（电路与系统专业论文）018um+cmos+5ghz+wlan功率放大器.pdf

摘要 摘要 近几年来，计算机网络技术的逐渐成熟和飞速发展使之迅速地渗透和普及到了社会的各 个领域，并在许多方面改变了人们原有的生活方式和生活观念。另一方面，无线通信技术在 最近的几年时间里也得到了迅猛的发展。无线寻呼、移动通信等技术逐渐走进人们的生活。 现在，手机已经普遍地应用到人们的日常生活中，基本实现了随时随地通信的梦想。为了适 应信息爆炸增长对通信领域的更高要求，人们渴望将网络和无线通信的优点合二为一。即希 望通过便携终端设备，利用无线网络随时随地实现信息的共享和交换。在此背景下，无线局 域网技术应运而生。 本论文采用t s m co 1 8 u m 标准c m o s 工艺设计并实现用于i e e e8 0 2 1 l a5 g h z w i r e l e s sl a n 系统的射频发射机中的功率放大器。其功能是将已调信号进行功率放大，送 到天线中进行发射，保证在一定区域内的接收机收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道 的通信。本放大器要求采用线性功率放大，输入端实现5 0 欧姆阻抗匹配，输出2 3 d b m 的线 性功率。 本论文第二章讨论射频发射机的基本结构及其性能参数。 第三章详细分析各种功率放大器的电路结构和性能特点。 第四章介绍集成电路的工艺渠道、工艺选择和设计流程。 第五章讲述功率放大器的电路结构和版图设计，给出模拟结果。 第六章讲述电路的测试，并给出分析测试结果。 关键词 无线局域网射频发射机功率放大器射频集成电路c m o s 工艺 i i i 。【lp 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e rn e t w o r k sh a v ec h a n g e do u rl i f es t y l e sg r e a t l yo v e rt h ep a s tf e wy e a r s f r o mp l a i n t e x t st ov o i c e ，f r o ms t i l lp i c t u r e st om o v i e s ，s h a r i n gi n f o r m a t i o no v e rt h en e t w o r kh a sb e c o m ep a r t o fo u rd a i l yl i f e a n o t h e rt e c h n o l o g yt h a th a sm a d ee q u a li m p a c tt ot h es o c i e t yi st h ep e r s o n a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ew o r l d w i d es p r e a do fc e l l u l a r s y s t e m sh a s c o m p l e t e l y r e d e f i n e dt h er u l eo fc o m m u n i c a t i o n t i m ea n dp l a c ea r en o tb a r r i e r sa n ym o r e t h ee v e r - i n c r e a s i n gd e m a n df o rb o t hi n f o r m a t i o na n dm o b i l i t yc a l l sf o rt h ec o m b i n a t i o no f 。 t h ec o m p u t e rn e t w o r ka n dt h ew i r e l e s sc a p a b i l i t y an u m b e ro fs y s t e m se m e r g e dt om e e tt h e w i r e l e s sn e t w o r ka c c e s sr e q u i r e m e n t a m o n gt h e map r o m i s i n gc a n d i d a t ei st h ei e e e 8 0 2 1l a 5 - g h zw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) 一 i nt h i sp a p e r , ip r e s e n tt h ed e s i g no fap o w e ra m p l i f i e rf o rt h e5 - g h zw l a n a p p l i c a t i o n t h e c i r c u i ti sr e a l i z e dw i t ht s m co 18 u mc m o s t e c h n o l o g y i nc h a p t e r2 ，a r c h i t e c t u r e sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h er ft r a n s m i t t e ra r ed i s c u s s e d c h a p t e r3f o c u s e so nt h ec i r c u i t sa n ds p e c i f i c a t i o n so fa l lk i n d so fp o w e ra m p l i f i e r s c h a p t e r4i n t r o d u c e sm u l t i p r o j e c t w a f e r ( m e w ) a n dt h ep r o c e s so fi n t e g r a t e dc i r c u i t s d e s i g n c h a p t e r5i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h ep o w e ra m p l i f i e r t h ec i r c u i ta n dl a y o u to ft h e p o w e ra m p l i f i e ra r ed i s c u s s e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d ，t o o c h a p t e r6d e a l sw i t ht h em e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h ep o w e ra m p l i f i e r s h o w st h a tw eh a v en o tg o tt h eb e s tp e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i t ，m u c hw o r kh a st ob ed o n eo nt h e t e s t i n go ft h i sc i r c u i t k e yw o r d s ： w l a ni ut r a n s m i t t e r c m o s p o w e r a m p l i f i e r r f i v i n t e g r a t e d c i r c u i t s 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。 研究生签名：豸煮 日期：型兰- ! 东南大学学位论文使用授权声明 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、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。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：笪璺导师签名： t l r 日期：丝丝兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网技术的发展和现状 近几年来，计算机网络技术的逐渐成熟和飞速发展使之迅速地渗透和普及到了社会的各 个领域，在许多方面改变了人们原有的生活方式和生活观念。通过网络，人们可以获得各种 希望得到的信息，查找各种数据库。此外，随着网络带宽不断增加，各种多媒体应用也蓬勃 发展起来。i p 电话、网上寻呼、网络实时交谈和电子邮件已经成为人们重要的通信手段。 视频会议、视频点播、网络电视、网上购物等也逐渐走进普通人的生活、工作和学习中去。 网络打破了空间的限制，把世界变成了一个“地球村”。 网络世界虽然五彩缤纷，但它有一个很大的缺陷：目前的网络绝大部分都是有线网络， 它限制人们只能在固定的地点接入网络，不能随时随地利用网络。解决这个问题需要用到无 线通信技术。 无线通信技术在最近的几年时间里也得到了迅猛的发展。无线寻呼、移动通信等技术逐 渐走进人们的生活中。现在，手机已经普遍地应用到人们的日常生活中，基本实现了随时随 地通信的梦想。但手机只能进行语音和简单的短信息通讯，远远不能满足现代人大容量、高 速度数据通信的需求。 一方面是有线网络丰富的资源，另一方面是无线世界随时随地的通信。能不能把两者的 优点合而为一呢? 这样的需求就促使了无线局域网的诞生。无线局域网就是利用无线通信技 术把远程计算机以无线方式接入有线网络中，作为其中的一个节点，使之具有网上工作站所 具有的同样功能，并且把以无线方式相连的计算机组成一个局域网，实现信息的共享。无线 局域网具有以下特点： 可移动性，不受布线接点位置的限制； 数据传输速率高，大于1 m b p s ； 抗干扰性强，能实现很低的误码率； 保密性较强，可使用户进行有效的数据提取，又不至于泄密； 高可靠性，数据传输几乎没有丢包现象产生； 兼容性好，采用载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 介质访问协议，遵从i e e e8 0 2 3 以太网协议。