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c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 摘要 近年来，随着通信技术的不断提高、通信协议的不断完善、通信市场 需求的不断扩大，射频集成电路的应用和研究得到飞速发展。c m o s 射频集 成电路以其成本低、功耗小、集成度高的特点更是成为微电子研究和开发 的热点。 文章重点设计了一个工作在5 g h z 频率处的l c 差分负阻压控振荡器。 电路基于t s m c ( 台积电) o 1 8ui l lc m o s 工艺，采用积累型m o s 变容管构成 的l c 互补交叉耦合振荡网络和降低相位噪声的电感电容滤波网络组建，电 路实现了全片集成。在1 v 电源电压下经a d s 2 0 0 5 a 软件仿真，获得频宽为 4 2 6 8 g h z 5 5 8 2 g h z 、调谐范围为2 6 3 、灵敏度为5 2 5 m h z v 、相位噪声在 1 m i - i z 频率偏移处为一1 2 2 4 d b c h z 、静态功耗约3 5 m w 的较好结果。 文章还重点设计了一个工作在2 4 g h z 频率处的e 类开关模式功率放大 器。电路基于t s m c0 1 8ui nc m o s 工艺，采用增益驱动级、功率输出级以 及相应的阻抗匹配网络构成的两级结构组建，并通过l o a d - p u l l 技术获得 最佳输出负载，电路实现了全片集成。在2 v 电源电压下经a d s 2 0 0 5 a 软件 仿真，当输入信号功率为一1 0 d b m 时，获得约2 0 1 d b m 的输出功率，功率增 益为3 0 d b ，功率附加效率达到5 7 6 9 的较好结果。 关键词：射频压控振荡器e 类功率放大器系统芯片m o s 变容管 负载牵引 d e sig n0 fc m o sr fv o l t a g ec o n t r o l l e do s c il l a t o r a n dp o w e ra m p llf le r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o n t i n u et oi m p r o v e ，t h e c o n s t a n ti m p r o v e m e n ti nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n m a r k e td e m a n d sc o n t i n u et oe x p a n d ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( r fi c ) r f c m o si n t e g r a t e dc i r c u i t s ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g h i n t e g r a t i o n ，s oi t sr e s e a r c hi sb e c o m i n gah o tt o p i c t h et h e s i sf o c u s e do nt h ed e s i g no fac e n t r a lf r e q u e n c yo f5g h zl c d i f f e r e n t i a ln e g a t i v er e s i s t a n c ev o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) b a s e do n t s m c0 18 9 i nc m o sp r o c e s s ，w i t ha c c u m u l a t i o nv o l t a g e c o n t r o l l e dm o s v a r a c t o r , t h ec i r c u i tw a sc o n s i s to fl cc o m p l e m e n t a r yc r o s s - c o u p l e dr e s o n a n t n e t w o r ka n dt h el cf i l t e r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hw a su s e dt or e d u c et h ep h a s e n o i s e t h ec i r c u i tw a sf u l l yi n t e g r a t e d s i m u l a t e db ya d s 2 0 0 5 au n d e r1v s u p p l yv o l t a g e ，t h ef r e q u e n c yo ft h e o s c i l l a t o r r a n g e d f r o m4 2 6 8 g h zt o 5 5 8 2 