cmos射频功率放大器综述讲解
CMOS伪差分E类射频功率放大器设计
放大器 中 ，功率管 的驱 动 电压 幅度 必须 足够 强 ，使 得 输 出功 率管相 当于一 个受 控 的开 关 ，在 完 全导 通 （ 晶
Ｔ ７２ Ｐ２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ ７ ２ （０ ０ １ ０ ９— ４ ０ ７— ８ ０ ２ １ ）０— ４ ０ 中图 分 类 号
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｈｅ Ｐｓ ｕｄ ｄｉ ｅ ｅ ｉ ｌＣｌ ｓ － ＲＦ ｗｅ ｓｇ ｆｔ ｅ ｏ－ ｆ ｒ ｎｔａ ａ ｓＥ Ｐｏ ｒ Ａｍ ｐ ｉ ｅ ｎ ＣＭ ｏ Ｓ Ｐｒ ｃ ｓ ｌｆ ｒ ｉ ｉ ｏ ｅｓ
Ｅ类功率 放大 器是 一种 高效 率 的功 率放 大 器 ，在
理想情 况下 ，它 可 以达 到 １ ０ 的效 率 。在这 种 功 率 ０％
络 等组成 。在激励 信号 作用下 ，晶体管 工作 在 开关 状
态 。 当晶体管 饱 和导通 时 ，漏 端 电压波 形 由晶体 管 决 定 ，即由晶体 管 的 导通 电 阻决 定 。 当 晶体 管 截 至 时 ，
分 析 了 Ｅ类 功放 的 非理 想 因素 ，其 中着 重 分析 寄 生 电感对 系统 性 能 的影 响 ，采 用伪 差 分 Ｅ类功 放 结 构有 效
地 抑 制 寄 生 电感 的 影响 。 最后 基 于理 想 的设 计 方 程 和 Ｌ ａ ｕ 技 术 ，采 用 ０ １ ｍ Ｃ Ｓ工 艺 ，设 计 出高 效 率 的 差 分 Ｅ ｏｄＰ ｌ ｌ ．８Ｉ ＭＯ ｘ
２ Ｆ ｊ ｎｋ ｙＬ ｂｒｔｒ ｆＭｉｒｅｅ ｔ ｎｃ ． ｕｉ ｅ ａ ｏａｏ ｏ ｃｏ ｌｃ ｏ ｉｓ＆ Ｉｔｇａｅ ｉ ｕｔ，Ｆ ｚｏ ｉｅｓ ｙ ｕｈ ｕ３ ０ ０ ａ ｙ ｒ ｎｅ ｒｔｄ Ｃｒ ｉ ｃ ｓ ｕ ｈ ｕＵｎｖ ｒｉ ，Ｆ ｚ ｏ ５ ０ ２，Ｃ ｉａ ｔ ｈｎ ）
射频功率放大器
射频功率放大器射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。
在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。
为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。
目录一、什么是射频功率放大器二、射频功率放大器技术指标三、射频功率放大器功能介绍四、射频功率放大器的工作原理五、射频放大器的芯片六、射频功率放大器的技术参数七、射频放大器的功率参数八、射频功率放大器组成结构九、射频功率放大器的种类正文一、什么是射频功率放大器射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。
射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题作综合考虑的电子电路。
在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至mW，大至数kW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。
为了实现大功率输出，末前级就必须要有足够高的激励功率电平。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，是研究射频功率放大器的关键。
而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。
为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。
二、射频功率放大器技术指标1、工作频率范围一般来讲，是指放大器的线性工作频率范围。
如果频率从DC开始，则认为放大器是直流放大器。
2、增益工作增益是衡量放大器放大能力的主要指标。
增益的定义是放大器输出端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。
增益平坦度，是指在一定温度下，整个工作频带范围内放大器增益的变化范围，也是放大器的一个主要指标。
3、输出功率和1dB压缩点(P1dB)当输入功率超过一定量值后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。
射频功率放大器简介介绍
在无线通信系统中，射频功率放 大器将基带信号转换为高频信号 ，并将其放大到足够的功率水平 ，以便通过天线进行传输。
射频功率放大器的分类
01
02
