（电路与系统专业论文）035μm+sige+bicmos工艺35ghz功率放大器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的不断发展，无线应用如手机、无线局域网等已广泛应用于日常生活。卫星 通信以其频带宽、通信容量大、覆盖范围大等优点成为现代无线通信中极其重要的一种通信方式。 射频功率放大器位于发射机的末端，将调制和变频后的信号进行功率放大并通过天线传输出去， 是无线通信系统中的关键模块之一，因此研制射频集成功率放大器对卫星通信具有重要的意义。 设计射频集成功率放大器的常见工艺有g a a s 、s i g eb i c m o s 和c m o s 等。g a a s i 艺具有较好的 射频特性和输出功率能力，但其价格昂贵，工艺一致性差；c m o s i 艺的功率输出能力不大，很难 应用于高输出功率的场合；而s i g eb i c m o s i 艺的性能介于g a a s 和c m o s 工艺之间，价格相对低廉 并和c m o s 电路兼容，因此非常适合于中功率应用场合。本文正是基于s i g eb i c m o s 工艺的功率放 大器设计的探索性研究。 本文介绍了应用于卫星通信系统的射频集成功率放大器的设计和实现，使用的工艺为a m s 0 3 5 1 m as i g eb i c m o s 。该功率放大器采用a 类共发射极结构。总体电路由三级放大器级联构成，其 中第一、第二和第三级的放大晶体管的面积比为1 ：2 ：4 。总体电路包括一个输入匹配网络、两个级间 匹配网络和一个输出匹配网络。各级的偏置电路采用有源比例镜像电流源电路。前仿真结果表明该 芯片满足性能指标要求，但是由于流片时间的限制没有足够的时间进行后端验证。所得样片的测试 结果表明，该功率放大器直流偏置正常，能稳定工作，其中心频率偏移：i i j 8 0 0 m h z ，功率增益为2 4 d b ， 2 输出l d b 压缩点功率为2 5 d b m ，芯片面积为1 6 4 x 1 4 8 r a m 。 论文按照电路设计、仿真、版图设计、流片和芯片测试的顺序详细介绍了功率放大器芯片的设 计过程及最终的测试结果。通过对测试结果和前、后仿真的结果进行对比，对其原因进行了分析， 并提出了下一轮设计的方法和应注意的问题。 【关键词】 s i g eb i c m o s 工艺；射频集成功率放大器；负载牵引；击穿电压b v c f o ：l d b 压缩点；功率附加效 益 a b s t r a e t a b s t r a c t w 汕t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sp r o d u c t ss u c ha sm o b i l e 曲o n e ， w l a ne t eh a v ea l r e a d yb e e nu s e di nd a i l ya p p l i c a t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f w i d eb a n d ，h i 【9 1 1c o m m u n i c a t i o n c a p a c i t ya n dw i d ea r e ac o v e r a g eo fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nh a v em a d ei to n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s r fp o w e ra m p l i f i e rl i e sa lt h ee n do f t h et r a n s m i t t e ra n di t sm a i nt a s ki st oa m p l i 母t h em o d u l a t e ds i g n a l a n dt r a n s m i ti tt h r o u g ha n t e n n a i ti so n eo ft h ek e yp a r t sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m se s p e c i a l l yl i k e t h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hn e e d sh