應用於 5G 毫米波通訊系統採用差動有預失真線性器和自動適性偏壓技術及轉導補償技術以優化線性度及效率之CMOS功率放大器

Li-Cheng Hung; 洪立誠

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dc.contributor.advisor	盧信嘉(Hsin-Chia Lu)
dc.contributor.author	Li-Cheng Hung	en
dc.contributor.author	洪立誠	zh_TW
dc.date.accessioned	2021-06-17T09:06:38Z	-
dc.date.available	2021-01-15
dc.date.copyright	2020-01-15
dc.date.issued	2019
dc.date.submitted	2019-12-27
dc.identifier.citation	參考文獻 [1] E. Björnson. (2019). Beamforming from distributed arrays. [Online]. Available: https://ma-mimo.ellintech.se/2019/01/25/beamforming-from-distributed-arrays/ [2] D. M. Pozar, 4th, Ed. Microwave Engineering. John Wiley & Sons, 2011. [3] National Instruments. (2019). Millimeter wave: band battle. [Online]. Available: https://www.ni.com/zh-tw/innovations/white-papers/16/mmwave--the-battle-ofthe-bands.html [4] Y.-C. Lee, T.-Y. Chen, and J. Y.-C. Liu, 'An adaptively biased stacked power amplifier without output matching network in 90-nm CMOS,' in 2017 IEEE MTTS International Microwave Symposium (IMS), Jun. 2017, pp. 1667-1690. [5] J. Y.-C. Liu, C.-T. Chan, and S. S. Hsu, 'A K-band power amplifier with adaptive bias in 90-nm CMOS,' in 2014 9th European Microwave Integrated Circuit Conference, Oct. 2014, pp. 432-435. [6] C. Yu, J. Feng, and D. Zhao, 'A Ka-band 65-nm CMOS neutralized medium power amplifier for 5G phased-array applications,' in 2018 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), May 2018, pp. 1-3. [7] S. N. Ali, P. Agarwal, J. Baylon, S. Gopal, L. Renaud, and D. Heo, 'A 28GHz 41%-PAE linear CMOS power amplifier using a transformer-based AM-PM distortion-correction technique for 5G phased arrays,' in 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC), Feb. 2018, pp. 406-408. [8] S. N. Ali, P. Agarwal, L. Renaud, R. Molavi, S. Mirabbasi, and P. P. Pande, 'A 40% PAE frequency-reconfigurable CMOS power amplifier with tunable gate– drain neutralization for 28-GHz 5G radios,' IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 5, pp. 2231-2245, May 2018. [9] S. Shakib, H.-C. Park, J. Dunworth, V. Aparin, and K. Entesari, 'A highly efficient and linear power amplifier for 28-GHz 5G phased array radios in 28-nm CMOS,' IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 51, no. 12, pp. 3020-3036, Dec. 2016. [10] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Artech House, 2006. [11] M. I. Products. (2007). PowerAmplifier-ClassD. [Online]. Available: https://www.maximintegrated.com/cn/app-notes/index.mvp/id/3977 [12] M. Ozalas. (2016). PowerAmplifier-ClassE. [Online]. Available: https://www.edntaiwan.com/news/article/20161124TA02-PowerAmplifierClassE [13] A. Technologies. (2003). Linearization Techniques. [Online]. Available: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/ads2003c/dglin/dglin023.html?fbcli d=IwAR1UcZj8Ao1rK0fd5YqoM4oPkKUV8mi2u7dgunLjnTKfTzpkuGgGLtxBOA [14] A. Katz, 'Linearization: Reducing distortion in power amplifiers,' IEEE microwave magazine, vol. 2, no. 4, pp. 37-49, 2001. [15] J.-H. Tsai, H.-Y. Chang, P.-S. Wu, Y.-L. Lee, T.-W. Huang, and H. Wang, 'Design and analysis of a 44-GHz MMIC low-loss built-in linearizer for high-linearity medium power amplifiers,' IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 6, pp. 2487-2496, Jun. 2006. [16] H. Zhang and Q. Xue, '60-GHz CMOS current-combining PA with adaptive backoff PAE enhancement,' IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 63, no. 9, pp. 823-827, Sep. 2016. [17] J.-F. Yeh, J.-H. Cheng, J.-H. Tsai, and T.-W. Huang, 'A 57–66 GHz power amplifier with a linearization technique in 65-nm CMOS Process,' in 2014 44th European Microwave Conference, Oct. 2014, pp. 1253-1256. [18] Y.-C. Hsu, K.-Y. Kao, J.-C. Kao, T.-C. Tsai, and K.-Y. Lin, 'A 60 GHz CMOS power amplifier with modified pre-distortion linearizer,' in 2013 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), Jun. 2013, pp. 1-4. [19] K.