应用于无线传感网络的0.18μm CMOS E类功率放大器设计

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CMOS技术随着工艺的不断进步,低成本和高集成度的特点越来越受到青睐。CMOS工艺如今已经广泛的应用在射频集成电路设计中。但是对于发射机中的功率放大器(PA),存在一个工艺选择的问题。射频集成功率放大器的常见工艺有GaAs、SiGe BiCMOS和CMOS等。GaAs工艺具有较好的射频特性和输出功率能力,但其价格昂贵,工艺一致性差;CMOS工艺的功率输出能力不大,适合于低功率的场合;而SiGe BiCMOS工艺的性能和价格介于GaAs和CMOS工艺之间。为了达到整个射频前端都集成在同一块CMOS工艺芯片上,有必要对CMOS工艺下的功率放大器设计做一定的研究。 本文给出了一个应用于无线传感网络(WSN)的功率放大器设计方法。WSN是一种利用空间上分布的传感器件自动检测诸如温度、声音、震动、气压、位移或者污染物等物理或环境变量的无线网络。它可以应用到环境和生态控制、医疗、家庭自动化、交通控制等民用场合,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。论文首先探讨了几种常规的功率放大器设计方法,经过比较后,为了达到高效率的目的,确定了一个两级的E类放大器结构。经过测试,该功率放大器可以很好的工作在1.2V电源电压下,输出功率达到5.7dBm,功率附加效率达到20%。输出功率范围从-3dBm可调至9dBm,满足了WSN系统的要求。电路采用SMIC0.18-μm IP6M RF CMOS工艺设计。整个芯片面积约1.1×0.9 m㎡。 所设计的功率放大器电路在输出功率和功率调节范围上均满足WSN系统的要求,并且有着较高的效率,可以延长电池的工作时间,为WSN传感器节点的实际应用打下了基础。而且,电路利用相对经济的CMOS工艺制造,一方面极大降低了芯片成本,此外该电路还可以和收发机的其它电路模块集成在同一块芯片上,提供了进一步减小芯片成本和面积的可能。
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