论文总字数：22774字

摘 要

功率放大器能够利用电源功率放大输入信号，输出较大功率的信号便于之后的发射与接收。功放位于发射机系统中的最后一级，它的性能参数包括输出功率、效率、线性度等，能够直接影响到整个无线通信收发系统的性能。

本文基于TSMC 40nm工艺设计了一个低功耗高效率的功率放大器，该功率放大器由1.2V电源供电，工作频率为780MHz。整体结构包括差分输入级，多级级联推挽放大器、可调输出级、偏置电路和阻抗变换网络。差分输入级可将双端输入信号转化为单端输出信号。为了兼顾线性度与效率，单级推挽放大器由偏置电压控制使其导通角在50%-100%，并且通过电阻引入电压负反馈使该电路能够自适应偏置。可调输出级由三个被使能信号控制的推挽反相器并联组成。阻抗变换网络采用常见的L型网络结构。

本文利用Cadence软件对该功放进行原理图仿真测试。在采用1.2V电源供电、输入功率为-4dBm的前提下，测得最大输出功率为4.5dBm，功率附加效率达到38.2％，三阶交调系数(OIP3)为11.4dBm，输出匹配网络的S11参数为-13.2dB。

关键词：功率放大器；射频；高效率；级联结构；

ABSTRACT

As an important module in wireless radio communication systems, power amplifiers can use the power of the power to amplify the power of the input signal for subsequent transmission and reception of the output signal. The power amplifier is located at the last stage of the transmitter, and its power consumption, efficiency, linearity and other properties have a direct impact on the performance of the entire communication system.

Based on TSMC 40nm process , a power amplifier with low power and high efficiency is designed in this paper . The power amplifier is powered by a 1.2V supply and operates at 780MHz. The overall structure includes a differential input stage, a multi-stage cascaded push-pull amplifier, an adjustable output stage, a bias circuit, and an impedance transformation network. The differential input stage converts the double-ended input signal into a single-ended output signal. In order to balance linearity and efficiency, the single-stage push-pull amplifier is controlled by a bias voltage to have a conduction angle of 50%-100%. In addition, a voltage negative feedback is introduced through the resistor to enable the circuit to be adaptively biased. The adjustable output stage consists of three push-pull inverters controlled by an enable signal in parallel. The impedance transformation network uses a common L-type network structure.

This paper uses Cadence software to simulate the power amplifier. Under the premise of using 1.2V power supply and input power of -4dBm, the maximum output power is 4.5dBm, the power added efficiency is 38.2%, the third-order intermodulation coefficient (OIP3) is 11.4dB, and the S11 parameter of the output matching network is -13.2dB.

KEYWORDS: power amplifier; radio frequency; high efficiency; cascade;

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容与设计指标 3

1.4 论文组织结构 4

第二章 功率放大器的基本原理 5

2.1 功率放大器特点与分类 5

2.1.1 线性功率放大器 5

2.1.2 非线性功率放大器 9

2.1.3 各类功率放大器性能之间的比较 11

2.2 功率放大器性能指标 12

2.2.1 输出功率 12

2.2.2 效率 12

2.2.3 线性度 13

2.3 功率放大器性能优化方法 13

2.3.1 前馈技术 13

2.3.2 反馈技术 14

2.3.3 预失真技术 14

2.3.4 Doherty结构 15

2.4 本章小结 15

第三章 功率放大器设计 16

3.1总体结构设计 16

3.2放大电路结构 16

3.2.1共源放大结构 16

3.2.2 推挽反相器 20

3.2.3可变功率输出级电路 21

3.2.4 功放具体设计 22

3.3 有源偏置电路 25

3.4 输出匹配网络设计 28

3.5本章小结 31

第四章 仿真结果与分析 32

第五章 总结和展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 36

致 谢 37

参考文献 38

第一章 绪论

• 1. 课题背景与意义

在过去的半个世纪，无线通信技术迅猛发展，给人们的生活带来许多曾经意想不到的便利。1947年，晶体管在贝尔实验室诞生。1948年，香农发表了《通信的数学理论》，正式提出香农三大定理。这两者分别在硬件和软件上为无线通信的发展奠定了基础。而模拟和数字射频电路制造技术的不断更新换代以及通信理论的逐渐完善为便携式可移动的通信设备的制造提供了条件。1973年，摩托罗拉工程师马丁库帕发明了手机，真正实现了移动通信。此后，无线通信技术开始受到全世界的瞩目，随着无线局域网和蜂窝移动通信技术的应用，通信产业、互联网产业以及物联网产业得到了迅猛发展。

本文所需设计功放的中心频率为780MHz，工作频段为770~790MHz，这是中国专为物联网行业特意申请的一个国内免费使用频段^[1]。作为21世纪新兴产业，物联网逐渐影响到经济生活（比如物流、商业）、社会生活（比如智能家居^[2]）和国家安全（比如灾害预警）等各个方面。物联网网络的基础是物体之间的信息感知与信息传递。其中信息的传递，需要大量可靠的无线传输节点^[3]。决定物联网实用性的一个重要因素就是传输节点的低功耗和高效率。

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