-W. Chen, 'Research on pre-distortion techniques for K-band CMOS power amplifier,' Master Thesis, Graduate Institute of Communication Engineering, National Taiwan University, Jul. 2012. [20] J.-H. Tsai, C.-H. Wu, H.-Y. Yang, and T.-W. Huang, 'A 60 GHz CMOS power amplifier with built-in pre-distortion linearizer,' IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 21, no. 12, pp. 676-678, Dec. 2011. [21] J. Lin, C. C. Boon, X. Yi, and W. M. Lim, 'A compact single stage V-Band CMOS injection-locked power amplifier with 17.3% efficiency,' IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 3, pp. 182-184, Mar. 2014.
dc.identifier.uri	http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/74731	-
dc.description.abstract	本篇論文提出了兩個於 Ka 頻段使用台積電 90-nm 互補式金氧半導體製程之功率放大器，旨在提升電路的線性度、輸出功率、功率附加效率及退縮 6-dB 處的功率附加效率。於第一個電路中，我們採用了差動預失真寄生二極體線性器，功率放大器使用 1.2 V 偏壓供電，級間加入差動預失真寄生二極體線性器以提高電路整體線性度。由於佈局失誤，於量測時使用第二個電路之相同模態驗證差動預失真寄生二極體線性器之效能。此三級差動共源極功率放大器在 1.2 V 以及線性器控制電壓 1 V 開啟情況下，實際量測可得 Ka 頻段操作小訊號增益 21 dB、OP1dB 為 16.3 dBm 以及飽和輸出功率 17.5 dBm，於 OP1dB 點的 PAE 與 PAE 的最大值分別為 20.2 %與 23.9 %，而在 P1dB 退縮 6 dB 點的 PAE 為 8 %。於第二個電路中，我們採用了偏壓自動適性技術並使用 1.2 V 電壓供電。加入偏壓自動適性電路後，功率放大器在小訊操作時將偏壓在近 B 類操作提升效率，而大訊號操作時自動偏壓至近 A 類操作以提供較大的線性度與輸出擺幅。使用此技術可改善 P1dB退縮 6-dB 點的 PAE。由於使用之墊片含有內阻使得內部偏壓自動適性電路無法正常提供偏壓，隨後切除該部分電路後改採用自製外部偏壓自動適性電路實現理想轉移曲線以進行量測。在 1.2 V 電源供電下，實際量測可得 Ka 頻段操作小訊號增益 21.3 dB、OP1dB 為 16.6 dBm 以及飽和輸出功率 17.7 dBm，於 OP1dB 點的 PAE 與 PAE 的最大值分別為 21.4 %與 23.5 %，而在 P1dB 退縮 6-dB 點的 PAE 為 12 %。於 back-off 6-dB 點時，量測有無加入偏壓適性技術在直流功耗的節省上可達到節省 50 %的直流功耗，可驗證偏壓自動適性技術在 Ka 頻段仍可對直流功耗作出改善以提升 P1dB 退縮 6-dB 點之 PAE 約 1.5 %。另外也加入轉導補償技術後電路的 OP1dB提升了 0.3 dBm 且在該點的 PAE 增加 1.5 %。使得電路在 OP1dB 及其退縮點處的 PAE 皆有改善。	zh_TW
dc.description.abstract	In this thesis, two Ka-band power amplifiers in TSMC 90-nm CMOS process are proposed to improve the linearity, output power, PAE and back-off 6-dB efficiency. First, a Ka-band power amplifier using 1.2 V supply voltage with a differential complementary pre-distortion parasitic diode linearizer is designed and measured. Due to the layout error we use the second chip to verify the performance of the linearizer. With linearizer turned on, the measured small signal gain is 21 dB, OP1dB is 16.3 dBm, and saturation power is 17.5 dBm. The PAE is 20.2 % at OP1dB, and 8 % at 6-dB backoff from P1dB. Second, a Ka-band power amplifier using 1.2 V supply voltage with adaptive-bias technique is designed and measured. With adaptive-bias circuit, power amplifier can be biasd at near class-B for small signal operation to provide better efficiency and at near class-A for large signal operation to provide better linearity and output swing. Therefore, PAE at 6-dB back-off from P1dB can be improved, and DC power consumption can be reduced. As the pad used has internal resistance, the adaptive-bias cannot provide the bias normally. So we use an external adaptive-bias to function like the ideal adaptive-bias network. According to the measurement results, this Ka-band PA provides 21.3 dB small signal gain, OP1dB is 16.6 dBm, and PAE at OP1dB is 21.4 %, PAE at 6-dB back-off from P1dB is 12 %. Compared with Class-A PA, the proposed PA saves about 50 % DC power consumption, and the PAE at 6-dB back-off from P1dB can be improved by 1.5 %. Gm compensation technique can also enhance OP1dB by 0.3 dBm and the PAE at OP1dB by 1.5%. This PA can enhance PAE at OP1dB and other back off power level points.	en
dc.description.provenance	Made available in DSpace on 2021-06-17T09:06:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-108-R06943132-1.pdf: 12694607 bytes, checksum: e76f96a6de4008a70839158553d8c4f2 (MD5) Previous issue date: 2019	en