与标准以太网及目前的几种主流网络操纵系统完全兼容，用户已有的网络软件 可以不做任何修改即在无线网上运行； 1 东南大学硕士学位论文 快速安装，无线局域网的安装不需要布线或开挖沟槽，可以根据需要实时地建立或撤销 一个临时网络，安装时间只是安装有线网络时间的零头。 就目前的状况来讲，计算机无线联网方式只是有线联网方式的一种补充，但是由于它本 身固有的特点必然会成为今后网络中的主角。现在，无线局域网已经成为通信领域新的热门 课题之一。 1 2 无线局域网标准 由于无线局域网潜在的市场规模，许多制造商都在致力于无线局域网的研究与开发。为 使不同供应商的产品具有互操作性，欧美日等发达国家及有关国际标准化组织都已经或正在 制定有关无线局域网的法规与标准。在已经制定的标准中，影响比较广泛的有以下几种： i e e e 8 0 2 1 1 标准。该标准是由美国i e e e ( t h ei n s t i t u t e o fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 机构制定的，主要分为8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l g 三种。8 0 2 1 l a 规定了工 ， 作在5 g h zu - n i i c o n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 频段上w l a n 的标准， 最高传输速率5 4 m b p s 。8 0 2 1l b 则工作在2 4 g h zi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，最高传输速率1 1 m b p s ，是目前市场上的主流技术。8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 由于采用 了不同的调制方式，所以两种标准的产品是不兼容的。为了和目前主流的8 0 2 1 l b 标准 兼容并且提高传输速度，i e e e 又制定了8 0 2 1 1 9 标准。该标准工作在2 4 g h z 频段上， 完全与8 0 2 11 b 兼容，但它还可以采用8 0 2 1 1 a 的正交频分复用( o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 调制方式，从而使最高传输速率达到5 4 m b p s 。 h i p e r l a n 标准。该标准是由欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组制定的，已推出h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 。这两种标准分别与i e e e 8 0 2 1 1 b 和 8 0 2 1 1 a 具有相同的物理层，工作在5 g h z 频段上，h i p e r l a n i 最高数据传输速率可达 2 3 5 m b p s ，h i p e r l a n 2 可达5 4 m b p s 。 h o m e r f 标准。该标准是由i n t e l 、i b m 、c o m p a q 、3 c o m 、p h i l i p s 、m i c r o s o f t 、m o t o r o l a 等成立的家用射频工作组h r f w g ( h o m er fw o r k i n gg r o u p ) 制定的。是在家庭区域范围 内的任何地方，在p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。该协 议主要针对家庭无线局域网，工作在2 4 g h z 频段上，支持语音和数据。 2 第一章绪论 1 2 1i e e e i i 0 2 1 1 a 标准 本次设计的功率放大器符合i e e e 8 0 2 1 l a 标准，该标准对无线局域网的物理层、工作频 段、数据速率和调制方式等作了详细规定，具体如下： 物理层：物理层定义了数据传输的信号特征和调制。i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层规定采用正交 频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 系统； 工作频段：5 1 5 g h z 5 2 5 g h z ，5 2 5 g h z - 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z ： 调制方式：b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，二进制相移键控) ，q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ，正交相移键控) ，16 一q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，正交幅度调 制) ，6 4 q a m ；图1 1 是几种不同调制方式的示意图： 数据速率：采用不同的调制方式和数据编码率，可以实现不同的数据速率，如表1 1 所 不： 数据速率 调制方式 编码率相对错误矢量 ( m b i t s )( r )( d b ) 6b p s kl 25 9b p s k3 48 1 2 q p s k 1 21 0 1 8 q p s k 3 41 3 2 4 1 6 一q a m 1 21 6 3 6 1 6 一q a m 3 41 9 4 8 6 4 一q a m 2 32 2 5 4 6 4 一q a m 3 42 5 表1 1 不同调制方式和数据编码率下的数据速率 载波划分：正交频分复用系统把一路载波分成几路正交调制的副载波，并行发射出去。 