在美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）的部分資金支持下，美國(guó)普度大學(xué)研究出采用絕緣體上硅（SOI）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝、基于三層共源共柵（triple Cascode）組合晶體管版圖的高效率功率放大器，適用于下一代移動(dòng)電話、車用低成本防撞雷達(dá)和通信用輕量微型衛(wèi)星。

現(xiàn)有移動(dòng)電話中傳輸信號(hào)用功率放大器主要采用砷化鎵（GaAs），由于不能與其他硅基CMOS信號(hào)處理器件集成，限制了移動(dòng)電話集成度的進(jìn)一步提升。新的放大器基于CMOS設(shè)計(jì)，可提高集成度、壽命和性能，減少制造和測(cè)試成本，并降低功耗。

普度大學(xué)在新設(shè)計(jì)的SOI CMOS放大器中，對(duì)部分硅晶體管進(jìn)行了堆疊合并，減少了晶體管間通常所需的金屬互聯(lián)數(shù)量，從而減少了寄生電容和獲取更高工作頻率。

第五代移動(dòng)電話（預(yù)計(jì)在2019年）需要能夠工作在更高頻率和效率的功率放大器，提供比現(xiàn)有手機(jī)更快的數(shù)據(jù)傳輸和視頻下載速度，并消耗更少的功耗，以更好地滿足新興物聯(lián)網(wǎng)需求。值得一提的是，新研制的CMOS放大器還將有力推動(dòng)微型衛(wèi)星的發(fā)展，將微型衛(wèi)星的重量降為現(xiàn)有技術(shù)的百分之一。

研究人員目前正在研究新一版功率放大器，功率性能將再提升一倍。下一步的工作是將該放大器與手機(jī)其他器件實(shí)現(xiàn)單片集成。研究人員為該研究結(jié)果發(fā)表了兩篇論文，并正申請(qǐng)三項(xiàng)專利。

左圖是移動(dòng)手機(jī)中功率放大器的標(biāo)準(zhǔn)版圖，右邊是普度大學(xué)的新設(shè)計(jì)

技術(shù)細(xì)節(jié)

堆疊的三級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)作為功率放大器的基本單元，能夠容易地獲取高增益、高功率、高效率和縮小版圖面積。研究人員用格羅方德45nm CMOS SOI工藝制造出兩個(gè)毫米波功堆疊率放大器。

第一個(gè)功率放大器工作在K波段（24-28GHz），帶有三個(gè)三級(jí)共源共柵單元，每個(gè)單元都使用標(biāo)準(zhǔn)帶有獨(dú)立版圖的晶體管。在24GHz、偏置電壓10.8V時(shí)，最大線性功率增益是13dB，飽和輸出電壓是25.3dBm，-1dB輸出功率（P1dB）是23.8dBm，峰值功率附加效率（PAE）是20%。

第二個(gè)功率放大器工作在U波段（40-60GHz），帶有兩個(gè)三級(jí)共源共柵單元，每個(gè)單元采用了組合型版圖，有效減少內(nèi)部寄生電容，帶來(lái)PAE性能的顯著提升。在46GHz、偏置電壓6V下，飽和輸出功率（PSAT）達(dá)到22.4dBm，線性增益17.4dB，峰值PAE42%，漏極效率（DE）49%。在46GHz、偏置電壓4.8V下，PSAT減小至20dBm，DE和峰值PAE分別增加至53%和45%。

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