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用于无线局域网的SiGe BiCMOS功率放大器关键技术研究

作　者: 阮颖
导　师: 赖宗声
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 无线局域网 SiGe BiCMOS 功率放大器热稳定性功率单元自适应动态偏置
分类号: TN722.75
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

功率放大器是无线发射机重要的射频前端模块,也是消耗能量最大的部件。现代无线通信系统通常需要采用高峰均值的调制信号提高信道容量和传输速率,同时电池寿命是影响移动便携式设备使用的关键因素之一。在无线通信设备低成本、小体积、低功耗的需求推动下,单芯片全集成的功率放大器应运而生。在早期射频集成功率放大器(RFIC PA)中,以GaAs/InP基片材料为代表的Ⅲ-Ⅴ族功率放大器完全处于统治地位,但该类功放难以与基带等其它电路集成。近年来,随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高,SiGe BiCMOS器件的截止频率、工作电压和功率密度等均得到了显著改善。而为了进一步提高射频通信系统芯片的兼容性、降低系统成本,满足多模式多频段应用需求,更使SiGe BiCMOS RFIC PA技术得到业界的广泛关注而成为研究热点。本文的研究工作是基于国内某新建的0.18umSiGe BiCMOS工艺线开展的。首先对工艺线进行了功率器件开发和建模,完善该工艺的功率单元模型和PDK数据包；以此为基础,对可用于无线局域网的功率放大器进行了关键技术研究和流片验证。本文取得的主要成果如下：1)针对无线局域网功放的应用要求,提出了四种不同结构的功率单元(Power Cell)设计。基于Volterra级数分析了主要功率器件SiGe HBT的非线性等效电路和功率单元的热平衡布局,对在大信号条件下各种高频谐波非线性参数对功放的影响进行比较和评估,对不同结构的功率单元进行DC和RF测试,提供了Power Cell模型库的关键数据,为无线局域网的功放设计奠定了技术基础。2)基于SiGe HBT器件的自加热效应分析和比较基极镇流和射极镇流这两种功放热稳定性设计,提出了一种在基极偏置中实现温度稳定性的电路结构,其特点是在功率晶体管基极的DC通路中采用电阻和电容并联,从而降低基极镇流电阻对功率增益的影响,以较小的直流功耗和射频损耗而有效的防止热击穿。3)研究功放中重要结构单元—键合线的射频特性对于功放性能的影响。针对键合互联线不同的结构参数,用高频三维电磁仿真软件HFSS构建三维物理模型,采用有限元方法进行全波分析。建立键合线的π型等效电路,提取在不同物理模型下金丝键合线的R、C、L等效参数,PCB键合测试获得了多种结构金线的射频插损。4)针对无线局域网802.1lb/g协议的要求,采用集成二极管负反馈动态偏置技术,设计了PA线性化和温度稳定的偏置电路,实现了一种包括了匹配电路、放大电路和偏置电路的单芯片全集成2.4GHz功放。测试结果表明,其功率增益为22dB,输出1dB点功率为19.6dBm,功率附加效率为20%。5)针对WLAN2.4GHz/5GHz双频段应用要求,实现了一种单端共射极三级级联双频段功放。设计了一种对功放偏置静态电流进行调控和阻抗可变的变容二极管自适应偏置电路,降低了PA的直流功耗,提高了输出1dB压缩点功率。测试结果表明,在2.4GHz频率下,其功率增益达27.1dB,OP1dB达25.5dBm, PAE达26.1%；在5.25GHz频率下,功率增益为22dB, OP1dB为21.1dBm, PAE为20.2%。本文受核高基国家重大专项《嵌入式多模、多频收发器关键IP硬核研究》(编号：2009ZX01034-002-002-001)和上海市国际科技合作基金项目《锗硅BiCMOS射频前端关键集成电路设计技术研究》(编号：09700713800)资助。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-30
  1.1 研究背景  13-18
  1.2 WLAN中功放技术的研究现状  18-23
    1.2.1 GaAs功放技术现状  18-19
    1.2.2 CMOS功放技术现状  19-20
    1.2.3 SiGe BiCMOS功放技术现状  20-22
    1.2.4 SiGe BiCMOS功放设计面临的挑战  22-23
  1.3 本文的主要工作  23-24
  1.4 本文的组织结构  24-25
  参考文献  25-30
第二章射频功率放大器技术概述  30-51
  2.1 功率放大器的主要性能指标  30-34
  2.2 功率放大器的分类  34-39
    2.2.1 电流模式功率放大器  34-37
    2.2.2 开关模式功率放大器  37-39
  2.3 射频功率放大器的线性化技术  39-44
  2.4 射频功率放大器的效率提高技术  44-46
  2.5 射频功率放大器的频率稳定性  46-48
  2.6 本章小结  48
  参考文献  48-51
第三章 SiGe BiCMOS功放关键部件研究与设计  51-86
  3.1 功率HBT的阻抗匹配  51-52
  3.2 功放的Loadpull负载牵引特性  52-54
  3.3 国内某0.18μm SiGe BiCMOS工艺的功率器件  54-56
  3.4 功率单元Power Cell设计  56-71
    3.4.1 Volterra级数分析  56-57
    3.4.2 基本功率单元的结构与性能影响  57-58
    3.4.3 热平衡的布局优化  58-60
    3.4.4 功率单元几何结构设计  60-62
    3.4.5 测试结果与分析  62-71
  3.5 键合线模型研究  71-83
    3.5.1 理论分析  72-73
    3.5.2 键合线物理模型建立  73-74
    3.5.3 仿真分析与参数提取  74-79
    3.5.4 键合线测试  79-83
  3.6 本章小结  83
  参考文献  83-86
第四章 2.4GHz单片全集成SiGe BiCMOS功放设计  86-104
  4.1 WLAN 802.11b/g协议的发射功率要求  86-87
  4.2 SiGe BiCMOS功放热稳定性分析与电路设计  87-92
    4.2.1 热稳定性与镇流电阻的影响  87-91
    4.2.2 温度稳定性设计  91-92
  4.3 动态偏置线性度提高设计  92-94
  4.4 2.4GHz集成功率放大器的电路设计  94-96
  4.5 2.4GHz集成功率放大器的后仿真结果  96-100
  4.6 本章小结  100
  参考文献  100-104
第五章双频段线性SiGe BiCMOS功放设计  104-124
  5.1 双频段功放设计基本思想  105-106
  5.2 双频段功放效率和线性度提升设计  106-109
    5.2.1 理论依据  106-107
    5.2.2 功率控制电路设计  107
    5.2.3 变容二极管自适应线性化设计  107-109
  5.3 双频段线性功率放大器的电路设计  109-115
    5.3.1 双频段匹配网络设计  111-112
    5.3.2 射极退化与多键合线技术  112-115
  5.4 双频段功率放大器的后仿真结果  115-121
  5.5 本章小结  121-122
  参考文献  122-124
第六章 SiGe BiCMOS功放测试及分析  124-138
  6.1 功率放大器测试系统  124-125
  6.2 2.4GHz全集成功放在片测试与分析  125-128
  6.3 双频段线性功放COB测试与分析  128-136
  6.4 本章小结  136
  参考文献  136-138
第七章总结与展望  138-141
  7.1 论文工作总结  138-139
  7.2 下一步工作展望  139-141
攻读博士期间发表的文章和专利申请  141-143
  1. 已发表的论文  141
  2. 申请的发明专利  141-143
附录A 缩写表  143-146
附录B 论文中的图、表清单  146-151
致谢  151

用于无线局域网的SiGe BiCMOS功率放大器关键技术研究

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