每一路载波带宽为2 0 m h z ，被划分为5 2 个子信道。其中4 8 个用来传输数据，其余4 个用来纠错。在每个子信道里面，数据可以采用不同的调制方式，这样就方便了接入不 同速率的设备。 东南大学硕士学位论文 b ，s k v j1 b o o 1 一r+ f - i q jl u 0 1 1 1 f 一 j-i f 1 1 0 i 0 0 。 一 d v 必 qjl b o b l 0 0l oo ll o l il o l o1 0 _- 一 0 01 1o l1 1i ll ii 0n _- f 一 _ 一，rq 7 t 0 00 熏o _ 1 0 羔1 10 l1 00 1 一 一 0 00 0g 10 01 l0 0耋o0 0 。一 ”1 一、1 “v i 0 0 01 0 00 0 l1 0 00 1 11 0 00 1 01 0 0 1 1 01 0 01 1 l1 0 0l o l1 0 01 0 01 0 0 l i b q 0 0 01 0 l0 0 1 1 0 i0 l l l o l0 1 01 0 1 1 1 01 0 11 1 l 1 0 ll o ii o l1 0 01 0 1 o 0l l lo o j 1 10 l l1 1 10 l o1 1 l i 熏01 薹l1 1 li 量l o l1 1 ll o 1 1 l - 一毒 一 0l l o0 0 li 1 0o l 1 1 00 1 0 儿o l l o1 l o1 1 ll l oi 0 11 1 0l o o1 1 0 - - _ i 一 一7一三l一3 一rj，一7 - r 0 0 00 1 00 0 10 1 00 1 10 1 00 1 0 0 1 01 1 0 0 1 0l l i0 l o1 0 10 1 01 0 q 0 1 0 一r 一 0 0 00 1 10 0 10 1 10 1 10 i l0 1 0 0 1 1l l o0 l ll l 0 l l1 0 10 1 11 0 0 0 1 l p一 ， 0 0 00 0 10 0 10 0 i0 1 10 0 10 1 0 0 0 11 1 00 0 1i 1 10 0 11 0 10 0 11 0 0 0 0 1 。 0 0 00 0 00 0 10 0 00 1 10 0 00 1 0 0 0 01 1 00 0 0l n0 0 01 0 10 0 01 0 0 0 0 0 一葶 图1 1b p s k ( a ) ，q p s k ( b ) ，1 6 一q a m ( c ) ，6 4 一q a m ( d ) 调制方式示意图 4 第一章绪论 发射功率：在不同的频段上，i e e e 8 0 2 1 1 a 对允许发射的最大功率作了限制，同时也决 定了各个频段不同的用途，如表1 2 所示： 工作频段( g h z ) 最大发射功率( r o w )工作范围 5 1 5 5 2 5 4 0 ( 2 5 m w m h z ) 室内 5 2 5 5 3 5 2 0 0 ( 1 2 5 m w m h z ) 室内 5 7 2 5 5 8 2 5 8 0 0 ( 5 0 m w m h z ) 室外 表1 2 不同频段上的最大发射功率和应用环境 1 2 2i e e e 8 0 2 1 1 a 标准的特点 现在，无线局域网产品市场正处于飞速发展过程中。据统计，2 0 0 2 年中国w l a n 设备 市场整体规模达1 4 1 亿元，比2 0 0 1 年增长了1 8 2 ，预计到2 0 0 3 年底，中国w l a n 设备 市场的整体规模将达3 0 8 亿元。市场中占主流地位的是符合i e e e 8 0 2 1l b 标准的无线局域 网产品，i e e e 8 0 2 1 1 a 相对于8 0 2 1 1 b 有自己的优点和缺点，概括如下： 数据传输速率高。这是i e e e 8 0 2 1 1 a 相对于8 0 2 1 1 b 最显著的优点。其最高速率是8 0 2 1 1 b 的5 倍，系统容量是8 0 2 1 1 b 的1 0 倍。 信号质量好，干扰小。由于8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段上，频带内的信号干扰小，并且 采用o f d m 的调制方式，比8 0 2 1 1 b 采用的d s s s 调制方式信号质量好。而8 0 2 1 1 b 工作在2 4 g h z 频段上，无绳电话、蓝牙设备等都使用这个频段，频带内的干扰较大。 安全性更高。 