dc.description.tableofcontents	CONTENTS 口試委員會審定書 ........................................................................................................... # 誌謝 ................................................................................................................................... i 摘要 .................................................................................................................................. ii ABSTRACT .................................................................................................................... iii CONTENTS .................................................................................................................... iv LIST OF FIGURES ....................................................................................................... viii LIST OF TABLES ......................................................................................................... xiv Chapter 1 簡介............................................................................................................ 1 1.1 研究動機與背景 ............................................................................................ 1 1.2 頻段選擇與介紹 ............................................................................................ 2 1.3 文獻回顧 ........................................................................................................ 3 1.4 論文貢獻 ........................................................................................................ 7 1.5 各章節介紹重點 ............................................................................................ 7 Chapter 2 功率放大器概論 ....................................................................................... 8 2.1 功率放大器應用 ............................................................................................ 8 2.2 功率放大器之重要參數 ................................................................................ 8 2.2.1 功率 ....................................................................................................... 8 2.2.2 效率 ....................................................................................................... 9 2.2.3 線性度 ................................................................................................. 10 2.2.4 功率增益與穩定度[2] ........................................................................ 13 2.2.5 負載線原理[10] .................................................................................. 15 2.2.6 基礎放大器分類 ................................................................................. 20 2.3 線性化技術 .................................................................................................. 27 2.3.1 前饋式(feed-forward)線性化技術 [13] ............................................. 27 2.3.2 回授式(feedback)線性化技術 [14] ................................................... 28 2.3.3 預失真(pre-distortion) [15] ................................................................. 29 2.4 效率提升技術 .............................................................................................. 30 2.4.1 Doherty 功率放大器[10] .................................................................... 30 2.4.2 偏壓自動適性技術(adaptive-bias) [16] ............................................. 31 Chapter 3 具有差動互補預失真線性器之功率放大器 ......................................... 32 3.1 預失真線性器運作原理 .............................................................................. 32 3.1.1 線性器操作介紹 ................................................................................. 32 3.1.2 線性器操作原理[15] .......................................................................... 33 3.1.3 寄生二極體線性器[17] ...................................................................... 35 3.2 已發表相關文獻 .......................................................................................... 36 3.2.1 採用 90°延遲線之線性器功率放大器[18] [19] ................................ 36 3.2.2 改動基極偏壓之線性器功率放大器[20] .......................................... 37 3.2.3 採用寄生二極體之線性器功率放大器[17] ...................................... 