jié)點位于通信半徑內(nèi)。每個傳感器節(jié)點具有如下幾個功能：感知環(huán)境中的物理參數(shù)、處理數(shù)據(jù)、通過無線鏈路把信息傳送到相鄰節(jié)點。圖 WSN節(jié)點示意圖[5]WSN有如下一些特性：（1） 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(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，特別是考慮到獨立的傳感器節(jié)點容易失效的問題。因此WSN通常包括幾百個甚至上千個傳感器節(jié)點以保證大的覆蓋范圍和足夠的冗余，這和傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比高出了很多。（2） 嚴格的功耗要求功率是WSN中最需要嚴格控制的資源。因為沒有供電設(shè)備，傳感器節(jié)點需要能夠獨立的工作數(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)、信號處理和通信等模塊。更嚴重的是，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、PDA等手持設(shè)備那些可以用人力進行充電和維護。因此，WSN必須具有高的功率效率。在設(shè)計中，高效率的要求貫穿整個系統(tǒng)設(shè)計，特別是無線收發(fā)機設(shè)計，因為它和其他模塊相比，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。通常用戶對于各個傳感器節(jié)點的ID是沒有興趣的，而且也很難在全球范圍內(nèi)對每個傳感器節(jié)點設(shè)置獨立的ID，因為其數(shù)量實在過于龐大。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)不是提供各個傳感器節(jié)點的原始數(shù)據(jù)，而是提供分析過的高層信息，例如，一個特定房間所有傳感器節(jié)點采集到的平均溫度。（5） 高冗余度在WSN系統(tǒng)中，由于節(jié)點的經(jīng)常失效，故需要高的冗余度以避免網(wǎng)絡(luò)失效以及維持一個好的偵測覆蓋范圍或者好的精度。不穩(wěn)定的通信鏈路也需要一個高的冗余度以達到一定的健壯度。所以高冗余在WSN中是一個必須的要求。上面列出的WSN的這些特性對網(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、可測性、質(zhì)量小等等。此外，WSN系統(tǒng)研究上還存在以下一些問題：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，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在體積上應(yīng)該要最夠小，集成度要盡量高，來保證對目標系統(tǒng)本身的特征不會造成影響。第二，成本要低，只有低成本才能夠大量地部署于目標區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點。第三，功耗要低，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常都運行在人們無法接近的惡劣環(huán)境中，其供電源較難更換，一節(jié)電池要能夠支持節(jié)點工作數(shù)月乃至數(shù)年，因此功耗是WSN系統(tǒng)中最要嚴格控制的指標。第四，高性能，作為一個數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運行速度不但要盡量快，還要具有一定的擴展性和靈活的接口[6]。 研究內(nèi)容及設(shè)計指標 研究內(nèi)容本課題來源于江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目“低功耗傳感網(wǎng)片上系統(tǒng)(SoC)芯片及其目標產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化”和無錫市科技局/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)項目中的“無線傳感網(wǎng)核心芯片研發(fā)”課題。本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是采用TSMC RF CMOS工藝設(shè)計功率放大器。射頻功率放大器是各種無線發(fā)射機的重要組成部分。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，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)計的核心工作是研究高效率功率放大器設(shè)計方法。，具有10dB的功率增益，并且其效率要大于25%。 設(shè)計指標。表 功率放大器設(shè)計指標技術(shù)指標指標要求工藝標準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負載阻抗50Ω 論文組織本論文分為四章闡述。WSN在第一章作簡單的介紹，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，設(shè)計了應(yīng)用于WSN的D類功率放大器，并做了詳細的討論。最后一章是結(jié)論和展望。 53第 2 章 功率放大器設(shè)計基礎(chǔ)射頻功率放大器是發(fā)射機的關(guān)鍵模塊，位于發(fā)射機的后端，用于放大射頻信號，達到一定的輸出功率，然后送給天線發(fā)射。由于功率放大器會消耗很大的直流功率，因此效率是功率放大器設(shè)計時首先要考慮的重要指標，同時輸出功率、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。 功率放大器的分類功率放大器位于發(fā)射機的末級，為天線提供足夠的功率去發(fā)射信號。輸入信號首先經(jīng)過驅(qū)動級的放大，然后送至輸出級，在這里信號將獲得足夠高的能量。通常在該級需要并聯(lián)很多晶體管，以達到輸出高功率的目的。負載網(wǎng)絡(luò)通常都是由無源元件，比如電容、電感組成。負載網(wǎng)絡(luò)有兩個主要的作用，首先是濾波功能，可以濾除負載端不希望出現(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載阻抗，負載通常是一個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有輸出功率、線性度和效率。關(guān)于功率放大器的效率常見的有兩種定義方法：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在實際中應(yīng)用的不多，因為它沒有考慮到進入到放大器的功率，故無法真實的反映一個功率放大器的自身性能。功率附加效率是一個更好的指標。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功率放大器的性能。當(dāng)功率增益下降的時候，為了達到一定的輸出功率則需要更多的放大器級聯(lián)。而增加的放大器無疑要消耗一定的功率，故總的功耗會上升，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開關(guān)的作用。輸入電壓控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。開關(guān)型功率放大器通常用在恒包絡(luò)信號的應(yīng)用場合。 A類功率放大器。在晶體管的柵極施加一個高于其閾值電壓的直流偏置電壓，以保證始終有靜態(tài)的電流流過晶體管和電感LDC。CB是隔直電容，防止直流電流進入負載RL。由于晶體管在整個工作周期都處于導(dǎo)通狀態(tài)，故會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主要缺點是效率比較低。因為在整個工作周期晶體管都存在導(dǎo)通電流。假設(shè)輸入信號和輸出信號具有正弦波的形式，則輸出功率可以表示為：