i e e e 8 0 2 1 1 a 设备成本高。由于工作在更高的频段上，系统也更复杂，增加了其产品的 成本。目前市场上，8 0 2 1 1 a 产品的价格是8 0 2 1 1 b 产品的4 倍。 i e e e 8 0 2 1 1 a 所需要的功率消耗较大。更高的数据传输速率和复杂的设备要求更多的功 率消耗，要达到与8 0 2 1 1 b 同样的信号覆盖范围就要消耗更多的功率，这一点对于便携 设备是不利的。 i e e e 8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 产品不兼容。工作频段的不同和调制方式等的不同使得两个系 列的产品不能兼容，不能在同一个网络内使用。所以8 0 2 1 1 a 虽然具有技术上的优势， 但要取代8 0 2 1 1 b 还要有很长的时间。目前8 0 2 1 1 9 标准的出现正是基于两者不能兼容 的问题。 人们对速度和数据量的追求是无止境的，8 0 2 1 1 a 符合技术发展的方向。随着技术的成 熟和成本的降低，5 - g h zw l a n 系统很有可能成为下一代无线通信系统。 s 东南大学硕士学位论文 1 3 本论文的组织 本论文的主要任务是基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准研究并设计用于5 g h z 无线局域网射频发射 机中的功率放大器。论文按照如下结构组织： 第二章首先讨论射频发射机的不同结构和衡量发射机性能的基本参数。第三章详细分析 各种功率放大器的电路结构和性能特点。第四章介绍集成电路的工艺渠道、工艺选择和设计 流程。第五章讲述功率放大器的电路结构和版图设计，给出模拟结果。第六章讲述电路的测 试，分析测试结果。 6 第二章射频发射机 2 1 射频发射机 第二章射频发射机 射频发射机的任务是完成基带信号对载波的调制，将其变为通带信号，搬移到所需的频 段上，且有足够的功率发射出去。发射机完成的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。 发射机发射的信号是处于某一信道内的高频大功率信号，所以，应尽量减少它对其它相邻信 道的干扰。发射机的主要指标是频谱、功率和效率。图2 1 是射频发射机方框图和信道安排。 、 ， 捆邻豁邋 撼带翁够本擞错碜 ( 盘) 万键阁( b ) 馏避安排 图2 1 射频发射机方框图( a ) 和信道安排( b ) 2 1 1 射频发射机方案 总的来说，射频发射机的方案可以分为两种：一种是将调制和上变频合二为一，在一个 电路里完成，这称为直接上变频法。二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调制， 然后将已调信号上变频搬移到发射的载频上，这称为超外差式。下面分别介绍两种射频发射 机方案的特点。 2 1 1 1 直接上变频结构 图2 2 为直接上变频结构正交调制发射机的方框图。在该发射机结构中，本振频率等 于载频，基带信号经过调制后直接送到功率放大器经天线发射出去。这是最直接、最简单的 结构形式。结构简单是直接上变频结构最大的优点。此外，与超外差结构相比，电路中信号 少了一次调制过程并且少经过几个滤波器，信号的质量较高并且降低了设计难度，易于集成， 7 东南大学硕士学位论文 q 图2 2 直接上变频结构正交调制发射机方框图 因为高q 值滤波器的设计很困难并且不利于集成。但是这种结构也有明显的缺点，由于发射 信号是以本振频率为中心的通带信号，经功率放大或发射后的强信号会泄露或反射回来影响 本振，牵引本振频率。特别是为了节省能源，需要频繁的接通断开功率放大器时，产生的干 扰更大。若本振频率不稳，则直接影响发射机的各项性能指标。为此，人们提出了改进的方 法。如图2 3 所示，用两个较低的本振频率c o ，和，合成为，+ ( i ) ，以此新的频率作为 载频，这样由于发射的频率和本振频率相差很远，不易发生强信号对本振频率的牵引。但这 样做的同时也增加了电路的复杂程度和设计难度。 2 1 1 2 超外差结构 图2 3 带有两个本振的直接上变频发射机 图2 4 是一种超外差结构的正交调制发射机。基带信号进入发射机后。先在较低的中频 c o1 上进行信号的调制，然后将已调信号上变频搬移到发射的载频l + 2 上。超外差结构 现在应用的非常广泛。这种结构的优点主要有：一是功放与本振之间具有良好的隔离度，完 全克服了直接上变频结构本振不稳的缺点；二是中频的频率较低，信号可以达到很高的调 8 第二章射频发射机 基譬i 基带q 一； ； 高莳謦 出 图2 4 超外差式正交调制发射机 制质量。其缺点在于增加了电路的复杂程度，如图2 4 中所示，经过频谱搬移后，产生了 l 一2 和l + 2 两个频率的信号，必须采用滤波器把一个边带滤除掉。为了达到发射机 的性能指标，对这个滤波器的要求是比较高的。尤其在集成电路工艺中，无源电感的q 值不 能做的很高，所以该滤波器一般做在片外，增加了电路设计的难度。 2 1 2 射频发射机的性能指标 射频发射机的性能指标决定了组成发射机的电路模块的指标，所以在讨论功率放大器之 前，先来讨论发射机的性能指标。射频发射机的性能指标主要集中在频谱、功率和效率上面， 下面分别讨论。 