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按工作频率
可分为低频射频功率放大 器、高频射频功率放大器 、微波射频功率放大器等 。
按用途
可分为通用射频功率放大 器和专用射频功率放大器 。
按功率等级
频率范围与相位噪声
RF2301的工作频率范围为1.7 to 2.6 GHz， 相位噪声性能在偏离中心频率10 kHz时为85 dBc/Hz。
该芯片在无线通信系统中的应用与测试结果
应用场景
01
RF2301适用于多种无线通信系统，如蓝牙、Wi-Fi和
Zigbee等。
测试环境与配置
02 在实验室环境中，使用信号源、频谱分析仪和功率计
制造难点
由于射频功率放大器的工作频率较高 ，因此对芯片的设计和制造工艺要求 较高，同时对封装材料和形式也有特 殊要求。
解决方案
采用先进的芯片制造技术和高品质的 封装材料，优化设计以降低寄生效应 ，提高性能和可靠性。
05
射频功率放大器的发展趋势与 展望
射频功率放大器的发展趋势与展望
• 射频功率放大器是一种用于将低功率信号放大到高功率信号的电子设备，广泛应用于通信、雷达、电子战等领 域。下面将对射频功率放大器的基本概念、发展历程、研究热点、发展趋势和未来研究方向进行详细介绍。
电子战系统需要使用射频功率放大器来放大干扰信号，以干扰 敌方通信和雷达系统。
一些医疗设备需要使用射频功率放大器来放大微弱信号，以便 进行精确的诊断和治疗。
02
射频功率放大器的基本原理
射频功率放大器的电路组成
0.18umCMOS工艺5GHzWLAN功率放大器的设计
0.18umCMOS工艺5GHzWLAN功率放大器的设计
随着互联网的普及,人们需求更高速率的无线局域网。
通过使用免许可证信息基础频段,无线局域网可以提供高达几十兆比特每秒的速率。
射频集成电路(RFIC)是无线通信领域中不可缺少的关键电路,是无线通信的主要瓶颈。
近年来,随着无线通信系统的容量和速率的提升,系统对RFIC的性能提出了更高的要求。
同时,为了满足产品化后高可靠性和低成本的要求,用CMOS工艺实现单片集成的RFIC正逐渐成为人们研究的一个热点。
本文研究了采用TSMC 0.18μm CMOS工艺应用于5 GHz无线局域网(WLAN)发射机的功率放大器的设计方法,并给出了仿真结果。
电路采用三级A类放大结构,在3.3V工作电压下,模拟得到的增益为25.9dB;1dB压缩点输出功率为24.7dBm;最大功率附加效率(PAE)为15%,可用于无线局域网802.11a标准的系统中。
本文先讨论了无线局域网的标准以及收发信机的结构特点。
然后详细分析各种功率放大器的电路结构和性能特点,并且讨论了放大器的线性化技术。
随后分别从六方面,即模块划分、稳定性分析、匹配网络设计、直流偏置设计、主放大电路设计以及静电保护电路设计来具体讲述功率放大器的电路设计细节,给出了电路各个模块的电路示意图和最终电路的结构图。
进而讲述功率放大器的版图设计。
先介绍了深亚微米CMOS工艺的特点,给出了射频CMOS电路版图需要考虑的几个因素。
为了适应电路环境的需要,本次设计对于工艺厂商提供的版图结构的一些改动。
最后给出了芯片的测试方法与结果以及结果分析。
射频功率放大器芯片
射频功率放大器芯片射频功率放大器（RF power amplifier）是一种用于放大射频信号的电子设备，广泛应用于无线通信系统、雷达系统、卫星通信系统、广播电视系统等领域。
它的主要作用是将输入的低功率射频信号放大到足够大的功率，以便能够远距离传输或驱动其他设备。
射频功率放大器芯片是射频功率放大器的核心元件，其主要功能是将输入的低功率射频信号放大到更高的功率。
射频功率放大器芯片通常由半导体材料制成，最常见的是使用金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。
射频功率放大器芯片通常具有以下特点：1. 宽带特性：射频功率放大器芯片能够在很宽的频段内进行工作，从几十兆赫兹到几千兆赫兹不等，能够适应不同的工作频段和应用需求。
2. 高功率增益：射频功率放大器芯片能够将输入信号的功率放大到较高的水平，通常能够提供几瓦到几十瓦的输出功率。
高功率增益可以确保信号的传输距离更远，同时也能够驱动各种外部设备。
3. 高效能率：射频功率放大器芯片通常能够实现较高的功率放大效率，能够将输入的电能有效地转化为输出的射频功率，减少能量的浪费，并减少热量的产生。
4. 低噪声：射频功率放大器芯片通常具有较低的噪声指标，能够保证输出信号的清晰度和稳定性，提高接收信号的质量。
5. 兼容性：射频功率放大器芯片通常具有较高的兼容性，能够适应不同的工作环境和系统要求，同时还能够与其他射频设备和控制电路进行连接和集成。
