臺灣博碩士論文加值系統

我們提出功率放大器之設計及製作。本論文目的主要是在利用共平面波導傳輸線易於接地，也能易於跟主動元件、電容和薄膜電阻連接。功率放大器製程使用穩懋半導體(WIN Semicoductors)公司的 0.15 μm InGaAs pHEMT單晶微波積體電路製程技術
在第三章中，我們設計X/Ku頻帶功率放大器。功率放大器之閘極(Gate)與汲極(Drain)電壓分別為-0.3 V和4 V、設計之功率增益(Power Gain)為20.4 dB、輸出功率(Output Power)為21.8 dBm、介入損耗(S21)為20.3 dB、1 dB增益壓縮點(P1dB)為0 dBm，附加功率效率(Power-added Efficiency；PAE)為25.5 %
本論文後半段主要是依據E 類功率放大器設計原理，完成E類功率放大器實作。單晶微波積體電路部份，利用穩懋(WIN)公司所提供的 GaAs 0.15μm pHEMT 製程來完成E 類功率放大器單晶微波積體電路設計。設計之功率增益(Power Gain)為15.2dB、輸出功率(Output Power)為19.8 dBm、介入損耗(S21)為14.7dB、附加功率效率(Power-added Efficiency；PAE)為33.3 %。模擬使用ADS系統。電路之設計模擬與特性量測結果，使得我們更了解射頻電路的設計。

We proposed a series of the power amplifiers (PAs) designs. The main purpose of this dissertation is utilizing coplanar transmission line, which provides a simply layout of common ground structure. Besides, it also can connect with active device, capacitor and thin-film resistor easily. Power amplifier is fabricated by 0.15 μm InGaAs pHEMT of WIN Semiconductors Corp. as core of the design.
In Chapter 3, we designed a X/Ku-band PA. Power amplifier with two supply voltages of gate and drain are -0.3 V and 4 V. The design of this power amplifier exhibits a power gain of 20.4 dB with a output power of 21.8 dBm, an insertion loss (S21) of 20.3 dB, and an input 1-dB compression point (P1dB) of 0 dBm. Additionally, the power-added efficiency (PAE) is 25.5％.
Part 2 focused on the implementation of Class E power amplifier. The design procedure follows the theory of class E power amplifier, and is implemented in MMICs and modules. For MMICs, the GaAs pHEMT foundry services are provided by WIN Ltd. The design of this power amplifier exhibits a power gain of 15.2 dB with a output power of 19.8 dBm and an insertion loss (S21) of 14.7 dB. Additionally, the power-added efficiency (PAE) is 33.3％.The overall simulation used ADS (Advance design system) tool. Let us more understand RF circuits designs and their applications from simulating circuit and measuring results.

目 錄
指導教授推薦書……………………………………………………..……
口試委員會審定書……………………………..…………………………
授權書………………………………...…………………………………iii
簽署人須知……………………………...………………………………iv
誌謝……………………………………...…………………………...…..v
中文摘要………………………………………...……………………....vi
英文摘要………………………………………...…………………...…vii
第一章 緒論……………………………….…………………………1
1.1 簡介………………………………………………..…………….1
1.2 各章提要………………………………………………………...5
第二章 基本理論……………………………………….………………7
2.1共平面波導 (CPW)傳輸線……………………………...………7
2.2各類功率放大器的介紹………….…………...……………..…11
2.3 E類功率放大器的基本原理……………………...……………17
2.4放大器重要參數定義………...…………………………...……24
第三章 功率放大器設計……………………...………………………32
3.1簡介…………………………………………………….………32
3.2功率放大器設計與量測………………….……………………33
3.3模擬結果……………………………...…….…….……………40
3.4量測結果……………………………….………………………47
3.5結果討論………………….……………………………………50
第四章 E類功率放大器MMIC設計……………..……………...…..53
4.1簡介………………………………………….…………………53
4.2 E類功率放大器設計模擬與實作量測………..………………54
4.3模擬與實作量測改進………………...………………..………62
4.4結果討論…………………………………….………....………68
第五章 結論與建議…………………………………………...………70
參考文獻………………………………………………………...………72