i g hl i n e a r i t ya n dh i g ho u t p u tp o w e r a sar e s u l t ，i ti s m e a n i n g f u lt or e s e a r c ha n dd e v e l o pr fp o w e ra m p l i f i e r sf o rs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s t h ec o m m o n l yu s e dt e c h n o l o g i e sf u rr fp o w e ra m p l i f i e rd e s i g na r eg a a s ，s i g eb i c m o sa n dc m o s t h eg a a sp r o c e s sh a se x c e l l e n th i g h f r e q u e n c yp e r f o r m a n c ea n do u t p u tp o w e rc a p a c i t y , b u ti ti sq u i t e e x p e n s i v ea n dt h eu n i f o r m i t yi sb a dd u et op r o c e s sv a r i a t i o n s c o n t r a r i l y , c m o sp r o c e s sh a sl o wo u t p u t c a p a c i t ya n di ti sd i f f i c u l tf o rh i g ho u t p u tp o w e ra p p l i c a t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo fs i g eb i c m o si sb e = t w e e n g a a sa n dc m o sw i t hr e l a t i v e l yl o wc o s ta n dc o m p a t i b l ew i t hc m o sc i r c u i t s h e n c e ，i ti sag o o dc h o i c ef o r m e d i u mo u t p u tp o w e ra p p l i c a t i o n s t h i st h e s i si s j u s tt h ep r e - r e s e a r c ho f t h er fp o w e ra m p l i f i e rd e s i g n e db y s i g eb i c m o sp r o c e s s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g no fap o w e ra m p l i f i e rf o rs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n si na m s 0 3 5 1 a ns i g e b i c m o sp r o c e s s t h ec l a s sat y p ew i t hc o m m o ne m i t t e rs t r u c t u r ei sc h o s e n t h ec i m u i ti n c l u d e st h r e e c a s c a d e ds t a g e sa n dt h et o t a lt r a n s i s t o ra r e ar a t i of o re a c hs t a g ei s l ：2 ：4 i th a so n ei n p u t m a t c h i n gn e t w o r k , t w o i n t e r - s t a g em a t c h i n gn e t w o r k sa n do n eo u t p u tm a t c h i n gn e t w o r k t h ea c t i v ep r o p o r t i o n a lc u r r e n tm i r r o rb i a s c i r c u i ti sc h o s e nf o re a c hs t a g e t h ep