射频功率放大器芯片在无线通信系统中起着至关重要的作用。
它能够增强信号的强度和传输距离，保证信号的可靠传输，提高通信质量。
同时，射频功率放大器芯片还能够用于雷达系统中的信号增强、卫星通信系统中的信号放大、广播电视系统中的信号驱动等各种应用领域。
总之，射频功率放大器芯片是无线通信系统中至关重要的核心元件，它能够将输入的射频信号放大到足够大的功率，实现信号的长距离传输和驱动其他设备。
随着无线通信技术的发展和应用需求的增加，射频功率放大器芯片将会继续发展和创新，为无线通信领域的进一步发展做出重要贡献。
功率放大器综述
为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就 要求提高PA的效率。
为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行 驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益。
二、功率放器的分类
A类功率放大器的导通角θ=360°，高线性度，最高效率也只有50%， 常用于小信号放大。
B类放大器由于采用零偏置，导通角θ=180°，理想状态下的 效率最高可达到78.5%，常用于中低频大功率放大电路。
射频功率放大器的应用
射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低 等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种 工业装备中。
在军用与铁路通信中，功率放大器通常被用于无线通信系统发射机、 军用雷达的核心器件。
在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s， 单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。
提高射频功率放大器的输出功率、工作效率以及线性度和稳定性等 性能指标对于整个通信系统具有重要的意义。
1948年双极晶体管(BJT)
1952年提出结型场效应 管(JFET)
• 硅双极晶体管开始应用于射 频微波领域，可以对从几百 兆赫(UHF)到Ka波段的信号 进行放大
70年代以后GaAs肖特 基势垒栅场效应晶体管 (GaAs MESFET)
3. 功率放大器的研究意义
功率放大器概述
射频功率放大器 (RF PA) 作为各种无线发射机的重要模块，在现代 通信系统中的主要作用是在工作频段高效率地放大射频小信号，并 将大功率射频信号传输到发射天线中。
射频功率放大器的工作过程，实际上是将电源直流功率在输入调制 信号的控制下转换成具有相同频率、相同相位的大功率信号。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器探究与设计引言：随着科技的不息进步和应用的广泛推广，运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）作为一种重要的模拟电路器件，得到了广泛的关注和应用。
CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术由于其功耗低、集成度高等优势，被广泛应用于运算放大器的探究和设计中。
本文将介绍CMOS高性能运算放大器的探究与设计，主要包括运算放大器的基本原理、运算放大器的基本电路结构、CMOS技术的特点和优势、CMOS高性能运算放大器的设计方法和优化技术等方面。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种特殊的差动放大器，它能够实现电压放大、电流放大、功率放大等功能。
运算放大器有两个输入端，一个非反相输入端和一个反相输入端；有一个输出端和一个电源端，电源端一般有正电源和负电源两个。
在抱负状况下，运算放大器具有无限的增益、无限的输入阻抗和零的输出阻抗。
但实际状况下，由于运算放大器的内部结构等因素的限制，无法完全满足抱负的条件。
因此，在运算放大器的设计中，需要思量如何提高增益、输入阻抗和输出阻抗等性能指标。
二、运算放大器的基本电路结构运算放大器的基本电路结构由差动放大器、电压放大器和输出级组成。
差动放大器用于实现输入信号的差分放大，电压放大器用于实现信号的放大，输出级用于驱动负载电阻。
差动放大器由两个晶体管组成，一个晶体管作为非反相输入端，另一个晶体管作为反相输入端。
通过调整两个晶体管的尺寸比例，可以实现不同的放大倍数。
电压放大器由级联的共源放大器组成，通过逐级放大，实现信号的放大。
输出级由差分放大器和输出级筛选电路组成，通过差分放大器将信号转化为可驱动负载电阻的电流信号，再经过输出级筛选电路，将电流信号转化为电压信号。