2 1 2 1 频谱 在频谱方面，主要有以下几个性能指标： 平均载频功率。平均载频功率是指发射机输出的平均载波峰值功率。根据不同的应用划 分为不同的等级，而同一等级在不同功率控制电平时输出的功率也不同。 发射载频包络。发射载频包络是指发射载频功率相对于时间的关系，该指标主要验证发 射机发射的载频包络是否满足标准的要求。 射频输出频谱。射频输出频谱指标主要是考虑对相邻信道的干扰。 互调衰减。由于电路的非线性，发射机的载波和通过天线进入的干扰信号产生了互调分 量，互调衰减是衡量发射机对此互调干扰的抑制能力。它是有用信号的功率电平与该发 9 东南大学硕士学位论文 射机的发射带宽内产生的最高互调分量功率e g j l z 2 _ l l ，以d b 表示。 频率精度。频率精度定义为考虑了调制和相位误差的影响后，发射信号的频率与该射频 信道对应的标称频率之间的误差。 2 1 2 2 功率 对射频发射机输出的功率要有所控制。i e e e 8 0 2 1 l a 标准规定了在5 g h z 的三个频段上 各自发射功率的最大值，要求射频发射机的最大输出功率不能超出规定值；目的是防止射频 发射机输出的信号对相邻的信道和设备产生干扰。如果发射的功率太大，就会影响相邻信道 的信号和邻近设备的正常工作。对相邻信道和邻近设备所接收到的功率也有所限制；最后， 除了有用边带，与相邻信道以外的离散频率上的辐射成为射频发射机的杂散辐射，这种辐射 会干扰其它设备的通信，降低了射频发射机的功率效率，因此，对杂散辐射的功率也要控制。 2 1 2 3 效率 射频发射机的效率分为频带利用效率和功率效率。不同的调制方式有不同的频带利用效 率。由于射频频带资源有限，在保证传输速率和质量条件下，使用的带宽越小越好。同时， 不同的调制方式要求不同的高频功率放大器放大己调射频信号，有些已调射频信号可以允许 用非线性功率放大器放大，不会造成传输信息损失。但有些己调射频信号必须用线性功率放 大器放大，而非线性放大器的功率效率远比线性放大器高。所以调制方式的选择是极为重要 的。在调制方式一定的情况下，射频发射机的功率效率主要决定于其中功率放大器模块的功 率效率，关于功率放大器的功率效率将在第三章中详细讨论。 2 1 3 本论文采用的射频发射机方案 如图2 5 所示，本论文采用的是正交调制的超外差结构射频发射机。与传统的超外差结 构发射机不同，该发射机在射频段采用二次变频方案。从基带来的正交信号经过镜频抑制 滤波器后首先变频到1 g h z 。再经过镜频抑制滤波器后，信号与频率为4 g h z 的l o 混频后上 变频到5 g h z 。镜频抑制滤波器的使用是为了避免使用中频滤波器。二次变频方案使得发射 机输出的信号与本振频率至少相差1 g h z 。这样就不会牵引本振频率并且本振泄露也不会影 响到接收机的工作。 1 0 第二章射频发射机 图2 5 二次变频正交调制射频发射机 东南大学硕士学位论文 第三章射频功率放大器 射频功率放大器位于发射机的末端，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率值，送 到天线上发射，保证在一定区域内的接收机收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通 信。本章将详细介绍射频功率放大器的特点、性能指标以及分类，并详细介绍高效率的射频 功率放大器和有关的大信号阻抗匹配问题。 3 1 射频功率放大器 3 1 1 射频功率放大器的特点 射频功率放大器首先要求输出大的功率，这是与小信号放大器最显著的差异。射频功率 放大器中的晶体管工作在大信号状态，非线性效应非常显著。分析电路时，小信号电路的等 效模型不再适用，必须充分考虑晶体管的非线性特性。为了输出大的功率，阻抗变换网络成 为电路中不可缺少的部分。举例来说，如果要求输出1 瓦功率，天线的阻抗一般为5 0 欧姆， 根据公式p = v 2 2 r ，则输出电压的幅度为v 。= 1 0 v ，电路的供电电源电压必须大于 l o y 电路才可能工作。但这么高的电源电压对无线通信的便携设备是不合适的，也不适合于 集成电路设计。随着集成电路工艺向深亚微米方向发展，电源电压不断降低。现在主流的 0 3 5 u mc m o s 工艺电源电压为3 3 v ，而0 1 8 u mc m o s 工艺的电源电压为1 8 v 。所以为了输 出大的功率，必须采用阻抗变换网络把电压降低。在降低电压的同时，为了输出同样的功率， 必定扩大了相同倍数的输出电流，所以射频功率放大器的工作特点是低电压、大电流。由于 要承受大电流，晶体管的芯片面积必须增大，面积增大带来了大的寄生电容，必然会降低晶 体管的功率增益和工作频率。寄生电阻会消耗功率，使放大器的效率下降。另外，由于晶 体管的输入输出阻抗数值很小，而且是复数，阻抗匹配也变得相当困难。一个典型的功率放 大器一般包括输入匹配网络、晶体管放大电路、阻抗变换网络、直流偏置和输出阻抗匹配网 络。其方框图如图3 1 所示： 1 2 第三章射频功率放大器 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图3 1 射频功率放大器方框图 3 1 2 射频功率放大器的性能指标 输出功率和增益。