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中国科学技术大学博士学位论文射频放大器的效率增强与线性化技术研究姓名：尤览申请学位级别：博士专业：电磁场与微波技术指导教师：刘发林2011-04-30摘要I摘要射频放大器(RFAmplifiers)是雷达与无线通信系统收发链路中的关键模块，包括处于发射机前端的功率放大器(PowerAmplifiers,PA)和处于接收机的前端的低噪声放大器(LowNoiseAmplifiers,LNA)。它们的稳定工作是系统正常运行的必要条件，同时，它们的具体性能也将直接影响到整个系统的质量。目前通信系统中常用的复杂调制信号具有高峰均比特性，这要求射频放大器具有足够高的线性度，而出于绿色通信方面的考虑，也需要放大器具有较高的工作效率以降低能耗。因此，效率增强和线性化技术被广泛应用于射频放大器的设计当中。本文将紧密围绕射频放大器的实际应用，就其中的效率增强和线性化问题展开具体研究和探讨。论文首先综述了目前放大器设计中改善效率和线性度的常用方法。并对放大器设计中的阻抗匹配进行了具体介绍，并分析了功率匹配和噪声匹配这两种不同的设计思路。论文的第三、四、五章分别针对单管F/IF类功率放大器、Doherty结构功率放大器和宽带低噪声放大器在效率和线性度两方面的性能优化方法进行了分析和研究。F/IF类功率放大器属于开关模式功率放大器中的一种。论文首先从理论上介绍了传统F/IF类功率放大器的工作原理，分析了功率晶体管中的各种寄生分量对F/IF类功率放大器具体性能所造成的影响。在此基础上，提出了一种在输入端对二次和三次谐波阻抗进行处理,以提高效率的电路设计方法，以及一种考虑了晶体管寄生分量影响的输出端谐波控制电路的设计方法，描述了从基本的2至3阶谐波控制结构到2至5阶谐波控制结构下的具体负载端电路设计流程，并以此为基础实现了一型高效率的逆F类功率放大器，验证了该方法的有效性。Doherty结构功率放大器是以两个支路的单管功放来配合工作，以实现在较大的输出功率回退范围内保持较高的效率。在分析了传统Doherty结构工作原理的基础上，将高效率的逆F类功放引入Doherty作为其中的载波放大器和峰值放大器。通过在原有逆F类功放末端添加调试微带线的办法，得到了符合Doherty结构要求的负载特性，并在输出功率的6dB回退区域内获得了良好的效率性能。同时分析并给出了峰值支路的逆F类功放的偏置点选取依据，并根据峰值放大器在大信号区域内的输出特性，分析并解释了Doherty结构在功率饱和点的工作状态。另外，通过对新型Doherty结构与原逆F类功放的非线性失真进行对比分析发现，新结构在功率回退区域内将更好的改善电路的线性性摘要II能。最后，分析了采用CMOS工艺实现小型化低噪声放大器电路的一般设计方法。针对新型的噪声抑制结构，在对电路的主要噪声源和非线性影响进行分析的基础上，提出了一种宽带低噪声放大器电路结构，在满足噪声抑制原理的前提下，进一步降低了电路的整体噪声水平，并同时改善了电路的线性度。在此基础上，实现了一型超宽带CMOS低噪声放大器芯片。关键词：射频放大器；效率增强；线性化技术；F/IF类功放；Doherty功放；CMOS宽带低噪声放大器；噪声抑制AbstractIIIABSTRACTRFAmplifierswhichincludepoweramplifiersinthetransmitchainsandlownoiseamplifiersinthereceivechainsarethekeymodulesofthetransceiversinradarandwirelesscommunicationsystems.Theirstabilityisnecessaryforsystems’normalop-erationandtheirperformancesdirectlyaffectthesystems’quality.Thecurrentuseofcomplexmodulationtechniquescausesahighpeaktoaveragepowerratiowhichre-quirestheamplifierstohavesufficientlinearity,andhighworkingefficiencyforthesakeofgreencommunicationstominimizethepowerconsumption.Therefore,effi-ciencyenhancementandlinearizationtechniqueshavebeenwidelyusedforRFam-plifiersdesign.Basedonthepracticalapplications,thedissertationwasfocusedontheefficiencyandlinearityofRFamplifiers.First,thecommonefficiencyenhancementandlinearizationtechniqueswereoverviewed.Thentheimpedancematchingmethodsweredescribedinparticularwithdetailedanalysisofthedifferencesbetweenpowermatchingandnoisematching.Chapterthree,fourandfivewerefocusedontheefficiencyandlinearityoptimi-zationmethodsforsingletransistorclassF/IFpoweramplifiers，Dohertypoweram-plifiersandwidebandlownoiseamplifiersrespectively.1．ClassF/IFpoweramplifierisoneoftheswitchmodepoweramplifiers.Withsometheoreticalintroductiontoitsoperationprincipleandtheanalysisoftheinflu-encesoftheparasiticelementsofthepowertransistortotheamplifier’sperformances,aparasiticcompensationcircuitwasaddedintotheharmoniccontrolnetworkattheoutputnodetooptimizethe2ndto3rdor2ndto5thorderharmonicimpedances.The2ndand3rdorderharmonicimpedanceswerealsomatchedattheinputnode,duetotheexistenceofparasiticfeedbackelements.Accordingtotheproposedarchitecture,ahighefficiencyinverseclassFpoweramplifierwasrealizedtovalidatethedesignmethods.2．Dohertypoweramplifierisabletokeephighefficiencyforawiderangeofoutputpowerbackoffwiththespecialbiasesforitstwoamplifiers.BasedontheanalysisoftraditionalDohertypoweramplifiers,aDohertycircuitemployinghighefficiencyinverseclassFpoweramplifiersasitscarrierandpeakingamplifierwaspresented.Byaddingatuningmicrostripline,theoriginalinverseclassFpoweram-plifierachievedtheoptimizedimpedanceandresultedinhighefficiencyoftheDo-AbstractIVhertyamplifierinthepowerback-offregion.ThebiassetupofthepeakinginverseclassFpoweramplifieranditsoutputcharacteristicsinthelargesignalregionwerealsoanalyzed.TheoperationstateoftheDohertyamplifieratsaturationpointwasanalyzedandexplained.AndthelinearityofthenewDohertywasfoundbetterthantheoriginalinverseclassFpoweramplifierafternonlineareffectscomparison.3．TheCMOSlownoiseamplifierwasstudiedingeneral.Basedonanewtypenoisecancellingarchitecture,theoriginsofnoisesandthenonlinearityinfluenceswereanalyzed,andawidebandlownoiseamplifiercircuitwasproposed.Thenoiseperformancewasoptimizedwhileachievinggoodlinearitysimultaneously.AUWBCMOSlownoiseamplifierchipwasdesignedtovalidatethemethods.KeyWords:RFAmplifiers；EfficiencyEnhancement；Linearization；ClassF/IFPowerAmplifiers；DohertyPowerAmplifiers；CMOSWidebandLowNoiseAmplifiers；NoiseCancelling图目录VII图目录图1.1无线通信系统收/发链路框图....................................................................1图2.1共轭匹配与功率匹配...............................................................................10图2.2一般功率放大器电路示意图...................................................................11图2.3最佳负载下的输出电压和电流特性.......................................................12图2.4低阻和高阻负载下的输出电压和电流波形...........................................13图2.5功率等高线示意图...................................................................................14图2.6有噪声二端口网络的等效形式...............................................................15图3.1过激励B类功率放大器漏极电流和电压波形.......................................19图3.2最佳效率下的B类漏极电压电流波形...............................................