1.1 研究背景及動機
過去幾年，無線區域網路經歷了一個不可思議的發展，且它也逐漸地取代有 線網路成為現代生活中不可或缺的一部分，其目前最積極發展的有兩個頻帶，分 別為2.4 GHz的ISM頻帶(Industrial Scientific Medical Band, ISM Band)及5 GHz的 U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)頻帶，由於兩者皆是免授權免 付費頻帶，使用者只須遵守相關規範，即可自由使用，但在2.4 GHz的ISM頻帶中 充斥著家用射頻(HomeRF)、藍芽(Bluetooth)等其他標準，造成頻帶使用過於壅 塞，且5 GHz的U-NII頻帶提供更寬的頻寬及更佳的調變技術，使得資料傳輸速率 大幅增加[1]，故未來的標準制定及無線電子產品將會以5 GHz的U-NII頻帶為重 心，此外，對於無線收發器來說，功率放大器扮演著舉足輕重的角色，以往，為 了達到輸出功率高與效率佳的特性，設計上會以砷化鎵製程(GaAs process)[2], [3]
或異質接面雙極性電晶體製程(Hetero-junction bipolar transistor, HBT)[4]-[6]為 主，導致它為最難被晶片整合的一部分，但隨著近年來互補式金氧半導體製程 (CMOS process)技術的進步，其在元件特性上已可能達到設計上的要求，且互補 式金氧半導體製程的成本較低，在技術趨於成熟的情況下，可以和基頻(Baseband) 電路相結合成單晶片系統，達到系統晶片整合(Systems-on-a-chip, SoC)的優點，故 以互補式金氧半導體製程實現的功率放大器已成為無線通訊射頻模組的新趨 勢，因此本論文將從電路設計的角度切入，設計及實現一系列使用不同功率合成 技術的5.2 GHz互補式金氧半導體功率放大器。
1.2 文獻探討
由於砷化鎵(GaAs)有著高電子移動率及高崩潰電壓的特性，所以常用於高功 率高效率功率放大器的設計上，如Skyworks生產的商用功率放大器SE5003L[2]，
採用三級的架構，其1dB增益壓縮輸出功率(OP )可達到32 dBm，相當優異。
但如前述所言，以矽(Si)為基礎的互補式金氧半導體製程(CMOS process)提供 的種種優勢，皆使得功率放大器逐漸地朝向這方面發展，亦有許多可行的設計及 實現陸陸續續被提出[7]-[12]，如表1-1，其中[11]使用0.18-μm互補式金氧半導體 製程(0.18-μm CMOS process)實現了一個應用於5 GHz 802.11a的差動輸入差動輸 出功率放大器，而為了維持功率特性，輸出匹配網路利用品質因素(Quality factor) 較高的功率電感(Power inductor)來降低被動元件的損耗，此功率放大器的飽和輸 出功率(Psat)為26.5 dBm，1dB增益壓縮輸出功率(OP1dB)為20.8 dBm，最高功率輔 助效率(PAE)為26.7%。
此外，仰賴變壓器結合器將功率合成的技術也有助於高功率功率放大器的實 現，如[12]提出了一個使用90 nm互補式金氧半導體製程(90 nm CMOS process)的 5.8 GHz功率放大器，採用電壓結合變壓器(Voltage combining transformer, VCT) 的技術將四組功率放大器單元(PA units)的輸出電壓疊加，進而提升輸出功率，量 測的飽和輸出功率 (Psat)達到24.3 dBm， 1dB 增 益壓 縮 輸 出 功 率 (OP1dB) 為20.5 dBm，最高功率輔助效率(PAE)為27%。
表1-1 已發表之互補式金氧半導體功率放大器比較表
Topology
2-stage CS, single-ended
3-stage CS, differential
in differential
out
one-stage CS, single-ended
1-stage cascode +1-stage CS,
differential in differential
out
2-stage cascode, differential
in differential
out
one-stage CS, 8-way voltage combining transformer,
differential in single out
1.3 研究成果
本論文提出三個應用於5.2 GHz的功率放大器，採用不同的功率合成技術，並 皆使用標準的0.18-μm 1P6M互補式金氧半導體製程下線驗證其特性。
第一個電路為直接並聯功率合成技術之5~5.8 GHz功率放大器，採用傳統的 集總元件(Lumped-element)實現匹配網路，偏壓電路餵進電晶體汲極端的並聯電 感以高品質因素(Quality factor)的功率電感實現之，量測結果在5.2 GHz時之增益 (S21)為12.3 dB，並達到23.1 dBm的飽和輸出功率(Psat)，18.6 dBm的1dB增益壓縮 輸出功率(OP1dB)及19.8%的最高功率輔助效率(PAE)。
第二個電路為兩路變壓器功率合成技術之5.2 GHz功率放大器，設計上採用本 身具有阻抗轉換特性的變壓器來實現輸入與輸出的匹配網路，量測增益(S21)為 15.14 dB，飽和輸出功率(Psat)為25.81 dBm，1dB增益壓縮輸出功率(OP1dB)為21.42 dBm，最高功率輔助效率(PAE)為27.58%。
第三個電路為串聯結合變壓器功率合成技術之5.2 GHz功率放大器，為了獲得 更高的輸出功率，在此利用串聯結合變壓器堆疊每一功率元件的電壓，進而抬高 整體的輸出電壓及功率，量測增益(S21)為13.37 dB，飽和輸出功率(Psat)為27.63 dBm，1dB增益壓縮輸出功率(OP1dB)為23.45 dBm，最高功率輔助效率(PAE)為 19.18%。
1.4 論文架構
本論文將分為五大部分作介紹，第一部分為緒論，即第一章，介紹無線區域 網路的背景及實現互補式金氧半導體功率放大器的動機，並針對功率放大器的設 計文獻作探討，第二部分為第二章，將就電機電子工程師學會無線區域網路802.11 b/a/g/n/ac(IEEE WLAN 802.11 b/a/g/n/ac)之通訊系統標準逐一介紹，以更理解通訊 系統的發展歷程，第三部分即第三章，介紹功率放大器在無線通訊發射器中的定 位及設計功率放大器時該考量的重要參數，亦會分析不同偏壓狀態選擇的放大模 式功率放大器種類，第四部分為第四、五、六章，分別利用直接並聯、兩路變壓
器及串聯結合變壓器之功率合成技術來設計5.2 GHz功率放大器，第五部分為第七 章，將對第四、五、六章所設計之功率放大器電路進行歸納與結論。