不同系统所要求的输出功率不同，在个人无线通信系统中大致在 1 毫瓦( o d b m ) 到几瓦( 3 5 d b m ) 之间。为了获得这一范围的输出功率，视输入信号 的情况，射频功率放大器的功率增益大约为2 0 到4 0 d b 。 效率。功率放大器将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功 率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中 的寄生元件所消耗。效率对于无线通信终端设备是极为重要的指标，射频功率放大 器的效率有两种定义方法：一种为集电极效率r 。，它是输出功率与电源供给功率 之比，即 旷鼍 争， 这种定义没有考虑放大器的功率增益。另一种称为功率附加效率( p o w e r a d d e d e f f i c i e n c y ，p a e ) ，它是输出功率与输入功率的差与电源供给功率之比，即 t p a e 眦2 警2r 。( 1 一了1 争2 ， 其中，g = 等为功率放大器的功率增益。功率附加效率p 舡的定义中包含了功 率增益的因素，真正反映了功率放大器把直流功率转化成交流信号功率的能力。 1 3 东南大学硕士学位论文 当有比较大的功率增益时，p o 。) ) k ，此时有7 7 。p a e 。功率放大器的效率和 线性度是两个互相矛盾的方面：输出功率越大，效率越高，由非线性引起的失真和 干扰就越强。如何保持高的效率和大的功率，是射频功率放大器设计的核心。 线性度。当有源器件工作在小信号状态时，可以将其特性线性化，忽略非线性效应， 得到器件的小信号模型和s 参量。但射频功率放大器工作在大信号状态，必须考虑 有源器件的非线性效应。通常用两个指标来反映功率放大器的线性度，一个是增益 压缩，另一个是三阶互调。 1 增益压缩。当功率放大器的输入信号幅度在某一范围内变化时，输出信号的幅 度与输入信号的幅度呈线性关系，即放大器的增益保持恒定。但随着输入信号 幅度的增加，功率放大器的增益开始下降，或者称为压缩，最终输出功率达到 饱和。当放大器的增益比其小信号增益耳l d b 时，该点称为l d b 压缩点，用来 衡量功率放大器的线性度。l d b 压缩点如图3 2 所示： j p l d b p i n ( d1 1 1 ) 图3 2 功率放大器的l d b 压缩点 2 三阶互调。如果系统的输入为两个幅度相近、频率间隔很小的正弦波： x ( t ) = a c o s o ) l t + a c o s c 0 2 t ( 3 3 ) 由于器件的非线性，在系统的输出信号中，除了基波分量国1 和国2 外，还包含了它 们的各种组合频率而不仅仅是谐波，即输出信号的频率分量为： 国= i m ( 9 l + n 国2 i ，m ，n o o ，一1 ，0 ，1 ，0 0 ( 3 4 ) 1 4 第三章射频功率放大器 m 和n 不为0 时的频率分量相当于通过l 和c 0 2 相互调制而产生，因此称为互调分 量。由三次失真引起的互调分量称为三阶互调分量( i m 3 ) ，其中需要重点考虑的是 2o ) l 一2 和2 ( 0 2 一缈l 这两项，因为它们就在基波分量附近，容易落在信道内严重 干扰有用信号。三阶互调分量的产生如图3 3 所示： l r i t e 开白r 。r s f ， ， 2 伯1 一她 2 啦一曲 图3 3 三阶互调分量 通常用三阶互调点( i p 3 ) 来衡量放大器的三阶互调失真程度。在小信号输入条件下， 有用信号与三阶互调功率都随输入信号的功率线性增长。随着输入信号的功率不断 增加，有用信号出现增益压缩，而高次失真则产生三阶互调。三阶互调点定义为小 信号输入条件下的有用信号与三阶互调沿固定斜率延伸的交点，如图3 4 所示。虽 然三阶互调点在物理上是不存在的，但它可以很好的衡量电路的线性度。通常接收 机的线性度用输入三阶截点( i i p 3 ) 衡量，发射机的线性度用输出三阶截点( o i p 3 ) 衡量。 1 5 东南大学硕士学位论文 3 1 3 射频功率放大器的分类 图3 4 三阶互调点 射频功率放大器根据不同的分类方法可以划分为不同的类别。根据所放大的信号的带 宽，可以分为宽带功率放大器和窄带功率放大器；根据输出信号的包络，可以分为恒包络 ( c o n s t a n t e n v e l o p e ) 功率放大器和线性功率放大器；根据功率放大器的类别，可以分为a 、 b 、c 、d 、e 、f 类。同一个功率放大器，按照不同的分类标准，会属于不同的类别。例如a 类功率放大器，通常属于宽带功率放大器，也是线性功率放大器。本论文将按照放大器的类 别，分别介绍各种功率放大器的电路结构和性能指标及其特点。 3 1 3 1a 类功率放大器 典型的a 类功率放大器电路结构如图3 5 所示。电路的工作原理为：通过选择合适的偏 置条件，让m o s 管工作在饱和区( 对于双极性晶体管，应该工作在线性区) 。输入信号在一定 的范围内，输出信号被线性放大。a 类功率放大器属于线性功率放大器，在一个信号周期内， 晶体管的导通角度为3 6 0 度，输出信号是输入信号的线性复制。在所有种类的功率放大器中， 其线性度是最高的。