g h z ，t h et u n e dr a n g ew a s2 6 3 ，t h es e n s i t i v i t yw a s5 2 5 m h z v , t h ep h a s e n o i s ew a s 一1 2 2 4 d b c h za t1 m h zo f f s e t ，a n dt h es t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o nw a s a b o u t3 5 m w t h et h e s i sa l s of o c u s e do nt h ed e s i g no fac e n t r a lf r e q u e n c yo f2 4 g h z c l a s s es w i t c h m o d ep o w e ra m p l i f i e r ( p a ) b a s e do nt s m c0 18 9 mc m o s p r o c e s s ，u s i n gaf u l l yi n t e g r a t e dt w o s t a g ec i r c u i ts t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h eg a i n d r i v i n gs t a g e ，t h ep o w e ro u t p u ts t a g e ，a n dt h er e l a t e di m p e d a n c em a t c h i n g n e t w o r k s w i t hl o a d p u l lt e c h n o l o g y , t h ec i r c u i tg o tt h eo p t i m i z e do u t p u tl o a d s i m u l a t e db ya d s 2 0 0 5 au n d e r2 vs u p p l yv o l t a g e ，w h e nt h ei n p u tp o w e rw a s 一10 d b m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti td e l i v e r e d2 0 1d b m o u t p u tp o w e r w i t h3 0 d bp o w e rg a i n ，a n dt h ep o w e ra d d e de f f i c i e n c y ( p a z ) w a s5 7 6 9 k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c y ( r f ) ；v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) ； c l a s s ep o w e ra m p l i f i e r ( p a ) ；s y s t e mo nac h i p ( s o c ) ； m o s v a r a c t o r ；l o a d p u l l i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 么劫 学位论文使用授权说明 年月蟛日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 跳口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝作者躲喹兹导师虢 冲年月易日 广西大掌硕士学位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 第一章绪论 在过去的十年中，寻呼机、无绳电话、模拟及数字蜂窝电话等个人通信系统以及数 字电视、广播、无线局域网、第三代( 3 g ) 全球综合移动通信系统得到了迅猛发展。与 此同时，各种无线接入协议也相继提出和应用，其中最为有影响的协议是i e e e 8 0 2 1 1 和蓝牙b l u e t o o t h 。对重量轻、体积小、功耗少、成本低的收发器的需求也迅速增加，提 高收发器的集成度无疑是满足上述需求的重要途径。预计到2 0 1 0 年，无线通信用户将 达到1 0 亿人，并超过有线通信用户，这种市场的巨大需求也促使社会对射频集成电路 的开发热潮川。射频集成电路( r fi c ，r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 作为无线传 输设备的核心器件，在无线传输的各个领域得到了广泛的应用，世界各国对发展r fi c 的设计和制造技术、r fi c 的产品开发都十分重视。 在以往的收发器中，数字处理部分占到芯片总面积的7 5 以上，通常采用低成本的 标准c m o s 工艺，而射频模拟部分则采用g a a s 和g e s i 工艺，工艺的不兼容性成为射 频集成电路发展的瓶颈【z j 。