X波段MMIC功率放大器的研究

论文摘要

论文研究了X波段MMIC功率放大器的电路设计,内容包含:回顾MMIC技术的发展和应用,及其相对于HMIC的优势;简单描述pHEMT二维电子气的形成机理,pHEMT晶体管的小信号和大信号模型的主要性能参数;最后详细介绍X波段的MMIC功率放大器设计过程。论文采用台湾WIN半导体公司0.15μmGaAs pHEMT工艺线,使用ADS软件仿真设计了一个8～11 GHz单片功率放大器。该放大器采用四级放大的拓扑结构,分别为两级的增益放大级、驱动级、功率放大级。第一级pHEMT栅宽为4×75um,为输入的信号提供15dB左右的增益,第二级pHEMT共四个单胞合成,单胞栅宽为4×75um,进一步为小信号提供增益,并为后面的驱动级提供足够的增益。第三级由8个单胞组成,每个单胞为4×100um,主要为末级提供足够的驱动功率输入。末级共有16个单胞合成,每个单胞为8×100um,工作在饱和区,提高了芯片的饱和输出功率。四级均采用双电源供电,漏极和栅极加偏置电压,工作于A类方式,末级工作在AB类,以获得最小的线性失真和最优化的输出功率,并兼顾了效率。输入和输出级的功率分配合成网络均选用了一分二的Wilkinson功率分配合成网络。经过优化仿真和对版图芯片版图的优化,放大器在工作频带内小信号增益为24dB以上,增益平坦度为1dB,输入输出电压驻波比≤2,频段内1dB压缩输出功率达到37.3dBm,饱和输出功率大于38.02dBm,片内阻抗为75欧姆,输入输出均匹配到50欧姆标准阻抗,版图面积为5.18mm×6.97mm得到的仿真结果表明,设计的功率放大芯片能够实现了预期的设计指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MMIC技术概述
• 1.1.1 国外MMIC功率放大器技术综述
• 1.1.2 国内MMIC功率放大器技术综述
• 1.2 MMIC技术与HMIC技术的比较
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 2 MMIC工艺线选择及微波器件模型
• 2.1 MMIC设计和加工的基本流程
• 2.2 FOUNDRY的选择及设计环境
• 2.2.1 衬底材料调研及选择
• 2.2.2 管芯比较
• 2.2.3 国内外MMIC代工厂家的比较
• 2.2.4 设计MMIC芯片使用的CAD技术介绍
• 2.3 器件的模型及参数提取方法
• 2.3.1 MMIC工艺流程简介
• 2.3.2 有源器件模型及参数提取
• 2.3.3 器件模型的提取
• 2.3.3.1 小信号模型
• 2.3.3.2 大信号模型的建立
• 2.3.4 无源器件模型
• 2.4 本章小结
• 3 功率放大器的基本原理和参数特性
• 3.1 功率放大器的工作原理
• 3.2 MMIC放大器的主要设计参数
• 3.3 MMIC功放设计的特点
• 3.4 本章小结
• 4 单片集成功率放大芯片的设计
• 4.1 主要技术指标
• 4.2 总体设计考虑和技术方案
• 4.2.1 直流工作点的确定和偏置网络的设计
• 4.2.2 末级放大单元电路的设计
• 4.2.3 第三级放大器单元的设计
• 4.2.4 第二级放大器单元的设计
• 4.2.5 第一级放大器单元的设计
• 4.2.6 功率分配和合成网络
• 4.2.7 级间匹配电路的设计
• 4.2.8 整体级联仿真
• 4.3 版图设计
• 4.3.1 DRC检测
• 4.3.2 ERC检测和灵敏度分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献