随着移动互联网的高速发展,第五代移动通信技术（5G）使用更大的信号带宽和更复杂的调制方式,数据传输速度大幅度提升,满足了人们对信息传递速率的需求。在毫米波无线通信收发芯片设计中,功率放大器作为其最重要的模块之一,其输出功率、线性度和功率附加效率决定了通信的距离和质量。本文对应用于5G通信的硅基毫米波高频段70GHz和低频段28GHz功率放大器分别进行了研究与设计,主要内容包括:设计了两款应用于5G通信的70GHz功率放大器芯片:高输出功率、高稳定型功率放大器（PA1）和高增益、高效率型功率放大器（PA2）。PA1使用单路差分共源共栅结构获得高的耐压和高的稳定性,为了提高毫米波频段共源共栅结构的性能,分别对共源管和共栅管版图进行优化设计,采用中和电容技术消除反馈电容CGD的影响,使用共栅短接技术解决了共栅管栅端引入串联电阻消除负阻带来的电流增益下降问题,使用级间串并联电感技术减小信号在共源管和共栅管之间到地电容的损失。PA2使用两路差分共源结构合成,同时获得高输出功率和高效率,创新性的提出了带有并联电感的新型三圈堆叠结构功率合成器,相比于传统的功率合成器结构,优化了其插入损耗。分析了功率分配器的最优放置位置,降低了驱动级的功耗,提高了效率。根据片上变压器极点理论,提出了谐振峰控制技术,在工作频段获得较高的跨阻特性,提高了功率放大器的增益。基于55nm CMOS工艺设计,两款70GHz功率放大器芯片测试结果表明:在频率67GHz处,PA1的峰值增益为20.1d B,3d B带宽为61.7～71.1GHz。在频率71.2GHz处,PA2的峰值增益为26.0d B,3d B带宽为67.4～74.6GHz,并且均有良好的输入输出匹配。输入基波频率为68GHz的正弦波信号,PA1的最大输出功率为13.29d Bm,OP1d B为9.6d Bm,最大PAE为10.5%。输入基波频率为70.5GHz正弦波信号,PA2最大输出功率为14.08d Bm,OP1d B为11.3d Bm,最大PAE为24.3%。设计了一款应用于5G通信的28GHz功率放大器（PA3）,采用Doherty技术提高回退点效率,输入相移网络和负载调制网络均采用高通π型网络设计,通过电感合并的方式优化了无源器件的使用数量,减小了版图面积。使用自适应偏置技术,动态的调整辅功率放大器共源管和共栅管的偏置电压,提高了输出功率。使用MOS电容补偿技术,补偿了功率放大器AM-PM的失真。基于40nm CMOS工艺设计,28GHz功率放大器芯片后仿真结果表明:在频率27.1GHz处,PA3的峰值增益为17.7d B,3d B带宽为25.6～28.9GHz,输入基波频率为28GHz正弦波信号,PA3最大输出功率为19.8d Bm,OP1d B为18.8d Bm,最大PAE为20.5%,6d B功率回退PAE为10%,在线性输出功率18.8d Bm以内,AM-PM失真小于3°。使用80MHz调制信号带宽64QAM调制方式后仿真结果:平均输出功率为13.5d Bm,ACPR约等于-31.2d Bc,EVM为-24d B。