随着c m o s 工艺持续遵从摩尔定律和按比例缩小定律的发 展，目前制造工艺已跨入6 5 n m 时代，r fc m o s 器件已经可以工作在4 0 g h z 到1 0 0 g h z 范围，应用c m o s 工艺设计r f 集成电路的可靠性已经得到了实践证明 3 - 4 ，这使得 c m o s 在r f 集成电路设计领域有着广阔的应用前景。此外，c m o s 电路的高集成度、 低功耗、低成本等优势也使其在r f 电路中的应用更有吸引力。 本章概述c m o s 在r fi c 领域面临的优势与挑战，介绍c m o s 工艺和r fi c 产品 发展现状，分析r fi c 市场应用前景，提出本课题的主要研究内容，同时给出本文组织 结构的安排。 1 1c m o s 在r fic 领域的优势与挑战 随着1 9 5 8 年第一片集成电路芯片i c 的诞生，微电子技术的发展可谓日新月异， c m o s 工艺以其低价、低功耗、高集成度的特点成为微电子研究和开发的重点，并迅 速占据了中大规模和超大规模数字集成电路设计的主流。随着特征尺寸的不断缩小， m o s 器件的速度已经达到高速和射频电路的应用要求，c m o s 器件开始取代双极型器 件而广泛用于模拟集成电路设计。c m o s 射频集成电路设计最引人关注之处在于这是目 前实现无线收发机单片集成的唯一可能。近年来，从射频单元电路到无线收发机这方面 的科研成果不断涌现，许多已成为商业产品。 与传统的g e s i 、b i c m o s 等工艺的器件相比，用c m o s 工艺生产的射频器件有四 个显著优点【5 】：一是系统总成本显著降低。c m o s 技术相对简单的工艺使系统的总体集 成度更高，外部元器件数量减少，i p 复用又可以降低新器件开发成本。二是使系统的尺 广西大学硕士学位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 寸更小。先进的深亚微米c m o s 工艺所能达到的截止频率已经超过5 0 g h z 的水平，完 全满足目前射频频段的工作要求。手机中射频部分占据了大量空间，射频器件本身集成 度的提高和所需外部元件的减少会显著节省电路板面积。三是可靠性高。单片集成的含 射频、基带及模数、数模转换的电路可靠性会更好。四是功耗低。这一点对于靠有限电 容量电池驱动的便携产品尤为重要。 c m o s 集成电路设计也面临一些挑战。在完成需要严格的r f 性能和更大的数字集 成时，c m o s 需要特殊的电路技术，同时还不可避免地要在性能与成本、功耗之间进行 折中。将r f 和数字基带集成到单芯片面临的一个主要挑战，是两部分之间可能出现串 扰问题。c m o s 的速度相对较慢、增益较低而且噪声较大，往往需要其它方面的努力抵 消这种劣势，诸如增加工作电流或采用更为复杂的设计。与其它工艺相比，c m o s 工艺 还存在跨导小、频率特性差等不足。此外，c m o s 在更高集成度方向发展面临着新的物 理效应、传统结构效率降低以及器件建模复杂化等问题的新挑战【6 。7 】。 尽管围绕r fc m o s 的争论一直没有停止，但是没有人能够怀疑，由于r f 制造商 寻求产品最小尺寸下的功能最大化，并希望降低整个系统成本，因此c m o s 成为i u 收 发器制造被寄予厚望的技术，r fc m o s 在r fi c 中的应用势不可挡1 8 , 3 8 1 。 1 2 国内外c m o s 工艺和r fic 产品现状 据2 0 0 6 年更新的国际半导体技术发展蓝图( i t r s ) ，2 0 0 7 年最先进的c m o s 技术 是6 5 纳米，2 0 1 0 年是4 5 纳米，2 0 1 3 年是3 2 纳米，到2 0 18 年是1 8 纳米【9 l 。i b m 、东 芝及索尼3 家公司在2 0 0 7 年国际固体电路大会( i s s c c2 0 0 7 ) 上，就采用6 5 n m 工艺 制造的第2 代微处理器“c e l lb r o a d b a n de n g i n e ”的s r a m 发表了演讲，并在会场公布了 6 5 n m 版的裸片照片，索尼宣布已于2 0 0 7 年1 月底开始实施量产【1 0 1 。 国内目前3 0 多条晶圆生产线，1 0 0 多家封装厂仅能满足国内市场需求的1 8 ，8 英 寸、0 1 3 9 m - 0 2 5 p t m 工艺成为半导体制造厂家的主流技术，领先的1 2 英寸、9 0 n m 工艺 正在开发推广中，铜互连、低k 材料等先进工艺与材料已在国内工厂中成功应用。中芯 国际正在研发的项目包括低电压和低漏电制程、6 5 n m 工艺制程以及将0 1 3 k t m 工艺延伸 到混合信号和c m o s 射频电路生产。预计在2 0 0 8 年，中国境内将新建2 0 余条晶圆代 工生产线，国产纳芯片时代越来越近【1 1 1 。 系统芯片( s o c ，s y s t e mo n ac h i p ) 是近几年国际半导体业发展的热点，也是未来 半导体业的发展方向。随着i ui c 工艺达到并跨越6 5 n m 工艺，芯片上单个m o s 器件 的工作频率已经可以上升到微波、毫米波频段，因此，可以将i 心前端与数字基带部分 集成起来制成射频系统级芯片( r fs o c ) 。