38 3.3 差動互補式線性器(Linearizer with differential complementation) ............ 39 3.4 功率放大器設計 .......................................................................................... 43 3.4.1 設計流程 ............................................................................................. 45 3.4.2 輸出級電晶體尺寸挑選 ..................................................................... 45 3.4.3 輸出級功率放大器 ............................................................................. 48 3.4.4 各級功率及增益分配計算 ................................................................. 51 3.4.5 驅動級放大器 ..................................................................................... 52 3.4.6 線性器尺寸與偏壓挑選 ..................................................................... 55 3.4.7 電磁模擬 ............................................................................................. 61 3.4.8 三級功率放大器 ................................................................................. 64 3.5 模擬結果 ...................................................................................................... 65 3.5.1 小訊號模擬 ......................................................................................... 65 3.5.2 穩定度 ................................................................................................. 67 3.5.3 大訊號模擬 ......................................................................................... 69 3.5.1 三階互調失真模擬 ............................................................................. 71 Chapter 4 具有閘極偏壓自動適性之功率放大器 ................................................. 73 4.1 偏壓自動適性技術 ...................................................................................... 73 4.2 已發表相關文獻 .......................................................................................... 75 4.2.1 採用偏壓自動適性技術之電流功率結合功率放大器[16] .............. 75 4.2.2 採用偏壓自動適性技術之無須輸出匹配堆疊功率放大器[4] ........ 76 4.3 設計流程 ...................................................................................................... 78 4.3.1 偏壓自動適性電路設計流程 ............................................................. 80 4.3.2 偏壓自動適性電路 ............................................................................. 81 4.3.3 電路各項參數之選定及說明 ............................................................. 82 4.3.4 交叉耦合電晶體對[21] ...................................................................... 87 4.3.5 電磁模擬 ............................................................................................. 90 4.3.6 三級功率放大器 ................................................................................. 92 4.4 模擬結果 ...................................................................................................... 93 4.4.1 小訊號模擬 ......................................................................................... 93 4.4.2 穩定度 ................................................................................................. 95 4.4.3 偏壓自動適性模擬情形 ..................................................................... 98 4.4.4 大訊號模擬 ....................................................................................... 100 4.4.5 三階互調失真模擬 ........................................................................... 103 Chapter 5 量測........................................................................................................ 104 5.1 量測環境 .................................................................................................... 104 5.2 具差動互補預失真線性器之功率放大器 ................................................ 106 5.2.1 小訊號量測結果 ............................................................................... 107 5.2.2 量測差異原因探討 ........................................................................... 109 5.3 偏壓自動適性之功率放大器 .................................................................... 111 5.3.1 初步小訊號量測結果與修正 ........................................................... 