【正文】 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)。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。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。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。 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。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。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)。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。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。開關(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。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。放大器消耗的直流功率可以表示為： 由上面兩個(gè)等式，我們可以得到A類功率放大器的效率： 因?yàn)榈淖畲笾凳牵蔄類功率放大器的效率最大僅僅能達(dá)到50%。所以保證了其在一半周期內(nèi)的工作。B類放大器的一個(gè)缺點(diǎn)是需要用到變壓器，這樣會(huì)引入額外的功率損耗。 C類功率放大器為了進(jìn)一步提高效率，可以繼續(xù)減小晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，讓其導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期，這就是C類功率放大器。圖 C類功率放大器 (a) 電壓, (b) 電流波形圖 C類功率放大器電路圖效率和功率的關(guān)系可以表示為[9] 其中是導(dǎo)通角。當(dāng)導(dǎo)通角縮小至零時(shí)，效率接近100%，但是同時(shí)輸出功率也趨向于零，這是因?yàn)樵诩姌O電流越來越窄的長條形波形中基波分量也在縮小，綜合考慮，實(shí)際上只能得到一個(gè)小于100%的效率，因?yàn)槌烁咝手?，還希望有一個(gè)合理數(shù)量的輸出功率。所以，該功率放大器在理想的情況下效率為100%。占空比為50%的輸入信號(hào)控制著開關(guān)的周期性導(dǎo)通與關(guān)斷。最后通過一個(gè)帶通濾波器將濾出Vs的基波分量送到負(fù)載端，呈現(xiàn)出一個(gè)正弦波輸出。這些特征使得E類功率放大器在高頻應(yīng)用時(shí)依然具有很高的效率。一個(gè)三次諧波諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在開關(guān)的輸出端，從而使得三次諧波分量往負(fù)載端看進(jìn)去呈現(xiàn)高阻抗，故三次諧波分量將疊加在開關(guān)的兩端，使得漏極的波形變得更加陡峭，同樣的道理，如果對(duì)效率的要求更高，五次諧波諧振網(wǎng)絡(luò)也可串聯(lián)到電路中。在載波的二次諧波上，由于遠(yuǎn)離諧振頻率，所以相當(dāng)于短路到地，而此時(shí)的傳輸線相當(dāng)于半波長的傳輸線，因此此時(shí)在漏極看到的阻抗為零。這相對(duì)于芯片而言是過于巨大，使得F類功率放大器不容易高度集成。 表 功率放大器分類總結(jié)類型原理導(dǎo)通角 (%)最大效率(%)線性度輸出功率A電流源10050好中B50中中AB50100中中C050100差低D開關(guān)50100差高E50100差高F50100差高 共軛匹配和負(fù)載線匹配共軛匹配的概念已經(jīng)被廣泛的接受和熟知。 圖 兩種類型的匹配為了能夠充分的利用器件的性能，我們使用一個(gè)低于信號(hào)源阻抗的負(fù)載電阻。 D類放大器原理分析功率放大器的主要問題是如何盡可能提高它的輸出功率和效率。從上一章的分析可以看出，功率消耗在管子上的原因是電流ic流過MOS管時(shí)，MOS管漏極和源極間的電壓vDS不為零。輸入激勵(lì)信號(hào)使功率管T1和T2交替導(dǎo)通，并處于開關(guān)工作狀態(tài)。最終我們得到RL上的輸出電壓Vout為： 圖 D類功率放大器電路與B類、C類放大器不同，D類功率放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的所有參數(shù)都需要精心設(shè)計(jì)，其負(fù)載網(wǎng)絡(luò)不僅僅提供功率匹配到負(fù)載的功能，而且還用于調(diào)整開關(guān)電流和電壓的相位差，使得在開關(guān)的時(shí)刻電流和電壓相互不交疊。 晶體管損耗D類功率放大器的損耗主要來自于有源器件。我們稱該電阻為關(guān)斷電阻Roff. 根據(jù), Roff 在理想的情況下為無窮大，可以等效為開路。 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的損耗 集總負(fù)載網(wǎng)絡(luò)元件在實(shí)際中是含有寄生分量的，特別是低Q值的在片電感。這些諧波將損耗一部分功率。2. 高摻雜硅襯底與半絕緣襯底不同，CMOS工藝具有高摻雜的襯底，而這樣的高摻雜襯底在功率放大器會(huì)造成泄露問題，給集成在同一個(gè)芯片上其他電路模塊，例如VCO等帶來穩(wěn)定性的問題。而這樣的一個(gè)高阻抗變換率將造成在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗。5. 為了給負(fù)載提供足夠的功率，功率放大器通常具有很大的電流。在射頻應(yīng)用中，任何元件的寄生分量還會(huì)消耗額外的功率，導(dǎo)致功率放大器性能和效率的惡化。因此，多級(jí)的設(shè)計(jì)是必須的。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用兩級(jí)的功率放大器。(1) F類放大器F類放大器是一個(gè)理想的解決方案。因?yàn)橥休^大的電流流過該電感，所以在集成的時(shí)候需要很寬的線寬或者兩個(gè)并聯(lián)的電感一起使用。反相器的尺寸逐漸增大，驅(qū)動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)最終來驅(qū)動(dòng)放大器大尺寸的PMOS管和NMOS管。