三、CMOS技术的特点和优势CMOS技术是一种基于金属-氧化物-半导体（MOS）结构的半导体制造技术。
与传统的bipolar技术相比，CMOS技术具有以下特点和优势：（1）功耗低：CMOS电路在静态状态下几乎不消耗电流，功耗分外低，适合于低功耗应用的场合。
射频功率放大器简介(1)
匹配设计
成功地设计微波功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络。在任 何一个微波功率放大器设计中，错误的阻抗匹配将使电路不稳定，同 时会使电路效率降低和非线性失真加大。在设计功率放大器匹配电路 时，匹配电路应同时满足匹配、谐波衰减、带宽、小驻波、线性及实 际尺寸等多项要求。当有源器件一旦确定后，可以被选用的匹配电路 是相当多的，企图把可能采用的匹配电路列成完整的设计表格几乎是 不现实的。
ηadd= （射频输出功率-射频输入功率）/ 直流输入功率 ηadd称为功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率转换成射频功率的 能力，又反映了放大射频功率的能力。很明显，用功率附加效率ηadd衡量功率 放大器的功率效率是比较合理的。
主要性能指标
6. 饱和输出功率 和 1dB压缩点 随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入 功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的 值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率 的1dB压缩点，用P1dB放大器参数表示。典型情况下，当功率超过P1dB时， 增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大 3-4dB。
匹配设计
③低损耗。在大功率放大器中，由于输出功率较大，输出电路有一点损耗 就会有较大功率损失，并且，在输出电路板上转成热耗，从而使电路的可 靠性变差。例如，连续波输出功率为200W，输出匹配电路损耗为1dB，则 耗散在输出匹配电路上的功率高达40W以上。输出功率越大，输出匹配电 路上所耗散的功率越大。因此，在设计大功率放大器时，应该尽可能减小 输出匹配电路的损耗。 ④线性。由非线性分析知道，功率放大器的三阶交调系数是与负载有关的， 因此在设计输出匹配电路时，必须考虑线性指标的要求。 ⑤效率。功率放大器的效率除了取决于晶体管的工作状态、电路结构、负 载等因素外，还与输出匹配电路密切相关。要求输出匹配电路保证基波功 率增益最大，谐波功率增益最小，损耗尽可能小和良好的散热装置。
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90年代多种新型 固态器件
射频技术发展
DSP技术和微 功率合成技 处理控制技 术 术 • 采用多个放大
• 广泛地应用各 种功率放大器 线性化技术 • 复杂的反馈技 术和预失真技 术来提高放大 器的效率及线 性度 管输出高达几 千瓦的功率
宽带技术
• 对带宽达几十 个GHz以上的信 号进行放大
各种效率增 强技术
众多国内外高校和研究机构对CMOS功率放大 器的研究进展：
2001年，Timothy等人利用0.2um厚栅CMOS工艺制作了900MHz的F类放大
器，峰值输出功率为1.5W，功率附加效率为43%，芯片大小为1 X 2mm2.。 2003年，Tirdad,Domine等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的AB类 功率放大器，该放大器为两级共源共栅结构。输出功率为23dBm时，最大 PAE为42%。 2006年，Jongchan Kang等人采用0.13um CMOS工艺制作了2.4GHz的 Doherty放大器，P1dB点输出功率为22.7dBm，最大PAE为60%,5dB功率回退点 PAE为35%。 2008年，Javad, Pooya等人采用厚栅0.2um CMOS工艺制作了900MHz的F 类放大器，采用偶次谐波滤波技术，得到最大PAE为56%，最大输出功率 29.8dBm。 2008年，Li-Yuan Yang等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的全集成 Doherty结构放大器。该放大器采用Cascode-Cascade结构，芯片面积为1.97 X1.4mm2。P1dB点输出功率为21 dBm，功率附加效率为14%，7dB功率回退 点PAE为10%。
研究背景及目的