112 5.3.2 修正後之 S 參數量測 ....................................................................... 114 5.3.3 差動線性器之結果驗證結果 ........................................................... 115 5.3.4 自製外部偏壓自動適性電路與理想曲線 ....................................... 118 5.3.5 使用手動及外部偏壓自動適性電路之大訊號量測 ....................... 121 5.3.6 轉導補償技術量測 ........................................................................... 125 5.3.7 三階互調失真量測 ........................................................................... 126 5.3.8 原因探討與修正 ............................................................................... 127 5.4 小結 ............................................................................................................ 133 Chapter 6 結論........................................................................................................ 135 參考文獻 ....................................................................................................................... 137 LIST OF FIGURES 圖 1-1 波束形成技術[1]。 ........................................................................................ 1 圖 1-2 毫米波在空氣中之衰減[2]。 ........................................................................ 2 圖 1-3 FCC 指定為行動用途的毫米波頻帶[3]。 ................................................... 2 圖 1-4 三層堆疊架構及輸出阻抗匹配圖[4]。 ........................................................ 3 圖 1-5 雙級疊接架構及偏壓自動適性架構[5]。 .................................................... 4 圖 1-6 使用中和電容之二級功率放大器架構[6]。 ................................................ 4 圖 1-7 使用類變壓器型電感匹配之功率放大器架構[7]。 .................................... 5 圖 1-8 使用類變壓器型電感匹配之雙頻功率放大器架構[8]。 ............................ 5 圖 2-1 基本無線通訊系統圖。 ................................................................................ 8 圖 2-2 1-dB 壓縮點及輸出飽和功率示意圖。 ....................................................... 9 圖 2-3 三階互調失真示意圖。 .............................................................................. 12 圖 2-4 三階項輸出功率在有無消除 IMD3 之差異。 .......................................... 12 圖 2-5 鄰近通道功率比示意圖。 .......................................................................... 13 圖 2-6 單級放大器架構[2]。 .................................................................................. 14 圖 2-7 非線性電晶體元件模型[10]。 .................................................................... 15 圖 2-8 共軛匹配與負載線匹配之曲線[10]。 ........................................................ 16 圖 2-9 A 類功率放大器匹配最佳阻抗之(a)電路架構與(b)電壓電流波形圖[10]。 ...................................................................................................................... 17 圖 2-10 未匹配於最佳阻抗點之放大器(a)架構圖及(b)電壓電流波形圖[10]。 .. 18 圖 2-11 功率放大器負載拉移之輸出功率軌跡圖[10]。 ........................................ 20 圖 2-12 功率放大器分類。 ...................................................................................... 20 圖 2-13 (a)A 類、(b)B 類、(c)AB 類及(d)C 類功率放大器之電壓電流輸出波形。 ...................................................................................................................... 23 圖 2-14 基本 D 類功率放大器(a)架構及(b)其 PWM 電壓波形[11]。 .................. 25 圖 2-15 E 類功率放大器之(a)架構圖與(b)電壓電流波形圖[12]。 ....................... 26 圖 2-16 應用前饋技術之功率放大器方塊圖[13]。 ................................................ 28 圖 2-17 卡氏回授路徑系統[10]。 ............................................................................ 29 圖 2-18 應用預失真技術之功率放大器[15]。 ........................................................ 30 圖 2-19 Doherty 功率放大器架構方塊及功率附加效率曲線[10]。 ..................... 31 圖 2-20 偏壓自動適性技術之概念。 ...................................................................... 31 圖 3-1 預失真線性器增益及相位補償操作。 ...................................................... 33 圖 3-2 (a)傳統 CMOS 預失真線性器及(b)等效電路。 ........................................ 34 圖 3-3 線性器電晶體之 DC-IV 及小訊號、大訊號之動態負載曲線。 ............. 34 圖 3-4 預失真線性器與功率放大器之訊號傳遞路徑。 ...................................... 35 圖 3-5 採用寄生二極體之線性器及其等效電路。 .............................................. 36 圖 3-6 應用於 60-GHz 頻段採用 90°延遲線之線性器功率放大器[18]。 .......... 36 圖 3-7 應用於 60-GHz 頻段加入基極偏壓之線性器功率放大器[20]。 ............. 37 圖 3-8 引入 body effect 之 IV 曲線圖[20]。 ......................................................... 38 圖 3-9 應用於 60-GHz 頻段採用寄生二極體之線性器功率放大器[17]。 ......... 38 圖 3-10 差動訊號各別加入預失真線性器。 .......................................................... 39 圖 3-11 圖 3-10 之完整電路圖。 ............................................................................ 40 圖 3-12 採用寄生二極體預失真線性器架構圖。 .................................................. 40 圖 3-13 VB點分開及合併之直流電壓對輸入訊號圖。 ......................................... 41 圖 3-14 VB電壓時域圖。 ......................................................................................... 41 圖 3-15 VB點是否合併電壓波型圖。 ..................................................................... 42 圖 3-16 在分別與合併偏壓下放大器閘極補償電壓差異。 .................................. 43 圖 3-17 具差動互補預失真線性器之功率放大器架構圖。 .................................. 44 圖 3-18 功率放大器設計流程圖。 .......................................................................... 45 圖 3-19 Ka 頻段下直流電流對應電壓以及負載線之偏壓選擇作圖。 ................. 46 圖 3-20 不同電晶體尺寸下的最大增益對頻率作圖。 .......................................... 47 圖 3-21 Ka 頻段下在電晶體尺寸為 120 μm 時之負載推移模擬結果。 .............. 48 圖 3-22 Ka 頻段下針對電晶體尺寸 120 μm 並聯功率結合(a)電路圖與(b)負載推移模擬結果。 .............................................................................................. 49 圖 3-23 針對不同電晶體尺寸進行大訊號比較。 .................................................. 50 圖 3-24 變壓器功率結合電路示意圖。 .................................................................. 51 圖 3-25 寬頻阻抗匹配示意圖。 .............................................................................. 52 圖 3-26 第二級驅動級大訊號模擬。 ...................................................................... 53 圖 3-27 第一級驅動級大訊號模擬。 ...................................................................... 54 圖 3-28 採用寄生二極體之線性器置於第二級閘極之電路架構示意圖。 .......... 55 圖 3-29 採用寄生二極體之線性器電路架構圖。 .................................................. 55 圖 3-30 不同控制電壓 Vctrl 之增益對輸入功率作圖。 ........................................ 56 圖 3-31 不同偏壓電阻 R1 之增益對輸入功率作圖。 ............................................ 57 圖 3-32 不同電壓 VB之增益對輸入功率作圖。 .................................................... 57 圖 3-33 (a)ML1 與(b)ML 不同 finger 數之增益對輸入功率作圖。 ..................... 59 圖 3-34 寄生二極體之線性器的最後偏壓及尺寸選擇情形。 .............................. 59 圖 3-35 使用圖 3-34 之寄生二極體線性器模擬結果。 ........................................ 60 圖 3-36 加入線性器之(a)理想與(b)非理想且失真情形。 ..................................... 61 圖 3-37 變壓器 1(a)電路圖及(b)電磁模擬佈局圖。 .............................................. 62 圖 3-38 變壓器 1 (a)電感值與(b)K 值對頻率做圖。 ............................................. 63 圖 3-39 變壓器 1 輸出兩端相角與 180°差量對頻率做圖。 .................................. 64 圖 3-40 具差動互補預失真線性器之功率放大器完整佈局圖。 .......................... 65 圖 3-41 未開啟線性器下 S 參數之電磁後模擬結果。 .......................................... 66 圖 3-42 開啟線性器下 S 參數之電磁後模擬結果。 .............................................. 66 圖 3-43 未開啟與開啟線性器之穩定係數模擬結果。 .......................................... 67 圖 3-44 輸出級與第一、二驅動級之級間穩定確認。 .......................................... 68 圖 3-45 輸出級與第一二驅動級之級間穩定模擬結果。 ...................................... 68 圖 3-46 第一級與第二三級之級間穩定確認。 ...................................................... 69 圖 3-47 第一級與第二三級之級間穩定模擬結果。 .............................................. 69 圖 3-48 未開啟線性器下大訊號電磁後模擬結果。 .............................................. 70 圖 3-49 開啟線性器下大訊號電磁後模擬結果。 .................................................. 71 圖 3-50 間隔 10-MHz 雙調訊號之三階項在(a)下界與(b)上界之模擬結果。 ...... 72 圖 4-1 (a)傳統偏壓之電晶體與(b)擷取輸出功率以完成偏壓自動適性示意圖。 ...................................................................................................................... 74 圖 4-2 理想偏壓自動適性曲線。 .......................................................................... 74 圖 4-3 偏壓自動適性技術影響功率放大器增益及 PAE 概念圖。 ..................... 75 圖 4-4 應用於 60-GHz 採用偏壓自動適性之 Doherty 功率放大器[16]。 .......... 76 圖 4-5 [16]中的偏壓自動適性電路(ABN)架構圖。 ............................................ 76 圖 4-6 採用偏壓自動適性技術之無須輸出匹配堆疊功率放大器架構圖[4]。 .. 77 圖 4-7 [4]中之偏壓自動適性電路架構圖。 .......................................................... 78 圖 4-8 具閘極偏壓自動適性之功率放大器整體架構圖。 .................................. 79 圖 4-9 針對各操作功率之 PA 參數改善概念圖。................................................ 80 圖 4-10 偏壓自動適性電路設計流程圖。 .............................................................. 81 圖 4-11 偏壓自動適性技術之電路架構圖[4]。 ...................................................... 82 圖 4-12 偏壓適性電路操作概念圖。 ...................................................................... 82 圖 4-13 不同 VB之轉移曲線。 ................................................................................ 83 圖 4-14 M1 汲極電壓所需曲線圖。 ......................................................................... 84 圖 4-15 R2 及 R3 同比例下不同 R2 電阻值之輸出電壓對輸入功率曲線。 .......... 85 圖 4-16 不同 M2 尺寸之輸出電壓對輸入功率曲線。 ........................................... 85 圖 4-17 已標示元件值之偏壓自動適性電路架構圖。 .......................................... 86 圖 4-18 輸出級閘極偏壓對應整體電路輸入功率之模擬結果。 .......................... 86 圖 4-19 ABN 之輸出電壓暫態模擬。 ..................................................................... 87 圖 4-20 交叉耦合電晶體對架構圖。 ...................................................................... 88 圖 4-21 針對大訊號轉導補償之概念圖。 .............................................................. 88 圖 4-22 不同(a)電晶體偏壓，(b)電容大小及(c)電晶體尺寸之轉導對輸入功率圖。 ...................................................................................................................... 89 圖 4-23 輸出級有無加入交叉耦合電晶體對之比較模擬。 .................................. 90 圖 4-24 變壓器 2 磁模擬佈局圖。 .......................................................................... 91 圖 4-25 變壓器 2(a)感值及(b) K 值對頻率做圖。 ................................................. 92 圖 4-26 具閘極偏壓自動適性之功率放大器完整佈局圖。 .................................. 93 圖 4-27 未加入偏壓自動適性時，放大器閘極電壓在(a)低態與(b)高態之 S 參數模擬結果。 .................................................................................................. 94 圖 4-28 加入偏壓自動適性之 S 參數模擬結果。 .................................................. 95 圖 4-29 功率放大器之穩定係數模擬結果。 .......................................................... 96 圖 4-30 第三級與第一二驅動級之級間穩定確認。 .............................................. 97 圖 4-31 第三級與第一二驅動級之級間穩定模擬結果。 ...................................... 97 圖 4-32 第一級與第二三級之級間穩定確認。 ...................................................... 98 圖 4-33 第一級與第二三級之級間穩定模擬結果。 .............................................. 98 圖 4-34 偏壓自動適性之閘級電壓模擬結果。 ...................................................... 99 圖 4-35 偏壓自動適性與普通高低態閘極電壓之總電流比較圖。 ...................... 99 圖 4-36 閘極偏壓(a)低態、(b)高態及(c)偏壓自動適性之大訊號電磁後模擬結果。 .................................................................................................................... 101 圖 4-37 不同偏壓下之功率放大器大訊號參數比較：(a)Gain，(b)Pout 及(c)PAE。 .................................................................................................................... 103 圖 4-38 間隔 10-MHz 雙調訊號之三階項與基頻訊號之模擬結果。 ................. 103 圖 5-1 (a)使用針台，(b)訊號產生器及(c)功率分析儀及偏壓電源。 ............... 105 圖 5-2 (a)晶片圖與(b)實際 PCB 圖 ...................................................................... 107 圖 5-3 放大器 S 參數模擬與量測結果：(a) S11, (b) S21及(c) S22。 .................. 109 圖 5-4 實際佈局未接地之佈局圖。 .................................................................... 110 圖 5-5 經除錯修正之 S 參數模擬與量測比較圖。 ............................................ 111 圖 5-6 晶片圖。 .................................................................................................... 112 圖 5-7 墊片內阻與電路示意圖。 ........................................................................ 113 圖 5-8 (a)初步 S 參數量測與模擬結果及(b)修正 PAD 之 S 參數量測與模擬圖。 .................................................................................................................... 