m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea m p l i f i e rc h i pm e e t st h es p e c i f i c a t i o n s ， b u ti ti sn o tv e r i f i e db yp o s t - s i m u l a t i o nd u ot ol i m i t i n gt a p e - o u tt i m e t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h i pc a u w o r ks t a b l y , b u tt h ec e n t e rf e q u 哪i ss h i f t e dt o8 0 0 m h zw i t hp o w e rg a i no f2 4 d bu n dl d bc o m p r e s s i o n o u t p u tp o w e ro f 2 5 d b m t h et o t a la r e ao f t h ec h i pi s1 6 4 x 1 4 8 m m 2 c i r c u i td e s i g n , s i m u l a t i o n , l a y o u td r a w i n ga n dm e a s u r e m e n to ft h ec h i pa r ep r e s e n t e di nd e t a i li nt h i s t h e s i s t h e nd e t a i l e da n a l y s i so ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t si sg i v e n t h er e a s o n s 黜a n a l y z e db a s e do n s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s a tl a s t , t h ed e s i g nm e t h o di sg i v e nf o rn e x tt u r nd e s i g n k e y w o r d s s i g eb i c m o st e c h n o l o g y ；r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dp o w e ra m p l i f i e r ；l o a d p u l l ；b r e a k d o w nv o l t a g e b v c e o ；l d bc o m p r e s s i o np o i n t ；p o w e r a d d e de f f f i c i e n c y 图表目录 图表目录 图1 1 无线通信系统典型结构2 图1 2 类同模块( r e s e m b l ep a c k a g e ) 结构2 图1 3 直接上变频结构3 图1 4 超外差式结构3 图1 5s i g eb i c m o s 工艺截面图4 图1 6 k n e e 电压对负载线匹配的影响6 图1 7 功率放大器设计流程图一6 图2 1 典型线性功率放大器典型电路9 图2 2 典型的b 类功率放大器电路1 1 图2 3 线性功率放大器各次谐波、功率利用因子和效率随导通角的变化关系曲线1 2 图2 4 阻抗负载线示意图12 图2 5 双线性分段线性近似1 5 图2 6 谐波平衡分析电路描述1 6 图2 7 谐波平衡法应用于双极性h b t 器件1 7 图3 1h b t 非线性模型1 9 图3 2s i o eb i c m o s 采用的v b i c 模型2 0 图3 3 分立元件匹配网络的八种电路结构2 l 图3 4 三元件匹配网络2 2 图3 5 单节短截线匹配网络的拓扑结构2 3 图3 6 双短截线匹配网络结构2 3 图3 7 包括传输线段和分立电容元件的混合匹配网络2 3 图3 8 简单的场效应管和双极性管偏置2 4 图3 9 典型的_ ：双极性晶体管偏置电路2 5 图3 1 0 双极晶体管偏置电路2 5 图3 11 双端口网络y 参数表示2 6 图3 1 2l d b 增益压缩点3 0 图3 1 3 互调失真示意图3 1 图3 1 4 寄生振荡等效电路3 4 图3 1 5 防止低频振荡的基本电路结构3 5 图3 1 6 