cmos射频功率放大器的设计方法

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1、腮寒黔CMOs射频功率放大象的设计方法*支传德，杨华中，汪葱(清华大学电子工程系，北京100084)摘要:使用主流的CMOs工艺设计高效率、高增益和一定输出功率的射频功率放大器仍然是无线通信片上系统面临的主要挑战之一。本文简述了CMOs射频功率放大器的研究热.点和设计难.级，重点讨论了负载线匹配、线性区扩展和功率效率增强等关键技术，并提出了一种改进型的包络消除与恢复(EER)的线性扩展法，能满足宽带通信系统的功率放大需要。关键词:CMOs射频功率放大器包络消除与恢复线性区扩展手机、无绳电话、射频标签(RFID)、

2、无线局域网进步除了提高功放的工作频率外，对输出功率、线性度、(WLAN)等无线通信市场的快速发展，不断推动射频前PAE等指标的改善难度加大，实现起来更困难。端收发器向高集成、低功耗、结构紧凑、价格低廉的方向1CMOs射频功率放大器的设计难点和研究热点发展。射频功率放大器与一般线性射频放大器的主要区功率放大器(简称功放)是无线发射器中必不可少别之一是:为了提高输出功率，放大管的输出阻抗和负的组成部分，也是整个发射机中耗能最多的部件，输出载阻抗一般不成共辘匹配关系，而是采用下面论述的负功率一般比较大。现代通信技术为了

3、提高频谱利用率，载线匹配方法。普遍采用同时调幅调相的技术，要求功放有很好的线性1.1负载线匹配方法度;通信的移动特性要求功放的功率效率尽可能地高。射频功率放大器的输入匹配网络可以使用共扼阻抗相对于其它无线收发组件，大功率、高线性、高效率是功匹配方法，但是它不适于大信号模式下的输出匹配网络。率放大器的基本设计要求。主要因为功率放大管的电流输出驱动能力有限，且输出目前大部分商用功放使用GaAs器件，但是，GaAs器电压摆幅受电源电压的限制;而共扼匹配理论假设放大件比CMOSSi器件造价高，且混合工艺做成的系统体积管的

4、驱动能力不受限制，输出电压摆幅也不受限。另外，比较大，而流行的片上系统要求功放能和其它射频前端共扼匹配没有充分利用管子的电流输出能力，如果充分组件、基带电路、DSP电路等用主流的CMOS工艺集成利用应采用比源阻抗实部更小的负载电阻，它是最大电在同一芯片上，以减小体积、降低造价、增加系统可靠压与最大电流的比值，一般称作负载线匹配电阻[710性。在CMOS射频前端中，低噪声放大器、混频器、滤波1.2功率放大器的研究热点器、放大器的研究和设计比较成熟，而200mW以上、高功率放大器可分为电流源类和开关类，设计中选择效率

5、、高线性的深亚微米CMOS射频功率放大器仍然是哪类功放主要取决于系统所采用的信号调制方式，另外CMOS片上系统最难实现的组件之一。与电路采用的工艺息息相关。但是，任何一种单一的功从二十世纪80年代初[[u人们就开始尝试采用CMOS放很难同时满足在很宽功率输出范围内，PAE高、线性工艺进行功率放大器的研究和设计，直到1994年[[21，才度好的要求。一般说来，当输出功率接近最大时，效率最出现CMOS射频功率放大器的相关报导。一直以来大部高，但是线性度变差;输出功率从最大值回退时，线性度分文献只针对单一功放的设计，只

6、有少量文献[3-61从系比较好，但是效率较低。在功率可控的无线通信系统中，统组件的层次进行研究，而使用CMOS工艺实现片上功功放经常工作在低于最大输出功率以下很宽的范围内。放线性化的论文更少。在这段范围内的平均功率效率才是最为重要且有实际从历史发展和目前的研究现状来看:CMOS工艺尺意义的指标，其定义为[181: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，放大管导通曳阻消耗功率的比重加大，=J介乙一(Pmr一)P..dPmr(1)导致加性功率效率(PAE)降低。也就是说，CMOS工艺的、一(P

7、p-.)扭P_,)Pi.dP.=r*本文受国家自然科学基金重大研究项目资助(编号#90207001)《电子技术应用》2006年第9期本刊郊翁:eta@ncse.com.cn是输出功率的概率密度函数;分别表示输人功率函能充分利用功放的放大能力，往往造成巨大浪费。数、输出功率函数、平均功率效率。(2)预失真在类似CDMA的多载波系统中，当峰均比为lOdB这种方法在输人端对基带信号进行预失真，补偿调时，A类功放的理论平均功率效率仅为5%,B类为制模块和功放模块造成的功率压缩，从而输出线性化信28.5%，考虑到实际电路因

8、素，平均功率效率还要远低号。它既可以采用模拟预失真也可以采用数字预失真。于此值。所以在满足其它性能指标的基础上，较高的平模拟预失真需要设计与功放功能相反的组件，在精度上均功率效率才具有实际意义。另外，现代通信技术为了很难实现;数字预失真则需要自动控制机制，实现起来提高频谱利用率，普遍采用同时调幅调相的技术，信号比较复杂。随着现代制造工艺的飞速发展，采用CMOs需要线性放大