一种 0.1-1.2GHz CMOS 超宽带单端结构功放设计

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一种 0.1-1.2GHz CMOS 超宽带单端结构功放设计

天津大学电子信息工程学院School of Electronic Information Engineering

王立果

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CMOS PA Design

一、宽带功率放大器（ PA ）的研究现状二、目前宽带功放的几种实现方法三、拟采取的设计方案四、完成课题的条件五、进展计划

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一、国内外研究现状 CMOS 工艺相对较少，且同时满足各项指标（线性

度、 PAE 、带宽）的芯片很难。



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一、国内外研究现状[1] Y.-J. E. Chen, L.-Y. Yan, and W.-C. Yeh, “An integrated wideband power amplifier for cognitive radio,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech ., vol. 55, no. 10, pp. 2053–2058, Oct. 2007.[2] A. Vasylyev, P. Weger, and W. Simburger, “Ultra-broadband 20.5–31GHz monolithically-integrated CMOS power amplifier,” Electron.Lett. , vol. 41, no. 23, pp. 1281–1282, Nov. 2005.[3] M.-C. Chuang, P.-S. Wu, M.-F. Lei, H. Wang, Y.-C. Wang, and C.S. Wu, “A miniature 15–50-GHz medium power amplifier,” in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symp. Dig., Jun. 11–13, 2006.[4] C.-Y. Chiu and M. Ismail, “A fully integrated multi-standard power amplifier in 0.18um CMOS for IEEE 802.11a/b/g WLANs,” in IEEE Midwest Symp. on Circuits and Systems Dig., Aug. 7–10, 2005, vol.22, pp. 1111–1114.[5] J.-W. Lee, L. F. Eastman, and K. J. Webb, “A gallium-nitride push-pull microwave power amplifier,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.51, no. 11, pp. 2243–2249, Nov. 2003.[6] M.-F. Lei, Z.-M. Tsai, K.-Y. Lin, and H. Wang, “Design and analysis of stacked power amplifier in series-input and series-output con-figuration,” IEEE Tran. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 12, pp.2802–2812, Dec. 2007.[7] C. Lu, A.-V. Pham, M. Shaw, and C. Saint, “Linearization of CMOS broadband power amplifiers through combined multigated transistors and capacitance compensation,” IEEE Tran. Microw. Theory Tech., vol.55, no. 11, pp. 2320–2328, Nov. 2007.[8] B. Sewiolo and R. Weigel, “A novel 2–12 GHz 14 dBm high efficiency power distributed amplifier for ultra wideband applications using a lowcost SiGe BiCMOS technology,” in IEEE Int. Microw. Symp. Dig. , Jun.15–20, 2008, pp. 1123–1126.[9] T. S. Wooten and L. E. Larson, “A decade bandwidth, low voltage,medium power class B push-pull Si/SiGe HBT power amplifier em-ploying through-wafer vias,” in IEEE Radio Frequency Integrated Cir-cuits Symp. , Jun. 17, 2008, pp. 519–522.



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一、国内外研究现状

CMOS 工艺 PA 现存主要问题：


CMOS 工艺尺寸减小 , 击穿电压下降工作频率升高 , 高频增益下降电源电压降低 , 附加功率效率 (PAE) 降低同时实现输出功率、线性度、 PAE 等指标的改善难度加

大


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一、国内外研究现状

目前很多商用 PA 仍使用 GaAs 、 GaN 等器件，但造价高 , 体积大。

尽管 CMOS 工艺中存在一些挑战，片上系统迫切要求 PA能和其它射频前端组件用主流的 CMOS 工艺集成在同一芯片上 , 以减小体积、降低造价、增加系统可靠性。


Why CMOS ？


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二、目前宽带功放的几种实现方法宽带的定义：从频域来看，宽带是指相对带宽 ( 信号带宽

与中心频率之比 ) 在 1% 到 25% 之间，相对带宽大于25% 的被称为超宽带。


在宽带 CMOS 射频功率放大器设计中，采用的结构也是多种多样的：

a) 单端结构b)差分结构c) 分布式结构d)输出变压器式匹配结构e) 特殊堆叠结构


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二、目前宽带功放的几种实现方法1.单端结构

结构简单面积小增益平坦度较差



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二、目前宽带功放的几种实现方法2. 差分结构

较大的电压输出摆幅可降低功放对封装寄生效应灵敏度降低功放对其他电路的干扰需要功率合成器，很难集成



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二、目前宽带功放的几种实现方法3.分布式结构：

宽频带下很好的匹配和线性度缺点是较大的功耗和面积PAE较低



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二、目前宽带功放的几种实现方法4. 输出变压器式匹配结构：

输出阻抗从 50 欧姆变为更小的优化负载带宽大，可用于 UWB （超宽带） PA 设计缺点则是面积较大



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二、目前宽带功放的几种实现方法5.堆叠式结构：

良好的增益平坦度和带宽GaAs 工艺面积较大基于CMOS工艺有待于验证



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三、拟采取的设计方案本次课题主要旨在采用 CMOS 工艺，提高射频功率放大器的带宽及其增益平坦度等性能，并减小芯片的面积。最终，设计出一款跨倍频程的 50MHz ~1.5GHz 的 CMOS 宽带射频功率放大器。


拟采取方案拟采用结构单端和差分

拟采用工艺 0.18um

拟设计带宽 50MHz~1.5GHz

设计工具 Cadence


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四、完成课题的条件

对 CMOS 射频功率放大器的理论有一定了解能够熟练运用 Cadence ：基本掌握电路设计及优化、

版图的设计及 DRC 、 LVS 验证，并且进行后仿的整个流程

课题组已经拥有成熟的仿真服务器工作站设施和测试设备，已有一定的设计和测试经验，具备完成课题的条件



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五、进展计划


时间拟完成计划

2012.10 - 2012.11 查找文献，了解 CMOS PA 的研究动态，制定初步的设计方案

2012.12 - 2013.02 按照制定的设计方案进行设计仿真与优化，画出版图，进行第一次流片

2013.03 - 2013.04 对第一次流片进行测试，分析数据，并根据测试结果进行设计优化，进行第二次流片

2013.05 - 2013.07 对第二次流片进行测试，并根据测试结果进行设计优化，进行最后的终版流片

2013.08 - 2013.11 对最后一次流片进行测试分析，准备材料，完成毕业论文

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