圖目錄
圖1.1 一般常用之功率半導體元件……………………….…………..2
圖2.1 共平面波導結構示意圖……………………………………..….7
圖2.2 GaAs基座結構圖………………………………………...…….10
圖2.3 A類功率放大器的工作曲線圖………………………..………13
圖2.4 B類放大器的基本電路組態…………………………………..14
圖2.5 AB類功率放大器……………………………………...………15
圖2.6 F類功率放大器……………………………………………..….16
圖2.7 E類功率放大器電路圖……………………………………..…19
圖2.8 理想E 類功率放大器電壓與電流的波形…………………....20
圖2.9 最大功率效益下的最佳化波形……………………………….23
圖2.10 P1dB與IP3……………………………………………………..25
圖2.11 2-tone信號頻譜…………………………………………….…..27
圖2.12 雙埠網路……………………………………………………….29
圖2.13 典型Load Pull Data………………………………………….....31
圖3.1 pHEMT電晶體之I-V特性曲線圖……………………………..34
圖3.2 功率級電晶體(4 Finger * 100 um)之Power Contour…………35
圖3.3 最佳組抗的匹配電路………………………………………….36
圖3.4 兩級功率放大器電路架構……………………………….……37
圖3.5 單晶毫米波積體電路(GaAs MMIC)之佈局圖(2.3 x 0.87 mm2 )…..……………………………………….……………………38
圖3.6 功率放大器設計流程圖………………………………...……..39
圖3.7 驅動級放大器電路架構……………………………………….40
圖3.8 驅動級穩定度分析模擬……………………………………….41
圖3.9 驅動級放大器小訊號參數模擬值…………………………….41
圖3.10 驅動級放大器輸出表現模擬……………………………….…42
圖3.11 功率級放大器電路架構……………………………………….42
圖3.12 功率級穩定度分析模擬…………………………………….....43
圖3.13 功率級放大器小訊號參數模擬值………………………….....43
圖3.14 功率級放大器輸出表現模擬…………………………….……44
圖3.15 穩定度分析模擬…………………………………………….…44
圖3.16 功率放大器直流電流響應模擬……………………………….45
圖3.17 兩級功率放大器小訊號參數模擬值………………………….45
圖3.18 功率放大器輸出表現模擬…………………………………….46
圖3.19 功率放大器Two-tone訊號分析模擬………………………..…46
圖3.20 兩級功率放大器晶片的實際電路(2.3 x 0.87 mm2)…………..48
圖3.21 功率放大器小訊號參數量測值…………………………...…..48
圖3.22 功率放大器直流電流量測……………………………….……49
圖3.23 功率放大器之大訊號量測…………………………………….49
圖3.24 功率放大器之Two-tone訊號量測………………………….….50
圖4.1 兩級功率放大器MMIC電路示意圖……………………..……55
圖4.2 E類功率放大器設計流程圖……………………………….….57
圖4.3 兩級功率放大器於小訊號情況下之Insertion Loss…………..58
圖4.4 兩級功率放大器的穩定度分析模擬……………………….…58
圖4.5 功率放大器輸出功率對輸入功率變化圖…………………….59
圖4.6 功率放大器增益對輸入功率變化圖……………………….…59
圖4.7 功率放大器各級汲極電流(Id1、Id2)對輸入功率變化圖……..60
圖4.8 功率放大器功率增加效率對輸入功率變化圖……………….60
圖4.9 E類功率放大器MMIC晶片照片( 2.4 x 0.8 mm2)…………….61
圖4.10 pHEMT電晶體之I-V特性曲線圖……………………………..62
圖4.11 兩級功率放大器穩定度分析模擬…………………………….63
圖4.12 兩級功率放大器於小訊號情況下之Insertion Loss………..…63
圖4.13 F類功率放大器電壓電流輸出波形…………………………...64
圖4.14 E類功率放大器開關電壓電流輸出波形……………………..64
圖4.15 功率放大器輸出功率對輸入功率變化圖…………………….65
圖4.16 功率放大器增益對輸入功率變化圖………………………….65
圖4.17 功率放大器各級汲極電流(Id1、Id2)對輸入功率變化圖……..66
圖4.18 功率放大器功率增加效率對輸入功率變化圖…………….....66
圖4.19 功率放大器之Two-tone訊號量測……………………….........67

表目錄
表1.1 HBT競爭產品比較表……………………………….…………..4
表2.1 基版製程參數……………………………………………….……9
表2.2 不同gap的特性阻抗值……………………………………..……9
表2.3 不同長度的電感值(30GHz)…………………………………….10
表2.4 功率放大器依工作效率分類…………………………………...17
表3.1 功率放大器模擬與量測結果之比較總表…………………...…52
表4.1 E類功率放大器模擬與量測結果之比較總表………………...61
表4.2 功率放大器模擬與量測結果之比較總表………………...…...67

參考文獻

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