基于CMOS工藝的變壓器耦合毫米波功率放大器芯片設計.pdf

1、毫米波是波長為1mm~10mm的電磁波。毫米波電路在個人無線通信、星際通信、毫米波成像、毫米波雷達、制導、生物醫(yī)療、射電天文、安檢等領域都具有非常廣泛的發(fā)展前景。功率放大器作為毫米波發(fā)射機電路設計難度最大的模塊之一,吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。采用CMOS工藝設計毫米波功率放大器具有成本低、易與數(shù)字電路互聯(lián)等優(yōu)點,同時依然存在著毫米波無源器件設計困難且缺乏準確模型、放大器在毫米波頻段輸出功率較低、晶體管在毫米波頻段增益較低等問題。本

2、文深入了研究毫米波電路設計理論,為解決CMOS工藝設計毫米波功率放大器存在的問題作了初步嘗試。
　　本文系統(tǒng)的總結了具有阻抗變換功能的毫米波變壓器式片上巴倫的設計方法,并提出了調整中心抽頭改善變壓器式片上巴倫平衡性的方法,設計了基于 CMOS工藝的 V波段片上巴倫,然后建立了片上巴倫的毫米波集總元件模型。為毫米波變壓器式片上巴倫設計與建模提供了一種有效的解決方法。
　　接著本文采用90nm CMOS工藝設計了八路輸入、兩路輸

3、出的功率合成變壓器,并采用這種變壓器設計了高輸出功率的Q波段功率放大器。測試結果表明,該Q波段功率放大器在45GHz頻率處實現(xiàn)了20.38dB的增益,飽和輸出功率 Psat為21.08dBm,峰值功率附加效率PAE為14.5％。為提高基于CMOS工藝的毫米波功率放大器的輸出功率提供了借鑒。
　　最后本文采用90nm CMOS工藝設計了工作在100GHz的W波段功率放大器。90nm CMOS工藝的截至頻率fT在120GHz左右,晶體

4、管在100GHz頻率處的增益低(仿真最高增益僅為6dB),而無源器件在W波段的損耗極大,設計難度極大。本文提出了采用變壓耦合晶體管柵極和漏極信號的方法,在不降低放大器效率和線性度的條件下大大提升了放大器的增益。通過電路仿真發(fā)現(xiàn),這種采用變壓耦合晶體管柵極和漏極信號的結構能提高放大器的增益2dB。該W波段功率放大器仿真的小信號功率增益為14.8dB,飽和輸出功率Psat為10.34dBm,峰值功率附加效率PAE為4.5％。為提高CMOS工