基于CMOS工艺的动态电源驱动架构射频集成功率放大器关键问题研究

动态电源驱动是有效解决射频功率放大器效率和线性问题的重要方法，但在目前的应用中大多数仍然采用分立器件的实现方式，其集成化问题仍然难以解决。本项目在国内外率先开展将动态电源驱动架构射频功率放大器在标准CMOS工艺下集成的研究工作。项目围绕射频功率放大器的低成本集成化目标，研究在标准CMOS工艺下实现全集成射频功率放大器所面临的两大关键问题：DC-DC变换器的开关噪声对功率放大器的严重影响；器件工作电压降低对功率放大器输出功率和效率的严重制约。针对开关噪声问题，研究将数字预失真技术和频谱展开技术应用于抑制DC-DC变换器开关噪声影响；针对器件工作电压的制约，研究基于标准CMOS工艺实现性能与可靠性可满足应用要求的LDMOS器件，同时提出CMOS-LDMOS Cascode组合结构以解决性能与耐压的矛盾。本项目的研究成果将为设计高性能、低成本的CMOS全集成射频功率放大器奠定理论与实践基础。

动态电源驱动是有效解决射频功率放大器（RF PA）效率和线性问题的重要方法。本项目围绕射频功率放大器在标准CMOS工艺下低成本集成化目标，进行了如下研究：（1）动态电源架构与环路带宽，以及开关噪声影响机制和噪声抑制技术研究。动态电源应能精确跟踪包络信号，同时因开关噪声通过纹波噪声和衬底耦合效应两种机制对功率放大器输出频谱产生影响，因此，动态电源需要极宽的环路带宽、极低的噪声以及大电流驱动，基于“带宽分裂”思想的线性辅助的开关电源架构是最可能的解决方案。针对此架构，提出了一套结合包络信号时域和频域分析的设计优化方法；开关环路变频率工作Δ调制技术结合限频率技术以实现开关噪声频谱展开和效率优化；宽带线性放大器采用局部反馈结构以减小输出阻抗，进一步降低开关纹波电压；建立衬底耦合模型，采用深N阱隔离等衬底耦合噪声抑制技术。设计了动态电源板级验证电路。（2）研究了基于标准CMOS工艺的RF-LDMOS器件结构及特性，提出了两种新结构，分别是一种栅极覆盖漂移区STI的RF-LDMOS_GCSTI器件——器件优值（击穿电压与特征频率的乘积）显著提高；一种漏极下具有埋层的射频LDMOS_ GCSTI_BL器件——显著提高器件的漏-源击穿电压。分别采用HJTC和SMIC 0.18um CMOS工艺进行了单独器件以及器件在CLASS E 和CLASS AB RF PA中的验证流片，结果表明，提出的RF_LDMOS_GCSTI和LDMOS_GCSTI_BL器件的击穿电压相对于传统的RF-LDMOS器件分别增大了52.5%和76.8%；器件优值分别提高了45.9%和58%。（3）研究了CMOS-LDMOS Cascode结构全差动E类RF PA设计问题，提出了结合功率合成与动态负载的阻抗变换与功率控制技术，并设计了芯片流片验证。(4) 设计了用线性辅助开关变换器做包络放大器、用CMOS-LDMOS Cascode Class E RF PA做相位放大器的极化调制器，芯片放大20Mbps码率的16QAM信号，输出958mW射频功率时，实现了高达54.9%的效率，且谐波失真小于-60dBc。（5）片上电感设计与建模研究：导出了多层电感的基本物理参数和模型，并设计了多款电路来验证提出的电感结构和模型。本项目的研究成果将为设计高性能、低成本的CMOS 全集成射频功率放大器奠定理论与实践基础.