河南科技大学 信息工程学院, 河南 洛阳 471023
基于025 μm GaN HEMT设计了一种工作于C波段、结构简单、宽带高效的E类功率放大器。针对单片微波集成电路(MMIC)功率放大器设计中射频扼流圈所占面积较大且难以实现的问题, 采用有限元直流馈电电感替代扼流圈电感, 抑制晶体管寄生参数Cds对最高工作频率的影响, 并采用低Q值混合参数匹配网络, 将功率放大器电路输入输出的最佳阻抗匹配到标准阻抗50 Ω。版图后仿真结果表明, 在41~49 GHz工作频段内, 功率附加效率为51309%~58050%, 平均增益大于11 dB, 输出功率大于41 dBm。版图尺寸为27 mm×14 mm。
功率放大器 氮化镓 E类 有限直流馈电电感 混合参数匹配网络 power amplifier GaN class E finite DC-feed inductance mixed parameter matching network
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为了解决晶体管寄生参数对逆F(F-1)类功率放大器效率的影响,采用了一种新型的输出谐波控制结构。首先,设计二次和三次谐波控制电路,同时将直流偏置电路加入二次谐波控制电路,降低了电路设计的复杂度。其次,为了解决寄生参数对F-1类功放本征漏极端阻抗的影响,采用一段串行微带线进行寄生补偿。最后,通过微带线和电容进行基波和负载之间的匹配。为验证方法的有效性,采用0.25 μm氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)工艺,设计了一款工作在5.7 GHz~6.3 GHz的F-1类微波集成电路功放。版图后仿真结果显示,F-1类功放的漏极效率DE为57.2%~62.3%,功率附加效率PAE为51.8%~57.4%,饱和输出功率为39.0 dBm~40.4 dBm,增益为9.0 dBm~10.4 dBm。版图面积为3.2×1.7 mm2。
逆F类 功率附加效率 inverse class F (F-1) GaN HEMT GaN HEMT MMIC MMIC PAE
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提出了一种由改进的前置差分运算放大器和差分式锁存器构成的高频、高速、低失调电压的动态比较器。前置预差分放大器采用PMOS交叉互连的负载结构，提升差模增益，进而减小输入失调。后置输出级锁存器采用差分双尾电流源抑制共模噪声，改善输出级失调，并加速比较过程。采用一个时钟控制的开关晶体管替代传统复位模块，优化版图面积，在锁存器中构建正反馈回路，加速了比较信号的复位和输出建立过程。采用65 nm/1.2 V标准CMOS工艺完成电路设计，结合Cadence Spectre工艺角和蒙特卡洛仿真分析对该动态比较器的延时、失调电压和功耗特性进行评估。结果表明，在12 V电源电压和1 GHz采样时钟控制下，平均功耗为117.1 μW；最差SS工艺角对应的最大输出延迟仅为153.4 ps；1 000次蒙特卡罗仿真求得的平均失调电压低至1.53 mV。与其他比较器相比，该动态比较器的电压失调和高速延时等参数有明显优势。
CMOS动态比较器 低失调电压 高速低延时 交叉耦合运算放大器 CMOS dynamic comparator low offset voltage high speed and low latency cross-coupled OPA
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并联电路E类功率放大器(PA)具有结构简单和高效的优点, 因而被广泛应用。针对并联电路E类PA存在带宽较窄、效率较低的问题, 对其输出匹配网络提出了一种改进方案。采用混合式π型结构作为PA的输出匹配网络, 在较宽的工作带宽内完成了最佳阻抗与标准阻抗的转换, 有效地抑制了二次谐波分量, 提高了电路的效率。为了验证所提出理论的有效性, 基于0.25 μm GaN HEMT工艺设计了一种结构简单、高效率和高功率的单片集成E类功率放大器。版图后仿真结果表明, 在2.5～3.7 GHz工作频率范围内, 输出功率大于40 dBm, 功率附加效率为51.8%～63.1%。版图尺寸为2.4 mm×2.9 mm。
宽带匹配网络 E类 高效率 功率放大器 broadband matching network class-E high efficiency power amplifier