防止高频振荡的功率放大器原理图3 6 图3 1 7 具有输出稳定r l c 电路的功率放大器原理图3 6 图4 1 功率放大器的总体电路结构框图4 0 图4 2 单级放大器设计示意图4 2 图4 ，3 单个晶体管直流特性曲线4 2 图4 4 放大晶体管之间使用平衡电阻示意图4 2 图4 5 第二级和第三级放人器级联设计示意图4 3 图4 6 功率放大器的电路结构4 3 图4 7 简化的单级放人器电路4 4 图4 8 简化的单级放人器小信号等效电路4 4 图4 9 镜像电流源偏置电路4 6 东南大学硕士学位论文 图5 1 小信号s 参数仿真结果性能曲线4 9 图5 2 总体电路的稳定性因子k 和品5 0 图5 3 人信号s 参数仿真性能曲线5 0 图5 4 输出功率、功率增益及功率附加效率随输入功率变化的关系曲线5 l 图5 5 双音仿真i i p 3 性能曲线5 l 图5 6 负载牵引结果5 l 图5 7 增益随频率变化的关系曲线5 2 图5 8 芯片版图和焊盘布局图5 4 图5 9 稳定性因子k 和蜀随频率变化曲线，5 4 图5 1 0 输入、输出特性及增益随频率变化曲线5 5 图5 1 i 低偏置电流下的输入、输出特性及增益随频率变化的关系曲线5 6 图6 1 功率放大器芯片照片5 7 图6 2 功率放大器完整电路图5 7 例6 3 功率放人器测试p c b 板5 8 图6 4 芯片键合剑p c b 板照片5 9 图6 5 功率放大器模块照片5 9 图6 6 测试环境照片6 0 圈6 7 简化的电路方框图6 0 图6 8 直流静态点测试连接图6 l 图6 9 检验臼激振荡连接图6 1 图6 1 0s 参数测试连接图6 l 图6 11l d b 压缩点测试连接图6 1 图6 1 2s 参数测试结果曲线6 2 图6 1 3 输出l d b 压缩点测试曲线6 3 图6 1 4 芯片f 沉后s 参数性能6 3 图6 1 5 外部强加寄生电容示意图6 5 图6 1 6 按m i m 电容的1 2 0 加入原参数提取后的电路图后仿真结果6 6 图6 1 7 按m i m 电容的1 4 0 加入原参数提取后的电路图后仿真结果6 7 图6 1 8 级间旺配网络寄生效麻示意图6 7 图6 1 9 解决级问l c 匹配网络的方法6 7 图6 2 0 提出的新的设计方法流程示意图一6 9 图6 2 1 功率输出级设计方法示意圈一6 9 表5 1a d s 和c a d e n c e 关键性能指标前仿真结果5 2 表5 2 芯片焊衙说明5 3 表5 3 前仂真和后仂真关键性能指标对比5 5 表6 i 低偏置条“一r 的后仿真结果跟测试结果比较表6 4 表6 2 强加寄，f j 电容数据表6 6 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 缩印或其他复制手段保存论文。本人电 除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑_ 叁生导师签名： 第章概述 1 1 卫星通信简介 第一章概述 卫星通信是无线通信的重要组成部分，是现代社会进行信息传输和交换的重要工具之一。卫星通信 的主要特点有：l 、覆盖范围大( 通信成本与通信距离无关，适用于广播方式，便于网络快速扩容及站 点应急部署) ；2 、通信距离长，传输延时长，传播损耗大：3 、工作频率较高，部分频段存在降雨衰耗， 带宽和通信容量较大；4 、建网和使用成本高( 地球站设备和天线、以及网管系统的一次性投入，专业 建站人员的施工费用，卫星转发器的租金等) 。 电磁波辐射的电场矢量方向可按旋转或线性方式变化，对应的两种电磁波分别被称为圆极化波和线 极化波。圆极化包含相互正交的左旋和右旋两种极化方式，线极化包含相互正交的水平和垂直两种极化 方式。卫星通信常用的电磁波极化方式有交叉极化频谱复用、双线极化复用及双圆极化复用。交叉极化 频谱复用是在相同的频段同时使用水平和垂直( 或者左旋和右旋) 这两种相互正交的极化方式，被称为 交叉极化频谱复用。采用交叉极化频谱复用方式的通信卫星可以双倍利用频谱资源。地区性和国内通信 卫星多采用双线极化复用方式。国际卫星组织的c 频段转发器多采用双圆极化复用方式。国际电信联 盟分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式。由于圆极化电波在穿越雨区时，更容易产生去极化效应， 降低交叉极化隔离度。国际电联规定，广播卫星在经过协调后，也可以改用双线极化复用方式。 