这一新概念产品将大大减少整个通信系统中 的器件数量，从而降低产品成本，减小电路体积并提高整体功能度，同时提高可靠性。 这一技术的推广有望引起产业链的变革【1 2 。3 1 。 2 广西大学硕士学位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 在产品的具体实现方面，国内外企业都已把主要精力放在r fs o c 技术应用上，并 已取得突破。2 0 0 7 年5 月国内博通集成电路( 上海) 有限公司研发的世界首颗用于语 音通讯的5 8 g h zc m o s 射频s o c 单芯片成功地实现商用化并进入国际市场。2 0 0 7 年 1 0 月，联电公司( u m c ) 对外宣布其6 5 r i mr fc m o s 制程已可接受客户的设计导入， 这项制程是针对下代的无线系统级芯片( s o c ) 应用产品，包括w i f i ，w i m a x ，无线 u s b 以及手机。2 0 0 7 年1 1 月，恩智浦半导体( n x ps e m i c o n d u c t o r s ) 宣布向手机市场 推出第五亿个a e r or fc m o s 收发器。此外，国外的a g i l e n t 、q u o r u ms y s t e m s 、g c t s e m i c o n d u c t o r 等公司以及国内的中芯国际、鼎芯通讯等公司也相继推出这方面的产品， 预计全球电子市场r fs o c 产品将不断涌现。 1 3 前景广阔的r flc 市场1 1 4 , 1 5 1 随着射频技术的迅猛发展，射频集成电路己成为当前研究的热点。射频微电子是当 代移动通信技术的基础，如何在微电子技术基础上有效实现无线射频前端是无线通信技 术的关键，无线通信技术的总趋势是向高速度、大带宽、小体积方向发展。r fi c 器件 的发展则是朝着系统集成的方向发展，使射频收发器多芯片组成数量不断减少，直至在 单片上实现全部收发机功能。传统的芯片设计方法正在面临变革，系统芯片( s o c ) 技 术已广泛兴起。随着全球第三代综合移动通信系统的面世，r fi c 市场前景广阔。 ( 1 ) 无线局域网是利用无线电波来传送资料，它与有线网络最大的优势，在于w l a n 能利用简便的存取架构让用户达到信息随身化的目标。随着无线局域网在几个关键市场 中的应用，无线局域网行业将持续显著增长。全球对无线局域网解决方案强劲的需求同 样刺激了对芯片组的巨大需求。 ( 2 ) 世界范围内第三代移动通信系统( 3 g ) 主要有欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 ， 以及我国的t d s c d m a 方案。它们都可以在无线网络中提供比2 g 更好的因特网服务。 预计至l j 2 0 1 0 年，世界将有2 2 1 6 亿个3 g 用户，3 g 总资源市场将达到1 万亿元规模。我国 现已颁发了3 g 牌照，将成为3 g 移动基础设施设备厂商、手机厂商和半导体供应商的巨 大市场。据相关预测，至u 2 0 0 9 年，我国市场的3 g 手机出货量将增长多j 3 5 9 6 万部。可见， 我国3 g 手机r fi c 有迅速膨胀的巨大市场。 ( 3 ) 近年来，全球数字电视机市场发展迅速。我国的数字电视还处于起步阶段，但由 于政府的高度重视，在未来十年内，中国的数字电视必将得到快速发展，由此带动的产 业链的市场价值更是以千亿元计。2 0 0 5 年，我国有线电视用户已达到1 5 亿户，其中有线 数字电视接收用户超过3 0 0 0 万户；2 0 0 8 年，主要城市开始普及数字电视；2 0 1 0 年，将全 面实现数字广播电视；2 0 1 5 年，停止模拟广播电视的播出，全部实现数字化。这意味着 数字电视的终端设备将在未来的十几年里得到飞速发展。可见，数字电视r fi c 市场非 常巨大，前景可观。 3 广西大学硕士掌位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 ( 4 ) 卫星导航是一种利用空间卫星在任何时间向全球或任何地方提供三维位置、速度 和时间的信息系统，可广泛应用于国民经济和社会生活等各个方面。目前，全球卫星导 航系统已建成的有美i 雪g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统，在建的有我国的北斗导航 定位系统和欧盟的伽利略系统。随着卫星导航应用的不断普及，有专家估计，至f 2 0 2 0 年， 全世界卫星导航应用市场将达n 3 5 0 0 亿美元的规模。 ( 5 ) 在手机中集成数字电视、蓝牙、无线局域网、m p 3 m p 4 、以及卫星导航等功能， 也是移动通信终端设备市场发展的趋势。同时，p c 机集成无线局域网、i p t v 、蓝牙、 卫星定位等功能，市场增长也较快。这些功能的系统集成必将带动r fi c 市场的快速增 长，市场需求为r fi c 的快速发展提供了强大的牵引力。 