适用于UHF RFID阅读器的片内功率放大器设计

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RFID技术是一种运用无线电波实现非接触式通信,识别特定目标并处理相关数据的新兴技术。RFID系统主要由后台计算机网络、阅读器、天线和标签组成。功率放大器作为阅读器发射机中的关键模块,其性能与通信质量密切相关。考虑到可配置方式的市场需求,设计了一种适用于UHF RFID阅读器具有两种工作方式的CMOS功率放大器:针对固定式阅读器,最大输出功率要求较高。电路实现功率预放大功能,外接其他工艺实现的高性能功率放大器。因此要求电路本身输出功率较小,线性度较高。针对便携式阅读器,最大输出功率要求较低,功放电路的输出功率较大,但线性度变低。  本研究介绍了射频功率放大器的基本原理,讨论和比较了不同类别的功率放大器,阐述了常见的线性化技术。针对UHF RFID系统的ASK调制方式,设计实现了两种线性CMOS功率放大器电路:单端结构和差分结构。首先采用两级AB类工作模式和共源共栅结构,在输入端进行功率匹配,输出端进行负载线匹配,并考虑键合线电感的影响,设计了一款单端结构线性功率放大器。其饱和功率为21.3dBm,输出1dB压缩点为18.3dBm,1dB压缩点处的 PAE效率为24.3%。在此基础上,设计了一款差分结构功率放大器,输出功率明显提高,偶次谐波抑制效果更好,输出1dB压缩点为21.3dBm,饱和功率为22.9dBm,1dB压缩点处的PAE效率为30.7%。此外,S11均小于-30dB,输入匹配较好。另外,针对电路中采用的其他辅助模块进行了设计。对于两种配置方式的设计目标,采用两路π型电阻衰减器模块实现,数字信号选通任一路,以适应两种不同的应用方式;并采用正负温度系数相加原理设计了基准电路,仿真结果良好。最后介绍了射频电路版图绘制过程中的设计考虑和匹配考虑,采用tsmc0.18μm RF CMOS工艺完成了整体电路的前仿真和后仿真,前仿真结果良好,后仿性能有所下降:采用较大的功率回退,输出功率为0dBm;输出1dB压缩点为17.55dBm,功率回退后为14dBm,基本满足设计要求。
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