114 圖 5-9 修正後小訊號 S 參數量測與模擬結果圖。 ............................................ 115 圖 5-10 未啟線性器之功率放大器於中心頻率 28GHz 大訊號量測與模擬之比較結果。 ........................................................................................................ 116 圖 5-11 開啟線性器之功率放大器於中心頻率 28GHz 大訊號量測與模擬之比較結果。 ........................................................................................................ 117 圖 5-12 線性器開與關之量測結果比較。 ............................................................ 117 圖 5-13 理想偏壓自動適性之轉移曲線。 ............................................................ 119 圖 5-14 FIB 切割位置。 ......................................................................................... 119 圖 5-15 Keysight 8474E 功率偵測器輸出之轉移曲線。 ..................................... 120 圖 5-16 外部偏壓自動適性電路架構圖。 ............................................................ 120 圖 5-17 自製偏壓自動適性電路之轉移曲線與理想之比較圖。 ........................ 121 圖 5-18 使用理想 VG 曲線進行偏壓調整於中心頻 28 GHz 之大訊號量測與模擬之比較結果。 ............................................................................................ 122 圖 5-19 使用自製偏壓自動適性電路於中心頻 28 GHz 之大訊號量測結果結果。 .................................................................................................................... 123 圖 5-20 對應圖 4-9 概念圖之有無加入三項技術之量測比較。 ........................ 123 圖 5-21 有無加入三項技術之 PAE 對應各自 OP1dB 及其退縮點做圖。 ......... 124 圖 5-22 理想 VG 曲線與量測自製外部偏壓自動適性曲線之比較。 ................ 124 圖 5-23 開啟與未開啟外部偏壓自動適性電路之直流功耗比較結果。 ............ 125 圖 5-24 外部偏壓自動適性電路之操作速度圖。 ................................................ 125 圖 5-25 轉導補償電路在開與關的情況在大訊號量測情況。 ............................ 126 圖 5-26 10 MHz 的間隔雙調訊號之三階互調失真量測結果。 .......................... 127 圖 5-27 第一級放大器周圍電感之(a)切割及(b)合併電磁模擬。 ....................... 128 圖 5-28 功率放大器在閘極電壓(a)低態 0.4 V 及(b)高態 0.6 V 之溫度分布情形。 .................................................................................................................... 130 圖 5-29 電磁模擬修正後之(a)S21，(b)S11 及(c)S22 比較結果。 ........................... 131 圖 5-30 Vctrl=0.9 V 之 S 參數與量測比較。 ........................................................ 132 圖 5-31 攝氏 45 度下電路之大訊號於 28-GHz 模擬與量測比較結果。 ........... 132 LIST OF TABLES 表 1-1 已發表實現於 CMOS 製程之 Ka 頻段功率放大器 .................................... 6 表 3-1 具差動互補預失真線性器功率放大器規格。 .......................................... 44 表 3-2 單個 120 μm 及兩個 120 μm 並聯電晶體之大訊號數值整理。 .............. 50 表 3-3 各電晶體對應尺寸表。 .............................................................................. 64 表 4-1 具閘極偏壓自動適性之功率放大器規格。 .............................................. 79 表 4-2 各電晶體對應尺寸表。 .............................................................................. 92 表 5-1 模擬與量測數據整理表。 ........................................................................ 118 表 5-2 模擬、外部偏壓自動適性及 VG3 高態電壓的結果比較。 .................... 134 表 5-3 Ka 頻段操作下之功率放大器文獻比較 ................................................... 134
dc.language.iso	zh-TW
dc.title	應用於 5G 毫米波通訊系統採用差動有預失真線性器和自動適性偏壓技術及轉導補償技術以優化線性度及效率之CMOS功率放大器	zh_TW
dc.title	5G Millimeter Wave Power Amplifiers with Enhanced Linearity & Efficiency by Differential Complementary Linearizer, Adaptive Bias & Gm Compensation	en
dc.type	Thesis
dc.date.schoolyear	108-1
dc.description.degree	碩士
dc.contributor.oralexamcommittee	林坤佑(Kun-You Lin),張譽騰(Yu-Teng Chang),蔡政翰(Jeng-Han Tsai),楊濠瞬(Hao-Shun Yang)
dc.subject.keyword	功率放大器,線性度,Ka 頻段,5G,預失真,寄生二極體線性器,退縮功率附加效率,偏壓自動適性技術,	zh_TW
dc.subject.keyword	power amplifier,linearity,Ka-band,pre-distortion,parasitic diode linearizer,back-off power-added-efficiency,adaptive-bias,	en
dc.relation.page	138
dc.identifier.doi	10.6342/NTU201904441
dc.rights.note	有償授權
dc.date.accepted	2019-12-30
dc.contributor.author-college	電機資訊學院	zh_TW
dc.contributor.author-dept	電子工程學研究所	zh_TW
顯示於系所單位：	電子工程學研究所

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檔案	大小	格式
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