基于双极场效应器件的CMOS数字射频功率放大器理论与技术研究

The design and integration of radio-frequency power amplifier (RFPA) in standard CMOS process is a hot and key research topic in academia and industry. There are two obstacles that limit the design and integration of CMOS RFPA, one is lack of high quality active and passive on-chip devices, the other is deficiency of the traditional PA architecture that is unable to meet the output power, linearity and efficiency requirements of modern wireless equipments. In this project, the novel devices and architectures are proposed and the corresponding researches will be conducted, in the hope of providing theory and technique supports for the design and integration of CMOS RFPA. Firstly, a novel bipolar junction MOSFET (BJMOSFET) device based on standard CMOS process is proposed, and the theoretical analysis reveals that its performance is improved over the normal MOSFET, this helps to remove the bottleneck of active device in CMOS RFPA design; Secondly, as on-chip transformers are critical passive devices in the design of power combiner, several optimization methods, such as "multi-path balanced driving" and "width tapering structure" , are proposed to further improve quality factor and the performance of the whole PA; Thirdly, a novel digital polar modulation architecture with BJMOSFET and on-chip transformer is developed, and also the improved digital control and correction method, the simple and effective image suppression method.

在标准CMOS工艺上设计和集成射频功率放大器是目前学术界和工业界的研究热点和难点。制约CMOS射频功率放大器设计与集成的根本原因在于缺少高品质片上有源和无源器件，以及传统架构在输出功率、线性度和效率等方面难以满足现代无线通信设备的要求。本项目围绕器件和架构两方面进行创新和深入研究，以期为CMOS射频功率放大器的设计与集成提供理论与技术支持。首先，本项目提出了基于标准CMOS工艺的双极场效应器件（BJMOSFET），理论分析表明，BJMOSFET在性能上有比较明显的改善，有利于解决设计中的器件瓶颈；其次，片上耦合电感是设计功率合成器的关键被动元件，本项目提出了多路径平衡驱动、变宽结构等优化设计方法，进一步提高其品质因数，进而提高功率放大器的整体性能；然后，结合BJMOSFET和片上耦合电感，构成了新型数字极化调制架构，提出了改进的数字控制和校准方式，提出了简单而有效的镜像抑制方法。

在标准CMOS 工艺上设计和集成射频功率放大器是目前学术界和工业界的研究热点和难点。制约CMOS 射频功率放大器设计与集成的根本原因在于缺少高品质片上有源和无源器件，以及传统电路结构在输出功率、线性度和效率等方面难以满足现代无线通信的要求。根据项目拟定研究计划，我们从有源器件、无源器件和电路结构三个方面展开了深入研究，并取得了一定的研究成果。在有源器件方面，我们提出了基于体硅CMOS工艺的双极场效应器件结构，并进行了理论分析与推导；采用0.13um标准体硅CMOS工艺，设计了双极场效应器件芯片，并进行了流片和测试，但器件直流特性的实测结果与理论分析结果存在较大差异，可能的原因包括工艺参数偏差、器件结构偏差和短沟道效应等。在无源器件方面，我们建立了比较完整的片上电感和片上耦合电感变宽结构优化设计方法，其中包含平面和三维电感和耦合电感；明确了多路径结构在普通CMOS工艺上作用有限，多路径结构可提高耦合电感的耦合系数，但对电感和耦合电感品质因数的影响不大；建立了比较准确的三维耦合电感的集总等效电路模型，结合目前已有的三维电感等效电路模型、平面电感和平面耦合电感等效电路模型，在电路模型方面基本上已经比较完整。在电路结构方面，研究比较了基于电流模D类和基于开关电容的数字射频功率放大器，明确了采用开关电容结构可以达到更好的输出线性度，以及可以采用相对比较简单的数字校正和镜像抑制方法；研究了基于片上耦合电感的射频功率合成，针对基于开关电容和片上耦合电感功率合成的数字射频功率放大器，建立了比较完整的优化设计方法，完善了针对开关电容结构的数字补偿与控制方式。. 在基金的资助下，已发表学术论文5篇，其中SCI期刊论文3篇，ISTP会议论文2篇；已授权实用新型专利2项，实质审查阶段中发明专利2项。