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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 電機資訊學院
  3. 電信工程學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/77295
標題: 毫米波頻帶之38-GHz 65-nm CMOS與 60-GHz 28-nm CMOS功率放大器研究
Research on 38-GHz 65-nm CMOS and 60-GHz 28-nm CMOS Power Amplifier in Millimeter Wave Band
作者: 陳育群
Yu-Chun Chen
指導教授: 黃天偉
關鍵字: CMOS,毫米波,數位調變,類比預失真,功率放大器,
CMOS,millimeter-wave,digital modulation,analog pre-distortion,power amplifier,
出版年 : 2019
學位: 碩士
摘要: 此篇論文提出了在65-nm GP CMOS製程中設計寬頻數位調變之類比預失真38 GHz功率放大器以及在28-nm LP CMOS製程中設計60 GHz之線性功率放大器,探討在先進製程中電晶體佈局對整體電路的重要性。

在38 GHz功率放大器中,輸出級採用了兩路的變壓器功率整合來進行匹配,屬於電流式的功率疊加架構。在 驅動 級 (driver stage)的設計中,偏壓在深度的AB類放大器作為 AM-AM的預失真補償器,使得增益壓縮一分貝輸出功率(OP1dB)進一步的推近飽和輸出功率(並具有改善三階項調變失真(IMD3)的效果。而在AM-PM的預失真設計中,採用了PMOS電容來補償驅動級的輸入端非線性電容來降低的AM-PM的失真度。在連續波的量測中,此項功率放大器具有34至41 GHz之小訊號增益頻寬,並在39 GHz達到了35%的最大功率附加效率(PAEmax)以及20.7的飽和輸出功率(Psat)。在64QAM OFDM載波頻率為34-41 GHz的調變訊號量測中,此項功率放大器在1600 MHz的調變頻寬與-25 dB EVM下達到了13.2 dBm的輸出功率,以及6.98Gb/s的資料率。

在60 GHz功率放大器設計中,採用了不同的電晶體佈局方式進行測試,來降低電晶體裝置上的寄生效應,例如:RG、RS、RD。此項功率放大器輸出級採用了兩路的變壓器功率整合來進行匹配,屬於電流式的功率疊加架構。驅動級以及輸出級皆偏壓在class-A的區域來達到較高的功率增益。最後在小訊號的量測中項對於TSMC傳統的電晶體佈局,此項論文所運用的電晶體佈局達到了更高的功率增益。在小訊號的量測中,此項功率放大器在63 GHz達到了17.5 dB的功率增益。在大訊號量測中,此項功率放大器在65 GHz達到了達到了17.3 dBm的的Psat以及17.3%的PAEmax。
A 38 GHz transformer-based high linear power amplifier for wideband 64-QAM OFDM modulated signal by using analog pre-distortion in 65-nm CMOS process and a 60 GHz transformer-based linear power amplifier with layout improvement device are presented in this paper.

In 38 GHz power amplifier, the output power is based on the two-way transformer current combining structure. The driver amplifier which is biased in deep class-AB acts as an AM-AM pre-distorter to make 1-dB gain compression output power (OP1dB) ap-proach saturated output power (Psat) and improve the third-order intermodulation distor-tion (IMD3) by the technique of third-order transconductance cancellation. Also a PMOS capacitor is used to improve the AM-PM distortion by compensating the nonlinear capac-itor at the driver stage. In the continuous-wave measurement, this power amplifier achieves a 3-dB small-signal bandwidth from 34 to 41 GHz with 20.7-dBm peak Psat, 35% peak PAEmax, 20.2-dBm peak OP1dB, and 32.8% peak PAE1dB at 39 GHz. In the 64-QAM OFDM modulated signal measurement, this power amplifier can transmit 1600-MHz channel bandwidth in each carrier frequency from 35-41 GHz and achieves 13.2-dBm output power at 38-GHz carrier frequency under the EVM less than -25 dB. The transmission data rate of the proposed power amplifier reaches up to 6.98-Gb/s from 35-41 GHz.

In 60 GHz transformer-based linear power amplifier, design a different device layout to lower the parasitic loss such as RG, RD, and RS. The output power is also based on the two-way transformer current combining structure. The driver amplifier and power ampli-fier are biased in class-A to get larger power gain. Finally, in the small-signal measure-ment results, compare to the TSMC device layout, the power amplifier with the proposed device layout get higher power gain in the 60-GHz band. In the small-signal measurement, this power amplifier achieves 17.4-dB small-signal power gain at 65 GHz. In the large-siganl measurement, this power amplifier achieves 17.3-dBm peak Psat and 17.3% peak PAEmax at 65 GHz.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/77295
DOI: 10.6342/NTU201902698
全文授權: 未授權
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