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提出了一种采用响应曲面(RSM)协同优化压控振荡器(VCO)的功耗、相位噪声的方法。以差分耦合LC-VCO电路为实验设计对象,在电路结构上增加级联交叉耦合负阻管结合外部电流镜偏置,改进了相位噪声和功耗性能。在此基础上,建立VCO性能的响应曲面模型,优化并选取最佳电路设计参数的组合,获取最佳性能。基于TSMC CMOS 65 nm、1.8 V RF工艺的实验结果表明,优化后的VCO各项性能指标均显著提升。该VCO的调谐范围达2.377 GHz~2.583 GHz,即206 MHz,相位噪声为-113.44 dBc/Hz@1 MHz,功耗低至0.66 mW,FoM值达184.27 dBc/Hz。该LS频段VCO适用于WiFi、物联网等无线通信中射频收发集成电路。
压控振荡器 响应曲面建模 优化设计 相位噪声 VCO RSM optimization design phase noise
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设计了一款用于高速图像传感器的可自调节、加速补偿CMOS电荷泵锁相环电路,通过在传统锁相环电路拓扑中,附加“双模式”逻辑时控的、低功耗加速充电补偿模块,实现了锁定时间与功耗的双重优化。基于180nm/1.8V CMOS工艺完成锁相环的电路设计和性能仿真,结果表明,基于所提出的加速补偿方案,改进后的锁相环可有效满足图像传感器对低功耗、高速、高频和低噪声输出特性的需求。在输入频率为1GHz的参考信号时,压控振荡器可达到0.55~2.82GHz,即2.27GHz的频率范围,相位噪声为-98.149dBc/Hz@1MHz,锁定时间缩短至5.2μs,整体功耗仅为1.98mW,同时输出的抖动噪声可低至2.81μV/Hz@1MHz,多个性能指标优于所对比的同类锁相环电路。
CMOS高速图像传感器 锁相环 快速锁定 低功耗 开关控制逻辑电路 CMOS high-speed image sensor phase locked loop fast phase locked low power consumption switch control logic circuit
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该文提出了一种频率为2.4 GHz的低功耗低相位噪声的改进型电容电感型压控振荡器(LC-VCO)。采用有源金属氧化物半导体(MOS)晶体管取代电阻和电容以优化电路结构, 有效减小版图面积和功耗, 同时抑制无源器件引起电路精度的恶化, 提升VCO综合性能。基于TSMC 65 nm/1.8 V CMOS工艺进行电路设计和仿真, 结合理论建模和小信号等效电路分析, 调试关键MOS器件参数。结果表明, 改进后的VCO的调谐范围从2.365~2.506 GHz, 调谐带宽为141 MHz, -127.272 dBc/Hz@1 MHz的相位噪声, 1.8 V电源电压下功耗低至1.323 mW, 综合优值高达-193.84 dBc·Hz-1, 优于多数同频段同类型的压控振荡器。
电容电感型压控振荡器(LC-VCO) 低功耗 低相位噪声 LS频段 优化设计 LC-VCO low power low phase noise LS frequency band optimization design
1 School of Microelectronics, Xidian University, Key Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices, Xi’an7007, China
2 Electrical Engineering College, Henan University of Science and Technology, Luoyang47103, China
提出了一种改进的直接提取方法来提取InP HBT小信号等效电路中的模型参数，并将其成功地应用InP异质结双极晶体管（HBT）小信号等效电路。在所采用的模型中考虑了分布式基极-集电极电容效应。与其他直接参数提取方法相比，该方法从外围寄生元件到内部本征元件依次进行参数提取，提取过程较为清晰。除寄生参数外，其余所有的参数计算均未经过任何简化近似。该方法依赖于S参数的测量，所有等效电路参数直接从S参数数据中提取，而无需任何基于初始值的近似。在0.1 ~ 40 GHz的频率范围内，直接提取法在InP HBT上得到了成功的验证，并在整个频率范围内得到了较好的测量结果与计算结果的一致性。
直接提取法 磷化铟异质结双极型晶体管 小信号模型 参数提取 direct extraction method InP HBT small-signal model parameter extraction