射频功率放大器是射频收发(T/R)组件中的重要模块，它的作用是将射频信 号放大到足够高的功率电平，然后通过天线发射出去。射频功率放大器可 以保证无线信号的可靠传输，其性能好坏直接决定着整个射频收发系统。 射频收发组件广泛应用在军用和民用事业中，包括全球定位系统，通信， 导航，雷达，广播电视等。射频T/R组件的发展方向是实现低成本，低功耗 ，高性能高集成度的SOC芯片。当前微电子技术发展迅猛，新工艺新材料 技术不断走向成熟，从而大大推动了微波单片集成电路的发展。 现代无线通信的发展不可避免的要求把数字、模拟甚至是射频模块集成在 一起。为了减少成本，目前发展的趋势即是采用CMOS工艺实现整个芯片的 片上集成。无论是学术界，还是业界，都已出现了性能优异的产品或者样 片。 无线通信市场激烈的竞争不仅要求无线通信系统完成基本通信功能，更对 其提出了低成本、高效率及高可靠性等性能要求。因此，采用CMOS工艺将 无线收发机更多模块集成在一个芯片上逐惭成为无线通信技术的发展趋势 。
CMOS射频功率放大器 综述
报告人：罗乐（ 1502202013 ） 时间： 2016 年 4 月 20 日
目录
CMOS 功率放大器的概述
研究背景及目的 CMOS 功放的特点及其现状 射频器件及技术的发展 射频功率放大器的应用
CMOS功率放大器的设计基础
总结和展望 参考文献
一、CMOS 功率放大器的概述
1948年双极晶体管(BJT) 1952年提出结型场效应 管(JFET)
• 硅双极晶体管开始应用于射 频微波领域，可以对从几百 兆赫(UHF)到Ka波段的信号 进行放大
70年代以后GaAs肖特 基势垒栅场效应晶体管 (GaAs MESFET)
• 使射频微波功率放大器具有高 频率、低噪声、大功率等一系 列优点
80年代ALGaAs/GaAs或 InP/InGaAs组成的异质 结双极晶体管(HBT)
• 射频固态功率放大器的工作频率到 毫米波频段 • 高电子迁移管((HEMT)、假同晶高电子 迁 移 管 (PHEMT) 、 异 质 结 场 效 应 管 ((HFET)、异质结双极管(HBT) • 多种新材料如InP,SiC及CaN • 这些器件能够对100GHz乃至更高频率 的信号进行放大，而且在多数情况下 可以运用MMIC技术
射频功率放大器的应用
射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低 等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种 工业装备中。
在军用与铁路通信中，功率放大器通常被用于无线通信系统发射机、 军用雷达的核心器件。
在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s， 单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。
为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就 要求提高PA的效率。
2012年11月，RF Micro Devices以4750万美元收购CMOS PA初 创公司Amalfi，有利地推进了CMOS功放在低端入门级智能手机中 的应用。 2009年Skyworks收购Axiom Micro上实现CMOS PA的千万片的出货量。
CMOS工艺与其他工艺的比 较
CMOS功放的特点及研究现状
CMOS PA最大的优点是有利于提高系统的集成度，并且CMOS工艺 比较成熟，流片成本较低。 国际上领先的专注于射频和无线半导体解决方案的大公司也转向 CMOS功率放大器的研发。 2013年5月，高通宣布推出基于CMOS的多模多频PA产品线， 这是高通首次进军CMOS功放市场。
CMOS功放的特点及研究现状
CMOS工艺在基带，电源管理，DSP,混频器，低噪声放大器，压控 振荡器等关键组件上的集成得到了广泛的应用。但是功率放大器 (PA)在CMOS工艺下的应用并不广泛，功率放大器的主流工艺依然是 GaAs工艺。 成本方面，CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜，但CMOS功放版图 面积比较大。再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高， 使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。 性能方面，CMOS功率放大器在线性度，输出功率，效率等方面的 性能较差。 CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺 基片衬底的电阻率较低。