a 类功率放大器的一个特点是其效率较低，下面推导a 类功率放大器的 效率。 1 6 第三章射频功率放大器 假设m o s 管的漏极电流为： 图3 5a 类功率放大器典型电路 i d = i d c + i r f s i n c o o t vo u t ( 3 5 ) 其中，i d c 是偏置电流，i r f 为漏极电流中的信号电流，是信号频率，则负载上得到的交 流信号为： 负载上得到的功率为： 放大器的效率为： v 。= 一i r f r s i n c o o t p i 2 r h 一丁 i 2 r 刀：曼：2 ：! 主垦 。 p d c i d c v d d2 i d c v d d ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 下面推导a 类功率放大器的最大效率。晶体管中的信号电流最大值等于偏置电流值，即 i r f = i d c ，则： 叩= 瓦i 2 r = 番 ， 而负载上电压摆幅最大值为供电电源电压，即i r f r = v d d ，则最大效率为： 1 7 东南大学硕士学位论文 = 丢= 5 。 ( 3 砌) 实际上，为了减小晶体管的非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 类功率放大器的实际效率要低于5 0 。可见，a 类功率放大器的效率非常低，并且由于 偏置电流的存在，输出信号越小，效率越低，极限情况下，如输入信号为零，则效率也为零。 a 类功率放大器的特点可以概括为：线性度好，效率低。 3 1 3 2b 类功率放大器 典型的b 类功率放大器如图3 6 所示： 图3 6 典型的b 类功率放大器电路 v o u t 如图3 6 所示，b 类功率放大器一般做成推挽结构。通过选择合适的偏置条件，在一个 信号周期内，两个晶体管分别在信号的正半周和负半周导通，在导通的半周内，输出电流为 半个正弦波，两个半波在负载上合成为一个正弦波。b 类功率放大器仍然是线性功率放大器， 但其线性度比a 类的要差。b 类功率放大器中晶体管的导通角度为1 8 0 度，只有a 类功率 放大器的一半，并且没有信号时无静态功耗，所以其效率要比a 类功率放大器高。下面推 导b 类功率放大器的效率： 因为b 类功率放大器的偏置电流i c = 0 ，有信号时晶体管才工作，所以漏极信号电流等于电 源供给电流中的交流成分，即： i 。= i c ( 3 1 1 ) 则晶体管漏极的输出功率为： 1 8 第三章射频功率放大器 p o = ri ：r 。d t = ri ：r 。d t = i 1r t ( i x s i l l t ) 2 r 。d t t 七 ”7 = 扣。 其中，i 。为漏极电流幅度，r 。为晶体管漏极看到的负载电阻值。 电路中的直流功耗为： p d = rv c c i c d t 1 v c c ( i x s i n c o o t ) d t ：i 。v c c 三 石 b 类功率放大器的效率为： ，7 ：一p o ：至竖 。 p d 4 v c c 当i = u r 。时，电路的效率达到最大值，即： ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) r l m a 。：车7 8 5 1 5 ) ( 3 - 1 5 ) 2 i 蝴 同a 类功率放大器一样，效率随输出功率的减小而降低，在信号很大或者电流为零趋于截止 时电路都表现出非线性特性。b 类功率放大器与a 类功率放大器相比，提高了效率，但增加 了电路的复杂程度，降低了线性度。 3 1 3 3h b 类功率放大器 上面讨论的b 类功率放大器，假设晶体管工作在理想状态，即有信号时导通，无信号时 截止，没有偏置电流。但实际上晶体管在工作时，导通和截止特性不可能是理想的，所以b 类功率放大器经常出现交越失真，即在负载上合成的电流波形的正负半周不能相互衔接。为 了避免交越失真的出现，通常给晶体管加上一个小的偏置电流，这样就构成了a b 类功率放 大器。正如其名称所示，a b 类功率放大器的线性和效率介于a 类和b 类功率放大器之间。 a b 类功率放大器兼顾了线性度和效率，是实际应用比较多的一类功率放大器。 1 9 东南大学硕士学位论文 3 1 3 4c 类功率放大器 从前面a 类和b 类功率放大器的分析可以看到，通过减小晶体管的在一个信号周期内的 导通角度，功率放大器的效率得到了提高。如果继续减小晶体管的导通角度，让导通角度小 于1 8 0 度，则功率放大器的效率会更高。c 类功率放大器就是基于这个原理。典型的c 类功 率放大器如图3 7 所示： v i n v b i a s t v d d 图3 7c 类功率放大器典型电路 口r 对于图3 7 所示电路，偏置电压v b i a s 小于n m o s 管的阈值电压，但偏置电压与输入信号幅 度v i n 的和大于n m o s 管的阈值电压，这样在一个信号周期内，n m o s 管的导通角度就小于1 8 0 度。c 类功率放大器属于非线性功率放大器。信号经过晶体管放大后，产生许多新的频率分 量，通过一个选频网络挑选出所需要的频率分量，通常是输入信号的频率，但也可以实