卫星通信按照工作频段划分为：l 频段( i - 2 g h z ) ，用于移动通信、声音广播；s 频段( 2 3 g h z ) ， 用于移动通信、图像广播；c 频段( 4 - 6 g h z ) ，用于固定通信、声音广播；x 频段( 7 - 8 g h z ) ，用于 固定通信( 通常用于政府和军方业务) ；k u 频段( 1 0 1 4 g h z ) ，用于固定通信、电视直播及k a 频段 ( 1 7 3 1 g h z ) ，用于固定通信、移动通信。按照轨道高度划分为：低轨( 轨道高度低于5 0 0 0 公里) ： 中轨( 轨道高度在5 0 0 0 到2 0 0 0 0 公里之间) 和高轨( 轨道高度高于2 0 0 0 0 公里) 。按照转发器类型划 分为：1 、透明信道，又称弯管式( b e n dp i p e ) ，不对收自地面的信号作解调处理，经过变频后直接转 发回地面；2 、星上处理，对收自地面的信号作解调和交换处理、以及变频和波束选择后，再转发回地 面；3 、存储转发，暂时存储收自地面的信号，在特定的时间和地点回传给地面，通常用于低轨小卫星。 从地面向卫星发送的载波工作频段称为上行频段，从卫星向地面发送的载波工作频段称为下行频段。上 行频段的工作频率通常高于下行频段。对于固定卫星业务的常用工作频段有1 、c 频段，上行 5 8 5 0 - 6 4 2 5 m h z ，下行3 7 2 5 - 4 2 0 0 m h z ，上下行频率之差通常为2 2 2 5 m h z ；2 、c 扩展频段，上行 6 4 2 5 - 6 7 2 5 m h z ，下行3 4 0 0 3 7 0 0 m h z ，上下行频率之差通常为3 0 2 5 m h z ；3 、k u 频段，在中国所在的 i t u3 区，上行1 4 0 1 4 5 g h z ，下行1 2 2 5 - 1 2 7 5 g h z ，上下行频率差通常为1 7 5 0 或1 7 4 8 m h z 。i t u3 区的广播卫星业务常用工作频段：k a 频段上行，1 7 3 1 7 8 g h z ；k u 频段上行，1 4 5 1 4 8 g h z ( 仅分配 给部分国家) 和k u 频段下行，1 1 7 - 1 2 2 g h z 。 本文设计的射频集成功率放大器是泉州雷克有限公司和东南人学射频与光电集成电路研究所合作 开发的用于卫星通信中c 扩展频段下行链路的功率放人模块或者功率驱动模块，采用的工艺是a m s 0 3 5 i l ms i g eb i c m o s 。本次设计是对采用s i g eb i c m o se 艺开发_ l i j 于卫星通信的功率放大器的探索性 研究。随着无线通信的广泛应用与普及，需要对射频前端系统进行低成本的集成化设计，而集成射频功 率放火器是无线通信中不可缺少的重要模块，具有高的附加价值，也是影响系统性能和整体造价的重要 东南大学硕士学位论文 模块之一。同时，射频集成功放是集成电路设计中具有挑战性的研发领域之一，也是进行低成本设计的 主要方面。因此，开展集成射频功率放大器的研制具有重要的意义。 1 2 无线通信系统结构 无线通信系统包括接收机和发射机两部分，其结构具有相对的一致性，不像其它系统具有灵活多变 的系统结构。接收机主要包括低噪声放人器、f 变频器、滤波器等模块发射机主要包括上变频器和功 率放大器等模块。除此之外还包括收发信机的频率合成器。接收机根据结构上的筹别又分为超外著结构、 零中频结构、低中频结构、镜像抑制等结构。而发射机可分为直接上变频结构、超外差式结构及直接数 字调制结构等。 1 2 1 无线收发信机结构介绍 无线收发信机的典犁结构框图如图1 1 所示，它包括发射通道和接收通道。从图中可以看出功率放 大器何于发射机的末端，但它是警个系统中消耗功率最大和占据面积较人的一个模块，是影响整机性能 的重要模块，对低成本设计、系统集成及“，铝性起着重要的作用。 图1 1 无线通信系统典型结构 蚓1 2 类同模块( r e s e m b l ep a c k a g e ) 结构 q 第一章概述 目前集成电路的发展正朝着系统级芯片发展( s o c ) 。而对无线通信来说随着软件无线电的发展， 无线通信系统的大部分模块将用软件实现，大部分工作由d s p 处理器完成，但是无论如何收发信机中 的低噪声放大器、功率放大器是没有办法用软件的方法实现的。未来的无线通信收发信机结构会朝着类 同模块( r e s e m b l ep a c k a g e ) 的结构发展”，也就是对硬件来说几乎所有的无线通信系统都具有这样的 结构，其结构框图如图1 2 所示。 