1 4 射频压控振荡器和功率放大器面临的问题、研究现状及意义 射频压控振荡器面临的问题 射频压控振荡器( v c o ) 作为锁相环的核心部件，在电路时钟的产生和信号的调制、 解调中起着不可或缺的重要作用。噪声性能是v c o 一个很重要的指标。v c o 本身的电路 噪声以及来自于控制电压输入端和电源端的噪声都会影响着整个电路的性能，因此在电 路设计上，应该采用各种低噪声设计的方法来减d w c o 的噪声。构成v c o 的方法一般有 两种：一种是由谐振回路( 常用的是l c 回路) 组成的振荡器，通过改变谐振回路中电抗 元件值的方法实现频率控制；另一种为多谐振荡器( 如环形振荡器) ，用改变电容充放 电电流大小和各级延迟时间的方法来实现对频率的控制。当对v c o 的相位噪声要求较高 时，应采用具有高品质因子的l c i 彗振回路的振荡器；而环形振荡器由于没有高品质因子 的选频元件，所以它的频谱纯度不够好，但不需要外接调谐元件，集成度l l l c 振荡器高。 交叉耦合的电感电容( l c ) 振荡器因其易于实现、相位噪声好和差分工作的优点， 在高频电路中扮演着重要的角色。但是，在基于c m o s t 艺的低相位噪声、全集成的l c v c o 电路的设计和优化过程中也存在许多障碍，例! z l u c m o s 的器件噪声、衬底效应、低 品质因数( 9 ) 的电感，以及电源电压的限制等。为了设计适用于通信系统电路中的l c v c o ，要求v c o 具有较低的相位噪声，较小的芯片面积，同时还要把低功耗和低工作电 压等因素考虑进电路的设计中。为此，人们做了大量的研究工作，并提出了许多有针对 性设计方法，如采用单个片上电感，以减小芯片面积；采用差分l c 元件，以降低相位噪 声；采用数字调谐技术，以提高振荡器的调谐范围等等 1 8 , 2 0 - 2 1 】。 l c 调谐振荡器集成的主要难点在于集成电感。l c 调谐振荡器中的电感所占面积较 大，集成电路的工艺水平提高时，并不能减小电感面积。另p b l c 调谐振荡器的调谐范围 较小，要求制造精度较高。目前，随着c m o s 特征尺寸的不断缩小，电路的电源电压也 相应降低。为了在v c o 的输出端获得较大的电压摆幅，采用省去尾电流源的办法。省去 尾电流源可以极大地提高输出端的电压摆幅，但却增加了电路设计的复杂性。电路设计 4 广西大掌硕士掌位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设廿 时，要保证在整个输出端电压摆幅范围内负阻器件都应该处于饱和区；同时，电路所消 耗的直流功耗的计算也变得更加复杂。此外，振荡器作为一个大信号非线性电路，还存 在频率牵引和级间泄露等问题。因此，深入研究振荡器的相位噪声和调谐幅度控制等特 点，应用标准的c m o s i 艺设计并优化生产出具有高性能的压控振荡器，已经成为射频 集成电路中的一个重要课题。 射频功率放大器面临的问题 在r f 发射机中，功率放大器( p a ) 的主要任务是放大r f 信号并将它发射出去，且 这一信号能被正确接收而不被邻近通道的信号所破坏。由于要求可靠发射信号的功率相 当大，因此p a 本身功耗大，这一情况在如今电池供电的便携式无线通讯设备中更加不适 应。一个性能优异的p a 应该消耗最少的功耗而发射最大的功率。通常，主要采用效率( 刀) 和功率附加效率p a e ( p o w e ra d d e de f f i c i e n c y ) 来衡量p a 的性能。在理想的情况下， p a 本身不消耗功率，传递到负载的功率应该等于来自电源的功率，效率达到1 0 0 。但 是，p a 不仅给负载传递功率，还要对信号进行放大，而放大就意味着需要消耗一定的功 率，因此效率不可能达到1 0 0 。 过去，p a 设计是采用分立元件在p c b 版上实现的。近几年来，随着无线通信的发展， 越来越多的p a 采用集成方法来实现。这样，在保证降低成本的同时，又改善了效率，从 而更加有利于当今依靠成本驱动的市场发展。线性p a 中的器件相当于电流源，即器件处 于放大状态，如a 类、b 类、c 类和a b 类。非线性p a 中的器件相当于一个开关，如d 类、 e 类、f 类等。线性p a 具有较高的线性度，但效率低；而非线性p a 具有较高的效率，但 线性度差。通常选用砷化镓工艺制造p a ，但随着集成度的提高及市场需求的推动，人们 越来越多地采用体硅c m o s 制造技术。体硅c m o s 技术集成度高、成本低，但应用体硅 c m o s 技术进行设计时面临以下较为严重的问题【1 6 j ：( 1 ) c m o s 器件的电流驱动能力较 低，只有采用大尺寸器件才能实现较大的驱动电流。而大尺寸器件不仅使得前级电容负 载较大，而且使得功率放大器匹配网络的电感值较大，造成电路难以集成。( 2 ) 电路 间的串扰影响变得严重。p a 是在大信号下工作，它产生的大输出功率和信号将通过衬底 影响其它电路的性能，因此在集成p a 的电路中，隔离变得至关重要。( 3 ) 深亚微米技 术中的击穿电压较低，使晶体管只能在较低的电源电压下工作，从而造成传输的功率减 少。在b 类和f 类放大器中，晶体管漏端的电压会达到电源电压的两倍；而在e 类中，电 压甚至达到电源电压的三倍。