论文总字数：24430字

摘 要

无线传感网通过传感器采集和发送信息，为了延长使用时间和降低成本，需要传感器节点降低功耗。功率放大器是整个射频收发芯片中功耗最大的一个模块，对电路的整体功耗具有重要影响。为了提高传感器的性能，很有必要研究低电压低功耗的功率放大器。

本课题针对应用于无线传感网发射系统中功率放大器进行了研究和设计，采用TSMC 0.18μm CMOS工艺。在论文中，首先介绍了几种常规的功率放大器的的基本原理，比较其优缺点以后，为了实现高效率的目标，确定采用E类功率放大器。E类功率放大器包括驱动级和输出级，电源电压为1V时，在2.44GHz功率放大器的输出功率在-1dBm到10dBm范围内可调，功率调节步长为3dB，功率附加效率范围为6%-47%。

本次设计的功率放大器在满足功率附加效率的情况下在规定的输出功率范围内实现了输出功率可调。利用了CMOS工艺，降低了芯片成本，同时也有利于和收发机系统的其他电路模块集成到一起，可以进一步减小了芯片成本和面积。

关键词：无线传感网；功率放大器；CMOS；低功耗

2.4GHz CMOS switching power amplifier with low supply voltage

Abstract

Wireless sensor network collects and sends information through the sensor. In order to extend the service time and reduce costs, sensor nodes need to reduce power consumption. The power amplifier contributes most to the power consumption in the whole radio frequency transceiver, which has an important influence on the overall power consumption of the circuit. In order to get improve the performance of the sensor，it is necessary to do research on power amplifier with low supply voltage and low consumption.

In this paper, the research and design of power amplifier for wireless sensor network transmission system is studied and designed, which is based on TSMC 0.18μm CMOS technology. In the paper, the basic principles of several conventional power amplifiers are introduced. After comparing their advantages and disadvantages, the E class power amplifier is determined in order to achieve high efficiency. The class E power amplifier includes driver stage and output stage.At 1V-supply and 2.44GHz , power amplifier’s output power ranges from-2dbm to 10dBm. Power adjustment of step length is 3dB, power added efficiency range from 6% to 47%.

The design of the power amplifier’ output power ranges from the specified range and also meets the demand of the PAE. Reduce the cost of the chip by using CMOS process,,Meanwhile it is easier for other circuit modules transceiver system to be integrated together, which can slso reduce the cost and chip area.

Key words: wireless sensor work；power amplifier；CMOS；low power consumption

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景与研究现状 1

1.1.1无线传感网简介 1

1.1.2 无线传感网的机遇与挑战 1

1.2 研究内容和设计指标 2

1.2.1研究内容 2

1.2.2 设计指标 3

1.3 论文组织 3

第二章 功率放大器的设计原理 4

2.1 功率放大器的主要指标 4

2.1.1 输出功率及增益 4

2.1.2 效率及功率附加效率 4

2.1.3 线性度 5

2.1.4功率控制 5

2.2 功率放大器的分类 5

2.2.1 D类功率放大器 5

2.2.2 E类功率放大器 6

2.2.3 F类功率放大器 7

2.3 新型E类功率放大器设计 8

2.4 本章小结 11

第三章 应用于WSN的E类功率放大器 12

3.1设计要点 12

3.1.1 工艺选择 12

3.1.2 多级级联设计 12

3.1.3电感的实现 13

3.2电路设计 13

3.2.1输出放大级设计 14

3.2.2输入匹配网络设计 16

3.2.3驱动放大级设计 17

3.2.5开关晶体管的选取 18

3.2.6数字式控制输出功率 19

3.2.7电路各元件参数及其性能仿真 19

3.3本章小结 22

第四章 总结与展望 23

4.1总结 23

4.2展望 23

致谢 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 论文研究背景与研究现状

1.1.1无线传感网简介

无线传感网络的主要功能包括采集、处理和传输数据。其中数据采集运用的是传感器技术，数据处理需要依靠计算机，而传输数据则需要使用通信技术。无线传感网通过整合这几种技术，成为一个完整独立的信息系统。

无线传感网的工作过程，简单地分析就是通过传感器采集一个对象的信息，然后将传感器采集到的信息经过处理后传输到需要这个对象信息的用户手中。所以对于无线传感网来说，需要了解的就是传感器的工作原理、采集信息的目标以及如何实现高效稳定的传输。

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