1 2 2 无线发射机介绍 无线发射机有直接上变频结构、超外差式结构及直接数字调制等结构，其中的关键模块功率放大器 位于发射机的末端。直接上变频器只需要一次变频就可以把信号发射出去，具有结构简单的特点，但是 功率放大器会对本振信号形成干扰，本振信号需要通过加减一个偏移量来避免这个问题，其结构如图 1 3 所示。超外差式结构需要两次变频因此结构相对复杂，但是功放与本振信号之间具有良好的隔离度， 而且可以达到较高的调制质量，其结构如图1 4 所示。 q q 图1 3 直接上变频结构 1 3 工艺介绍 图1 4 超外差式结构 目前用于射频功率放大器设计的工艺主要有硅、锗硅和砷化镓。硅基集成电路因具有大的产能、 高的集成度、较低的功耗和速度的极大提升，在数字、模拟、模数混合及射频、中频模块较占优势。并 且它可以单电源操作，在成本、集成度上远超过砷化镓组件，但是在高频率、高输出功率上明显表现出 不足。砷化镓基集成电路因为材料特性的不同，在高频、高功率、高效率、高线性度、低噪声方面的电 气特性均远超过硅组件，然而其制造成本高，工艺一致性差，与硅基集成电路无法实现单片集成以及可 能需要负电源。因此，除些在其它工艺无法达到的高功率、高频率的特殊场合，一般不使_ i 砷化镓工 艺。 锗硅异质结双极晶体管是基于石丰基的新裂下艺，其性能介于硅和砷化镓之间。在制造过程中在硅基 中掺入适量的锗元素来改变其电气特性，因此与硅基电路兼容。b i c m o s 是把双极型晶体管( b j t ) 和 c m o s 器件同时集成住同一块芯片上的新型一j ：艺技术，它集中了上述单、烈极型器件的优点，两者“交 3 东南大学硕士学位论文 叉”结合，取长补短，调和折衷，为发展我国高速、高性能的各种通信、信息处理和网络电路、通信用 模拟数字混合微电子电路开辟了一条崭新的道路。由于其相对砷化镓低的制造成本和与硅基集成电路 单片集成的优点，在设计中功率、高线性度的射频放大器方面具有替代砷化镓的趋势，预计未来在具有 r f i c 的s o c 方面具有较好的前景。1 2 1 图1 5s i g eb i c m o s 工艺截面图 s i g eb i c m o s 技术具有一系列优于硅b i c m o s 技术和砷化镓技术的性能，现己在无线透信系统l c 芯片制造中获得广泛应用。s i g eb i c m o s 技术采用s i g eh b t 作有源器件，这是它与常规硅b i c m o s 技术的主要区别。s i g eh b t 是基区为锗硅应变层、发射区和集电区为硅的异质结双极晶体管，具有工 作频率高、基极电阻低、击穿电压高等优异特性，其微波特性尤为突出。在微波频段，s i g eh b t 己成 为砷化镓器件的竞争对手。此外，锗硅的制造：艺可以同常规硅i c 工艺相兼容。这种i ：艺兼容性使锗 硅器什可以沿_ l j 硅大晶圆i c 的生产设施进行制造，其生产成本比砷化镓i c 技术低得多。利用s i g e b i c m o s 技术容易在同一芯片上实现无线通信系统的r f 前端、基带信号处理电路和数字信号处理电路 的集成。 考虑到本次设计的输出功率为瓦级，工作频率并不是很低，并结合以上因素，采用2 p 4 m 的a m s o 3 5 i _ t ms i g eb i c m o s 工艺，其f 。艺截面图如图15 所示。 1 4 国内外研究现状及设计难点 由于s i g eb i c m o s 丁艺有相对优越的性能，自2 0i 盐纪9 0 年代发明以米受到了极人的关注，针对 它的功二字放人器的开发特别活跃。 4 第一章概述 1 4 1 国内外研究现状 目前国内在基于锗硅工艺的射频集成电路设计与应用上尚处于起步阶段，而且没有相应的工艺手 段，必须借助国外的代工厂进行，因此锗硅射频集成电路的开发还需一个较长的经验积累阶段。 国外采用s i g eb i c m o s 工艺的射频集成功率放大器已经广泛应用于w l a n 、c d m a 、w c d m a 及 t d - s c d m a 手机等终端产品的射频前端( 从基带到天线端的接收与发射) 单芯片系统集成中。商用器 件的工作频率已经可以达到3 g h z 以下，单片输出功率可以达到瓦级，噪声系数可以低于l d b ，单片上 可以集成包含双系统的射频前端，还有的已经可以将预失真电路、系统也集成剑单芯片中。因此，国内 跟国外有着很大的差距，开发具有自主知识产权的集成电路显得更加的紧迫和有意义。 