( 4 ) 在p a 设计中，输出匹配非常重要，要求输出匹配网 络一定要具有低的损耗和良好的散热性能。由于p a 传递较大的电流，使得电迁移及寄生 效应变得比较明显。( 5 ) 大信号c m o sr f 模型和衬底模型对p a 的设计是必要的，而当 前大信号模型还比较缺乏，大部分设计还是基于s 参数的设计。 此外，怎样来定义功率放大器的大信号阻抗至今还没有研究清楚；传统的最大功率 传输理论也失去了应用价值。当前，功率放大器主流产品采用的是高成本的g a a s _ _ q 2 艺， 制约了集成化的发展，可见，实现高效c m o s 功率放大器集成化的意义尤为突出。在现 有无线通信系统应用中，恒包络调制可以采用效率较高的开关模式功率放大器进行放大， 5 广西大学硕士掌位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 但频谱利用率低；非恒包络调制虽然频谱利用率高，却必须采用传统型的线性功率放大 器，使得效率很低。因此，研究高效线性功放也是当前一个热门课题【i 6 1 7 j 。 射频振荡器和功率放大器研究现状及意义 与环型振荡器相比，l c 型振荡器具有更好的噪声性能，目前国内外相关研究机构 主要集中对l c 型振荡器如何在更高工作频率下降低相位噪声、提高精准度技术以及数 字宽带调谐技术的研究。随着通信产品功能的日益多样化，对产品高效率不失真输出信 号以及提高电池待机时间的要求也越来越高，国内外研究机构主要集中在对高效率非线 性功率放大器如何进行线性化处理技术方面的研究。此外，振荡器和功率放大器都属于 大信号器件，就这两种大信号器件在s o c 设计中如何减少衬底损耗、实现有效封装技术 也是当前的研究热点。北京、上海、南京的许多高校在振荡器和功率放大器方面作了大 量理论研究工作，并进行了相关器件的设计和优化，经过流片实验和测试，部分成果达 到国际先进水平【l 阳3 | 。 随着新的无线标准的引进，未来的射频接收机不仅需要处理声音信号，而且需要以 较高的比特率来处理大量的数据信号。为了满足这些新应用的需要，要求接收机具有高 性能和更高的精确度，这样给射频接收机的设计带来许多新的挑战和机遇。射频振荡器 在无线通信系统中起着给收发机提供稳定载波的重要作用，深入研究振荡器在更小 c m o s 器件尺寸、更高振荡频率、更低电源电压工作条件时的相位噪声、调谐范围等性 能，有利于提出更切实际的优化方法。随着通信技术的发展，信道容量急剧增加，无线 通信系统调制方式趋向于幅度相位组合技术，因此，研究功率放大器在输出大功率时如 何提高其线性度防止发生幅度失真的方法也具有深远的意义。总之，研究、设计高性能 的射频集成电路不仅能满足人们对无线通信技术的需要，而且有利于我国突破国外技术 的限制，增强我国i t 领域的竞争力和创新力【2 4 】。 1 5 论文组织结构 本论文主要研究方向为c m o s 射频集成电路，重点是设计和分析l c 型压控振荡器 和e 类功率放大器。 具体内容安排如下： 第二章主要介绍m o s 器件发展历史、物理结构和工作原理；重点分析m o s 器件 的相关高频模型和高频等效电路。 第三章主要介绍l c 谐振网络变容管的选取、负阻电路的实现以及降低电路相位噪 声的方法；重点设计l c 差分负阻型压控振荡器电路和分析该振荡器的仿真性能，并提 出优化策略。 第四章主要介绍功率放大器主要参数指标和开关模式e 类、f 类功率放大器工作原 理；重点在于对e 类功率放大器的电路设计、参数选取和性能仿真分析。 6 堕查兰塑生堂篁鲨壅 丛箜堑塑墨丝塑蔓墨塑垫垒垫查矍垫盐 第五章是对本文工作的总结和展望。 7 厂目大学硕士学位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设 i t 第二章射频m o s 器件 c m o s 工艺是目前的主流工艺，其高密度、低功耗等特性非常适合系统电路大规模 集成发展的要求，c m o s 工艺中的基本组成器件是m o s 管。本章首先介绍m o s 器件 历史、物理结构和工作原理，然后就m o s 高频模型和m o s 等效电路展开讨论，最后 概述m o s 模型的发展情况。 2 1m o s 技术发展历史 金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ，m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ；简称m o s ) 的概念来源于1 9 3 0 年j e l i n i e n f e l d 申请的专利，于1 9 5 8 研制成功并投入使用。虽然m o s 管的诞生比双极晶体管晚了近十年，但是由于它体积 小、功耗低、制造工艺简单，为实现电路高集成度提供了条件。促进m o s 晶体管发展 主要有四大技术 2 5 1 ：( 1 ) 半导体的稳定化技术：( 2 ) 阂值电压的控制技术；( 3 ) 各种栅 绝缘膜的实用化；( 4 ) 自对准结构m o s 工艺。 在随后的2 0 世纪6 0 年代后期，m o s 技术的进步促成了互补金属氧化物半导体 ( c m o s ，c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 器件的发明，由此引发了半导体 工业的一场革命。