cmos射频功率放大器综述综述

1、CMOS射频功率放大器 综述报告人：罗乐（1502202013）时间：2016年4月20日目录CMOS 功率放大器的概述研究背景及目的CMOS 功放的特点及其现状射频器件及技术的发展射频功率放大器的应用CMOS功率放大器的设计基础总结和展望 参考文献一、CMOS 功率放大器的概述 研究背景及目的n射频功率放大器是射频收发(T/R)组件中的重要模块，它的作用是将射频信号放大到足够高的功率电平，然后通过天线发射出去。射频功率放大器可以保证无线信号的可靠传输，其性能好坏直接决定着整个射频收发系统。n射频收发组件广泛应用在军用和民用事业中，包括全球定位系统，通信，导航，雷达，广播电视等。射频T/R组件

2、的发展方向是实现低成本，低功耗，高性能高集成度的SOC芯片。当前微电子技术发展迅猛，新工艺新材料技术不断走向成熟，从而大大推动了微波单片集成电路的发展。n现代无线通信的发展不可避免的要求把数字、模拟甚至是射频模块集成在一起。为了减少成本，目前发展的趋势即是采用CMOS工艺实现整个芯片的片上集成。无论是学术界，还是业界，都已出现了性能优异的产品或者样片。n无线通信市场激烈的竞争不仅要求无线通信系统完成基本通信功能，更对其提出了低成本、高效率及高可靠性等性能要求。因此，采用CMOS工艺将无线收发机更多模块集成在一个芯片上逐惭成为无线通信技术的发展趋势。CMOS功放的特点及研究现状n CMOS工艺在

3、基带，电源管理，DSP,混频器，低噪声放大器，压控振荡器等关键组件上的集成得到了广泛的应用。但是功率放大器(PA)在CMOS工艺下的应用并不广泛，功率放大器的主流工艺依然是GaAs工艺。n成本方面，CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜，但CMOS功放版图面积比较大。再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高，使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。n性能方面，CMOS功率放大器在线性度，输出功率，效率等方面的性能较差。nCMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。CMOS工艺与其他工艺的比较CMOS功放的特点及研究现状n CMOS PA最大的优

4、点是有利于提高系统的集成度，并且CMOS工艺比较成熟，流片成本较低。n国际上领先的专注于射频和无线半导体解决方案的大公司也转向CMOS功率放大器的研发。2013年5月，高通宣布推出基于CMOS的多模多频PA产品线，这是高通首次进军CMOS功放市场。2012年11月，RF Micro Devices以4750万美元收购CMOS PA初创公司Amalfi，有利地推进了CMOS功放在低端入门级智能手机中的应用。2009年Skyworks收购Axiom Microdevices，其中Axiom己经在2G手机上实现CMOS PA的千万片的出货量。众多国内外高校和研究机构对CMOS功率放大器的研究进展：n

5、 2001年，Timothy等人利用0.2um厚栅CMOS工艺制作了900MHz的F类放大器，峰值输出功率为1.5W，功率附加效率为43%，芯片大小为1 X 2mm2.。n 2003年，Tirdad,Domine等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的AB类功率放大器，该放大器为两级共源共栅结构。输出功率为23dBm时，最大PAE为42%。n 2006年，Jongchan Kang等人采用0.13um CMOS工艺制作了2.4GHz的Doherty放大器，P1dB点输出功率为22.7dBm，最大PAE为60%,5dB功率回退点PAE为35%。n 2008年，Javad, Pooy

6、a等人采用厚栅0.2um CMOS工艺制作了900MHz的F类放大器，采用偶次谐波滤波技术，得到最大PAE为56%，最大输出功率29.8dBm。n 2008年，Li-Yuan Yang等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的全集成Doherty结构放大器。该放大器采用Cascode-Cascade结构，芯片面积为1.97 X1.4mm2。P1dB点输出功率为21 dBm，功率附加效率为14%，7dB功率回退点PAE为10%。射频器件发展射频器件发展射频功率放大器的应用 射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及

7、各种工业装备中。 在军用与铁路通信中，功率放大器通常被用于无线通信系统发射机、军用雷达的核心器件。 在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s，单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。 为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就要求提高PA的效率。 为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益。二、CMOS功率放大器的设计基础功率放大器的分类开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，将有源晶体管驱动为开关模

8、式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到功耗为零，理想的效率能达到100%。单级功率放大器设计单级功率放大器的结构单级功率放大器是放大器的最基本组成单元，研究单级放大器的设计方法，是设计其他类型功率放大器的基础。一个完整的单级功率放大器除了功率器件以外，还包括输入匹配电路，输出匹配电路，稳定电路，偏置电路，隔直电路。射频功率放大器指标性能 射频功率放大器指标性能 功率放大器的线性化技术目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术包括，功率回退，负反馈，前馈，预

9、失真，包络消除与恢复(EER)，利用非线性元件进行线性放大(LINC) 。较复杂的线性化技术，如前馈，预失真，包络消除与恢复，使用非线性元件进行线性放大，它们对放大器线性度的改善效果比较好。而实现比较容易的线性化技术，比如功率回退，负反馈，这几个技术对线性度的改善就比较有限。功率放大器的线性化技术比较Lange耦合器版图由集总参数元件等效的Wilkinson型功分器 Wilkinson功分器版图三、总结和展望l国外在射频领域起步较早，技术上的优势明显，一些世界知名的企业己经成为了行业内的佼佼者，例如:半导体行业的freescale, TI, ADI, ST等;在射频测试测量行业内的安捷伦公司、

10、美国国家仪器NI等;在整机功率放大器行业的美国AR公司等。l国内的射频研究起步较晚，无论是在理论研究，器件工艺和系统整体方面都处在相对初级阶段，由于受到军工产品禁运限制，很多高功率、高频率、高效率的射频功率放大器禁止出口中国。l功率放大器在航天科技、卫星通信、军用通信等方面的作用巨大，只有掌握射频电路设计核心技术，提高半导体设计工艺，才是突破国外厂商技术封锁的唯一途径。l我国对于高精密设备的设计和生产越来越重视，国家也提出了针对核心电子器件等领域的“核高基”计划，国内对于射频技术的研究也在不断进步，一些学者的研究成果在国际会议和期刊上取得了较为瞩目的成果。l目前我国在民用商用射频功率放大器和射

11、频接收机的整机设计能力己经有了质的提高，这也是我国技术实力和综合国际不断提高的重要标志，相信在将来，我国在射频领域科技发展水平会得到不断的提高。参考文献 1 王志华，吴恩德，“CMOS射频集成电路的现状与进展”，电子学报，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. 参考文献 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，“射频功率放大器的研究与设

15、计”，硕士学位论文，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. 参考文献 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. 参考文献 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