1 4 2 功率放大器设计难点 射频集成功率放大器是集成电路设计领域具有挑战性的领域之一，主要存在以下难点： 1 、低耐压：本工艺晶体管的b v c e o 击穿电压只有4 v ，b v c a o 为1 3 v ，其中在集电极和发射极的平 均电压不超过b v c e o 的情况下击穿是可以恢复的，而集电极和基极的击穿是不可恢复的。同时放大管 是反相器件，当基极处于信号的峰值时，集电极为信号的谷值，因此加剧了集电极和基极的电压摆幅限 制，在设计时要严格注意b v c a o 。由于受晶体管低的击穿电压的限制，本设计要求有瓦级的输出功率， 因此只有通过增加电流来实现。电源电流在安培数量级，从而需要宽的金属走线，导致寄生参数和芯片 面积的增大。 2 、高功耗密度：由于功率放大器需要高线性度，一般不使用高效率的放大器类型，因此晶体管的 耗能较大，管子消耗的功率较大，造成单位芯片面积上热功耗密度增大，芯片发热严重。若不及时散发 热量将导致芯片无法工作，因此需要作好芯片的散热工作。 3 、材底问题：实现功率放大器所遇到的另一个问题是衬底耦合和衬底损耗问题。功率放大器的输 出功率很大，产生的强信号很容易通过衬底相互耦合，从而使其变得不稳定或耦合到其它的电路模块中。 对于低噪声放大器、混频器来说，这些耦合过来的强信号会对电路造成干扰，严重的还会使得这些电路 模块出现饱和；而对于振荡器来说，强信号耦合会引起频率牵引效应，振荡器的频率会受到耦合过来的 强信号的牵引而发生偏移。为了降低衬底耦合，除了不将功率放大器和其它易受干扰电路集成在同一芯 片上之外，另外的办法是采用有效的隔离措施并减小功率放大器耦合到衬底的信号强度。 衬底损耗是限制所有射频电路性能的一个主要因素。由于衬底损耗的存在，片上集成电感的品质因 子都较差。由于射频电路中大量使用电感元件，低品质因子的电感会严重影响射频电路的性能。对于功 率放大器来说，低品质因子的片上电感会限制放大器的增益，增加放大器消耗的电流，降低放大器效率， 而且当输出功率很大时，电感的寄生损耗也直接降低了功率放大器的输出功率能力和效率。 4 ，寄生参数的影响：由于布局布线的过程中引进的寄生参数及提取寄生参数时的不完整性导致后 仿真结果跟实际的测试性能不一致，给功率放大器的设计带来了困难。同时由于金属的走线较宽，分布 寄生参数较大，极大地影响功率放大器的性能，表现在后仿真跟前仿真的性能不一致性。因此要对其进 行分析、提取和优化以减轻其影响。 5 、k n e e 电压的影响：在设计功率放大器时，常使用负载线匹配方法。晶体管所能承受的最高电压 。受到晶体管击穿电压的限制，而最小电压则受至l j k n e e 电压的限制。k n e e 电压将烈极晶体管的工作区 划分为饱和区和放大区，常定义为晶体管集电极电流达到晶体管允许的最人电流l m a x 的某一比例( 如 9 5 ) 时的e 值。对于功率放人器来说，优化的负载值为：= ( 。一p k 。) 仉。，如图1 ，6 所示。从 图中可以看出，功率晶体管的k n e e 电压由于受短沟道效应的影响越来越大( 本上艺对应的静态偏置下 5 东南大学硕士学位论文 为1 v 左右) ，因此导致晶体管的工作区间缩小，如果仍然不让晶体管进入线性区工作，优化的负载阻抗 值将减小，为了维持相同的输出功率，输出级的电流必须增加，这会带来由于输出晶体管电流太大可能 导致的所有设计问题。此外还存在非线性失真、稳定性和功放的记忆效应的困难，在设计时需要加以考 虑。 图1 6k n e e 电压对负载线匹配的影响 图1 7 功率放大器设计流程罔 6 第一章概述 1 5 功率放大器的设计流程 功率放大器的设计流程主要分为以下几个部分，首先是根据系统要求确定电路性能指标，然后根据 指标要求查找相关资料确定功率放大器电路结构，在此基础上确定具体的电路和参数。然后使用a g i 【l e n t a d s 软件和c a d e n c e 软件进行前仿真并优化电路的各个参数，在确定电路达到性能指标后用c a n d e n c e 软件进行芯片版图设计，通过d r c 、l v s 及r c x 后进行后仿真，并根据后仿真的结果进行调整优化性 能，然后把设计好的版图转化成g d s i i 的格式并交代工厂流片。为了测试芯片，用p o w e r p c b 软件设 计测试功率放火器的p c b 板并进行芯片键合测试，然后对测试结果进行分析，若没达到要求则在总结 此次投片的基础上为f 次投片积累经验。其流程图如图1 7 所示。 1 6 论文结构 本论文的工作是用a m s0 3 5 0 ms i g eb i c m o s 工艺设计一个功率放大器。