由于輸出放大器的功率MOS有很大的柵源電容及更大的柵漏電容，所以就要求功率MOS的柵極驅(qū)動(dòng)放大器要能夠提供非常大的瞬態(tài)電流，用來確保功率開關(guān)管能夠快速地開啟和關(guān)斷，以減小開關(guān)損耗，并且防止輸出放大器的兩個(gè)功率MOS同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通。另一方面，大的晶體管也帶來大的寄生電容Cdb和Cds，這些寄生電容會(huì)在高頻時(shí)候嚴(yán)重影響到電路性能。，從單端看過去，它由M3M10采用倒置寬長比的方式來使得最后一級(jí)輸出管中的一個(gè)功率MOS關(guān)斷后，另一個(gè)功率管開啟，這樣就避免了在輸出管M1和M2在開關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，出現(xiàn)大的直通電流，以及可能引起的閂鎖效應(yīng)[1516]。從而使M1和M2的柵極控制信號(hào)有一定的死區(qū)事件。否則，輸出信號(hào)將被反射回電路，造成穩(wěn)定性的問題。阻抗變換率可以用r表示,定義為： 由上述這些等式可以得到所需的元件值。負(fù)載的設(shè)計(jì)需要從設(shè)計(jì)指標(biāo)入手：Vdd=, Pout7dBm, f0=。這樣可以省去了輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以減小了芯片的面積，同時(shí)，也避免了根據(jù)公式()消耗在匹配網(wǎng)絡(luò)上的功率，提高了電路的整體性能。將輸出信號(hào)通過L型網(wǎng)絡(luò)和巴倫結(jié)構(gòu)將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，然后通過兩個(gè)電容構(gòu)成的L型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行負(fù)載匹配。幾個(gè)主要的思路分別是幾個(gè)放大器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)、改變輸出晶體管的尺寸、調(diào)節(jié)電源電壓等。本設(shè)計(jì)中采用的是并聯(lián)多個(gè)功率放大器的方法。電路受工藝角影響較大，主要是由于不同工藝角下有不同的電壓閾值，其中FF的偏小，SS的偏大，但是假若能夠通過工藝角的偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整偏置電壓的大小，就能一定程度上彌補(bǔ)工藝角的偏差對(duì)電路所造成的影響。同理，該電路也可以對(duì)溫度變化起到一定的補(bǔ)償作用。當(dāng)輸入輸出達(dá)到良好匹配時(shí)，輸入輸出端口的反射系數(shù)為最小。(a)(b)圖 功率放大器穩(wěn)定性仿真 穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)必須要十分重視的一個(gè)問題。在工作頻率范圍內(nèi)也小于1?？刂谱譃?11時(shí)，(a)(b)圖 011控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為011的情況下，%。控制字為111時(shí)，(a)(b)圖 011控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為111的情況下，%?？刂谱譃?11時(shí)，(a)(b)圖 011控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為011的情況下，%?？刂谱譃?11時(shí)，(a)(b)圖 011控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為111的情況下，%?？刂谱譃?11時(shí)，(a)(b)圖 011控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為011的情況下，%。控制字為111時(shí)，(a)(b)圖 111控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為111的情況下，%。控制字為011時(shí)，(a)(b)圖 111控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為011的情況下，%。控制字為111時(shí)，(a)(b)圖 111控制信號(hào)下的 (a)功率放大器增益 (b)PAE，在控制字為111的情況下，%。而功率放大器能否集成對(duì)于整個(gè)射頻收發(fā)機(jī)芯片有很重要的意義。本論文給出了基于TSMC RF GHz無線傳感網(wǎng)絡(luò)的射頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法。本文的主要貢獻(xiàn)在于，為使用CMOS工藝設(shè)計(jì)D 類功率放大器積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)SMIC的CMOS的工藝有較深入的了解。 展望模型對(duì)集成電路的設(shè)計(jì)尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)無線標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)線性度做了一定的要求，故還需要設(shè)計(jì)額外的補(bǔ)償電路使得功率放大器能夠提供足夠的線性度。當(dāng)晶體管導(dǎo)通的時(shí)候，電流將對(duì)該寄生電容充電，在上面儲(chǔ)存的能量并耗散。在后續(xù)的工作中，可以投入更多的精力到這些問題上。 首先，要感謝我的導(dǎo)師李智群教授。其次要感謝我的學(xué)長汪振民同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，有一階段，我對(duì)功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可就是調(diào)不出需要的指標(biāo)，于是請(qǐng)教汪振民學(xué)長，他總是不厭其煩地為我解釋每一個(gè)細(xì)節(jié)問題，和我一起討論結(jié)構(gòu)存在的問題，讓我從中學(xué)習(xí)了很多功率放大器設(shè)計(jì)的知識(shí)。 最后，特別感謝我的爸爸、媽媽，是他們?cè)诟鞣矫婺P(guān)心我，感謝他們多年來對(duì)我的支持與關(guān)愛，他們是我生命中最重要的人