从8 0 年代开始，c m o s 技术得到了迅猛发展，并很快占领了数字市 场，它所具有的只在开关期间消耗功率和只需很少的元件的特点是它相比相应的双极型 和砷化镓电路所具备的两个显著优点。与其他类型的晶体管相比，m o s 器件的尺寸更 容易按比例缩小，而且c m o s 电路具有相对较低的制造成本。c m o s 另一个明显的进 步是将c m o s 技术运用于模拟电路设计。较低的制造成本、在同一块芯片上同时集成 数字和模拟部分电路以改善整体性能和降低封装成本使得c m o s 技术十分具有吸引力。 随着c m o s 工艺尺寸的不断缩小，c m o s 的性能得以不断改进，特别是截止频率大为 提高，开关速度和噪声性能也得到了迸一步改善，因此，c m o s 工艺逐渐成为模拟电路 乃至模拟射频电路的主流工艺【5 , 3 9 - 4 7 j 。 2 2m o s 结构及工作原理 2 2 1m o s 结构 图2 1 是一个简化的n m o s 管。在p 衬底上有两个重掺杂底n 源区( 源极s 和漏 极d ) ，个重掺杂底多晶硅( 栅极g ) ，和一薄层二氧化硅绝缘层和衬底。p - s u b s t r a t e 8 广西大掌硕士掌位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 是衬底绝缘层下底部分，就是连接s 和d 的部分。源漏间部分是沟道的长度，垂直的 长度是沟道宽度形，因为制造s d 过程中的边缘扩散，真正的三要比s d 之间的距离要 小一点。避免混淆，o 2 l 一2 厶，这里锄是有效长度，l 是总长度，岛是扩散长度。 锄和栅氧化层0 在c m o s 电路中扮演着重要角色。总的来说，m o s 技术的发展就是 要减小两者的尺寸，以实现集成电路集成度不断提高的发展要求【2 6 】。 图2 - 1n m o s 结构简图及电路符号 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r ed i a g r a ma n dc i r c u i ts y m b o lo f n m o s 2 2 2m o s 工作原理2 7 3 从m o s 结构我们可以发现m o s 晶体管是四端器件。如取源端为电位参考点，则漏 极电流由栅、漏、衬底( 接触) 端偏置决定。m o s 管的阈值电压( 圪) 是指晶体管开 始形成沟道时在栅极所加电压。衬偏效应通常计入阈值电压的变化( 也称为背栅效应) ， 依栅偏和漏偏电压的不同组合，m o s 器件工作在三个不同的区域：截止区、线性区和饱 和区。现引入一个饱和电压，来定量说明上述三个工作区域： ( 1 ) 截止区( 或称为亚阂值区) ，圪。 & v a s a t ； ( 3 ) 饱和区( 或称为恒流区) ， 圪吃 ，； m o s 晶体管的漏极电流饱和取决于沟道长度的大小，可由两种不同机理决定：沟道 漏端夹断( p i n c h - o f f ) 与载流子速度饱和。其统一公式为： = ( 铲川驯= 糍( 2 - 1 ) 其中，是沿沟道方向的载流子速度降至由低场迁移率外推所得速度一半时的横 向电场，通常称= 一圪为栅过驱动电压( o v e r d r i v e ) 。上式中方括号( 【 ) 中的 第一项表示漏极饱和电压是由沟道漏端夹断引起，第二项则表示是由于速度饱和引起。 因为式( 2 1 ) 表示两个机理的并联关系，整个机理是由何者为小决定。随着器件几何 尺寸的不断缩小，使得器件小到即使在中等电压下也会显著的表现各种强场效应，其中 主要为速度饱和效应，从而使得器件出现短沟效应。从式中可以看出，短沟效应是否严 。o_p卜h_o s 广西大学硕士掌位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 重主要是看( 一) 与匕的比值。如果这个比值是小的话，即使沟道长度短，器件 仍呈现长沟特性。也就是说，短沟效应本质上并不是一个几何尺寸的问题，而是一个电 学上的( 取决于偏置) 效应【2 8 1 。沟长越小，出现短沟效应所要求的栅过驱动电压就越低。 下面就长沟道和短沟道器件的漏电流( 气) 和跨导( g m ) 作简要讨论。 ( 1 ) 截止区： 理想情况下，m o s 在截止区不工作，电路漏电流气= 0 ，但实1 琢_ 1 2 m o s 依然会有亚 阈值电流的存在，特别在m ，。巨大的大规模集成电路中，会导致较大的泄漏电流， 消耗很大功耗。 ( 2 ) 线性区： 气= 以巳7 w ( 一) 屹一孚】( 2 - 2 ) 其中a n 为沟道载流子迁移率，c 似为单位表面面积栅电容，w 、l 为m o s 沟道宽、长。 ( 3 ) 饱和区： 气：华孚( 一k oe ( f 铲一) l i ( 三) = 争( 吲枷+ 巍 _ l ( 2 - 3 ) 其中( 以k ) 为载流子饱和速度。 在长沟道工作区域，( 一) 三“吃， ，：牛孚(一y)z(2-4)ds t h 1 一丁了l 7 伊一y j 漏极电流反比于沟道长度，即在长沟工作区，缩短沟道长度可以增加漏极电流。 