该功率放大器的性能指 标要求工作频率在3 3 3 g h z - 3 5 3 g h z ，输出l d b 压缩点功率大于3 0 d b m ，功率增益在2 0 r i b 左右，同时 要求是线性功率放大器。然后在实验室对芯片进行测试和分析，进行功能验证并为下一次设计作好准备。 全文共分七个章节。第一章介绍了项目的背景及应用领域，采用的工艺、设计难点和设计流程等。 第二章介绍了线性功率放大器的常用结构及分析方法。第三章介绍功率放大器的重要组成模块及主要的 性能指标。第四章是本文的重点，详细介绍了功率放大器电路的设计方法及具体电路的设计。第五章介 绍功率放大器的仿真结果和版图设计。第六章介绍芯片的测试及结果分析，同时在此次设计的基础上提 出了下一轮设计的方法。第七章是对全文的总结。 7 第二章线性功率放大器结构及分析方法 第二章线性功率放大器结构及分析方法 2 1 线性功率放大器结构 功率放大器有线性功率放大器和非线性功率放大器之分。前者用于线性放大的场合，如携带有调幅 信息的信号，其主要特征是输出信号幅度与输入信号幅度成线性，但效率相对于非线性放大要低，常见 的结构是a 类、a b 类、b 类和c 类；而后者主要用于恒包络的非线性放大场合，主要特征是输出功率 不受输入信号的牵制，晶体管工作于开关状态，需要大的输入驱动，一般增益较低，效率相对很高，常 见的结构是d 类、e 类和f 类等。当然使用非线性功率放大器加上一些线性化技术也能构成线性功率 放大器，但是复杂度大人提高。 2 1 1a 类功率放大器 典型的线性功率放大器电路结构如图2 1 所示1 3 a , 5 ，- 1 。图中r f c 为理想的r f 轭流圈，它具有零串 联电阻以及在工作频率处无穷大的电抗；c b 是隔直电容，其在工作频率处具有零电抗；上。和c o 组成的 并联网络谐振于工作频率处。 图2 1 典型线性功率放大器典型电路 当工作于a 类时，输入电压定义为： 式中为基极偏置电压。集电极电流为： v i a = + 圪c o s m o t t = i o + l e o s m o t 其中，南是偏置电流，为集电极电流幅值。对于负载电阻为纯电阻时，集电极电压可以写成： 式( 2 1 3 ) 又可以写成如下形式： ( 2 i 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) r 训 上月 也 鱼r ， 吨 逸r， 如 = = v c 查堕查兰堡主兰垡丝塞 式( 2 ，1 4 ) 决定了集电极电流随集电极电压的变化而变化，它们之间是一种直线函数关系。把式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 4 ) 中，结果集电极的电压也是余弦，但是相位反相。 v = 圪一v c o s 缈o t( 2 1 5 ) 由此可以得到a 类一r 作模式下的电源输出功率 、交流输出功率和集电极效率玎分别如下： r = 如 = o 5 1 v 叩寺2 瓦i v 。垮 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中和矿分别为电流和电压的幅值，f = 矿c 为集电极电压峰值因子。假设善：1 和1 1 。：1 ，即 最人输出电流幅值和零饱和电压条件下，由式( 21 8 ) 可知在a 类1 ：作模式下的最大集电极效率仅为 5 0 。 实际上，为了减小晶体管的1 r 线性特性对电路性能的影响，通常减小输出信号功率，从而使得a 类功率放人器的实际效率要低于5 0 。可见，a 类功率放人器的效率非常低，并且由卜偏首l 乜流的存 在，输出信号越小，敛事越低，极限情况f ，如输入信号为零，则效率也为零。a 类功率放人器的特点 可以概拓为：线性度好，效率低。 2 1 2 其它类线性功率放大器 从式( 2 1 8 ) 可知，增加，q 值可以增加集电极效率，这会导致余弦波形一步一步地变化，当电 流振幅在整个信号自然周期内的一部分低于“零值时，波形就变成了脉冲波形。在此情况下，有源器件 交替地工作在有源区和夹断区，因为并联谐振l c 电路有高的品质因数，仅仅基频信号流入负载，这样 的工作方式可写成： t = 如+ 艺。8 。口- o _ 。日，o o t ： 9 0 。时，c o s 0 0 ，对应r a b 类工作模式； 2 、当0 = 9 0 。时，c o s o = 0 ，o = 0 ，对应y - b 类一i 作模式； 3 、当口 o ，岛 0 ，对应于c 类l ：f 4 模式。 周期、 ，| 余弦输出电流可用傅立叶级数展开如f ： 第二章线性功率放大器结构及分析方法 1 c = l o + 1 lc o s c o