cmos射频线性功率放大器研究毕业设计（论文）

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1、1引言功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，其非线性失真对无线通信系统产生诸多不良的影响：使输出信号星座图的实部和虚部发生偏移，使眼图的眼睛闭合，导致频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率，此外，失真还使系统的数据率下降而使系统的容量降低，或使系统信道频率问距变大而使系统的频谱利用率下降。功率放大器的线性化技术可以追溯到上世纪二十年代，当时美国贝尔试验室Harold．S．Black发明了前馈和负反馈技术并应用于功率放大器的设计，成功地减少了放大器的失真。近些年来，伴随着无线通信的发展，RF功率放大器的线性化技术的研究引起了人们高度的重视，

2、相关研究成果和论文的数量不断地增加。总的来说，改善功率放大器的线性度包括工艺制程、电路类型的选择以及采用线性化技术等方面。CMOS功率放大器的设计一直是RFIC设计的瓶颈之一。本文重点研究了CMOS射频线性功率放大器的设计，论文给出了详细的分析过程。论文的组织结构如下第一章：前言。第二章：CMOS射频功率放大器概述，介绍了不同类型的功率放大器、功率放大器的性能指标等与CMOS射频功率放大器相关的内容。第三章：射频功率放大器设计基础，涉及MOS管的非线性模型、匹配、负载拉技术等设计概念和方法。第四章：功率放大器的线性化技术，从电路级和系统级两

3、个方面介绍功率放大器设计中常用的线性化技术。第五章：结论和展望，总结了整个论文的工作，提出了论文中可以进一步完善的地方。2GMOS射频功率放大器概述射频功率放大器是无线发射机系统中的核心模块之一，要求具有一定的输出功率。随着通信技术的发展，信道容量急剧增加，许多无线通信系统都采用了幅度／相位组合的调制技术，功率放大器在输出大功率时要防止发生失真，这对功率放大器的线性度提出了很高的要求。2．1功率放大器分类2．1．1传统的线性功率放大器传统的功率放大器是最早出现的功率放大器的结构，依据导通角的不同可以分为A类、AB类、B类和c类。它们具有较高

4、的线性度，在实际中得到广泛应用。在这些功率放大器中，有源器件都作为电流源，由于这四种类型的放大器仅仅是导通角有所不同，而电路结构、设计思想等都是一样的，本节把他们作为整体进行介绍。●工作原理图2一l(a)是通用的线性功率放大器的模型。图中RFC是理想的RF扼流圈，它具有零串联电阻及在工作频率时无穷大的电抗。Cb是隔直电容，在工作频率时具有零电抗，有源器件相当于一个理想的电压控制电流源，具有零饱和电阻。输入的余弦电压定义为(图2-1(b))：⋯(2．1)式中，是栅极偏置电压，是输入信号的幅值．漏极输出电流可以写成(图2-l(b))⋯(2-2)

5、式(2-2)中，是漏极静态电流，I对应着漏极射频信号的幅值，导通角2表示RF电流周期中器件导通的角度。此时⋯(2-3)角可由下式计算：⋯(2-4)⋯(2-5)当t=0时，输出漏极电流有最大值：⋯(2-6)从式(2-4)可以得到以下基本结论：当>I时，对应于A类工作模式当>时，cos<0,>0对应于AB类工作模式；当=时，cos=0,=0对应于B类工作模式；当<时，cos>0,<0对应于C类工作模式;输出电流i可用傅里叶级数展开如下：⋯(2-7)式(2-7)中的直流和基波分量可从下面两个式子中得到：⋯(2-8)⋯(2-9)其中电流的n(n2)

6、阶谐波成分的幅度为⋯(2-10)从图2-2可以看出，当导通角减小时，输出电流中直流成分是单调减小的；而输出电流中的基波分量并不是关于导通角的单调函数。而当导通角位于2和之间时，基频成分随导通角的减小而单调增加，仅当导通角小于时，基频成分才转为随导通角的减小而单调下降。当导通角位于2和之间时，高阶谐波成分中仅有二阶谐波成分比较高，其它的谐波成分都很小，而且随着导通角的减小，高阶谐波成分逐渐增加。另外，当时导通角等于(B类功放)，奇数阶谐波成分都等于0。图2-2表明随着导通角的减小，功率放大器的非线性是逐渐增加的，当导通角等于2(A类功放)时，

7、输出电流中除了基波频率外，没有其它的谐波成分，因此A类功放是一个理想线性放大器。以上的分析中，都假设晶体管满足强非线性条件，而忽略了晶体管的弱非线性。实际上，当输出电流中高阶谐波成分很小时，弱非线性将成为限制功率放大器线性度的主要因素。因此实际的A类功放也不是理想的线性放大器。●传统功率放大器的峰值、效率问题利用漏极基波电流的表达式(2-9)，很容易推导出最大输出电压摆辐的公式：⋯(2-11)这样，基波电流的幅值可以表达为：⋯(2-12)峰值电流为基波电流幅值与偏置项的和，即⋯(2-14)化简为：⋯(2-15)由(2-8)、(2-9)可得到

8、漏极效率为⋯(2-16)从图2-3中可以看出，导通角缩小至零时，效率接近100％，但是从图2-2可以看出输出功率也为零，这是因为在越来越窄的漏极电流波形中基波分量也在减少。这些综