对短沟道，( 一) 三”吃， 乞= 掣 ( 一) 瓦，( 2 - 5 ) 此时，漏极电流己不依赖于沟道长度。 气对( 或) 的导数，称为跨导，这是因为m o s 器件本质上是一个( 输入) 电 压控制的( 输出) 电流源。在饱和区m o s 跨导表达式为： 驴券 ( 2 - 6 ) a 由式( 2 4 ) 可得长沟道跨导为： 用漏极电流表示，则为： 由式( 2 - 5 ) 可得短沟道跨导为： = 丛争w e s a t 1 0 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 一 一 厶 一。! 争 矿一一哳焉 川 圹 册 孵 岛 岛 广西大掌硕士掌位论文 c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 2 3m o $ 模型及等效电路 2 3 1m o s 电容模型 源，漏区和衬底间通常是反偏的，所以是标准的p n 结电容，标识为和。除 了结电容外，还有几个平板电容，如图2 2 所示： 图2 - 2m o s 电容 f i g 2 - 2m o sc a p a c i t a n c e s ( 1 ) c 0 。是栅源、栅漏交叠电容。尽管不希望有它们，却不可避免。 c o ，c o x w l d( 2 1 0 ) 式中k 是源、漏区的横向扩散长度。 ( 2 ) 栅一沟道电容。n - 于n n k 横向扩展到栅极下的区域，有效沟道长度比栅长短 了二个厶： 咚= c o ) v ( l 一2 ) ( 2 1 1 ) ( 3 ) 沟道与衬底间的电容c 。其行为表现为结电容， 巳型篁( 三- l d )( 2 1 2 ) 工d 式中砀是衬底表面耗尽区的厚度，矗是硅的相对介电常数。 沟道并不是器件的一个外接终端，因此上述各种电容成分如何贡献到终端电容需要 知道沟道电荷是如何在源、漏端划分的。一般说来，终端电容的值取决于器件的工作区 域，因为沟道电荷的划分由器件的工作状态决定。表2 1 列出了以衬底b 为电压参考点时 的常用准静态小信号电容在晶体管的不同工作区域中的表达式2 9 1 。 i - 西大学硕士掌位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 表2 - 1 准静态小信号电容在晶体管的不同工作区域中的表达式 t a b l e2 - le x p r e s s i o n so ft h eq u a s i s t a t i cs m a l l s i g n a lc a p a c i t o r si nd i f f e r e n tr e g i o n s 截止区线性区饱和区 c 擎 c d ， c 弘 2 + c o v2 3 + c o ， c 面 c d ， c | 2j r c o v e ， c 9 6c 弘 c 曲 c 蓼c c j ( c g o + c c 0 o 0 c s b c m bc j s b + cc b | 2c j s b + e c o b 3 c j 曲c m + c c b | 2c j 曲 2 3 2m o s 噪声模型口 固态器件的特点是内部有大量的带电粒子在作随机或定向的运动，带电粒子的运动 就会产生电信号。最常见的固态噪声机理有四种，它们是：热噪声，散弹噪声( s h o t n o i s e ) ， 1 厂噪声( f l i c k e rn o i s e ) 和爆米花噪声( p o p c o mn o i s e ) 。晶体管实际上是一个可控的 电阻，尤其是m o s 管，在强反型区，表面沟道就是一个电阻，且沟道电流主要是由偏移 电流构成。因而可推断，m o s 的噪声主要是由沟道电阻的热噪声形成 4 8 - 5 5 】。 尽管产生热噪声的源只是沟道电阻，其分布特性和与栅电容的耦合使得用少数几个 集总元件在m o s 模型中表征噪声特性不那么容易。v a n d e r z i e l 考虑了沟道的分布特性提 出了用两个噪声源来表征的模型。一个是接在漏源之间的电流源，记为乙；一个是接在 栅源之间的电流源，记为，。其等效电路如图2 3 所示。 图2 - 3m o s 噪声等效电路 f i g 2 - 3m o sn o i s ee q u i v a l e n tc i r c u i t 漏端噪声电流源为： 珞= 4 k t g d o a f( 2 1 3 ) 式中岛。是吃= 0 时的共源输出电导。此输出电导亦即m o s 处于线性区时的直流输 出电导。由此也可看出) ，在线性工作区应为1 ，然后随着晶体管进入饱和区，y 逐渐减小 ( 直流电阻小于劭。) 。事实上，对长沟道m o s ，当晶体管处于饱和区时，式( 2 1 3 ) 中7 = 2 1 3 。栅端噪声电流源均方值为： 1 2 广西大学硕士掌位论文c m o s 射频压控振荡器和功率放大器设计 毫= 4 k t s g g 厂 ( 2 - 1 4 ) 岛= 鲁 ( 2 - 1 5 ) 其中：栅极电导靠是频率的函数，且与频率的平方成正比。栅噪声电流源可看成是 g 。的热噪声，但电导值须乘一系数万。式( 2 1 4 ) 中栅噪声系数岛24 3 ( = 2 7