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近年来，随着无线通信技术的迅速发展，低成本、高传输速率成为目前移动通信系统(3G、4G等)和各种无线接入方式(无线局域网、全球微波互联接入、蓝牙等)的发展趋势。由射频集成电路(RFIC)构成的射频前端收发机系统对芯片的高集成度、低成本、低功耗提出了更高的要求。先进CMOS技术使得基于CMOS工艺的高集成度、低成本、低功耗的射频集成电路得到了长足的发展，目前射频收发系统中的低噪声放大器、混频器、压控振荡器等已经可以在CMOS工艺上实现甚至与数字处理、模拟接口部分一起集成为片上系统(SoC)，在CMOS工艺上实现功率放大器已成为实现进一步更高集成的趋势。但CMOS工艺的低跨导、低击穿电压的有源器件和低品质因数、高损耗的无源器件成为实现高可靠性功率放大器的难点。因此，基于CMOS工艺设计实现高功率、高线性和高效率的射频功率放大器成为射频集成电路设计的一个新的挑战，也是目前国际研究的一个热点。
本文首先从芯片级综述了目前国内外功率放大器的研究现状，并针对功率放大器的高线性实现，从系统级和芯片级两个方面总结了现有的几种线性化技术。
其次，重点阐述了采用CMOS工艺设计实现功率放大器的挑战，包括有源MOSFET器件的低击穿电压、低跨导、Knee电压问题和无源器件低品质因数、高损耗及高导电性衬底等，着重讨论了栅氧击穿和热载流子效应的机理及其给功率放大器设计带来的影响。并以此讨论了一些现有的应对策略和设计方法。
在以上分析的基础上，本文基于SMIC 0.18μm RF CMOS工艺分别采用单端和差分全集成形式设计实现了两种工作在2.4GHz的射频放大器，并已递交流片。
2.4GHz单端功率放大器采用两级放大，AB类工作：驱动级采用自偏置的共源共栅结构，不仅可以提高增益，增加反向隔离，而且能有效缓解栅氧击穿和热载流子效应带来的可靠性问题；功率级利用厚栅器件，从而可以在更高的电压下工作以提高输出功率。在3V工作电压下，单端功率放大器仿真得到的功率增益为23.8dB,1dB压缩点输出功率为22dBm，对应的功率附加效率为31[％]。
由于单端功率放大器源端寄生电感对电路稳定性有较大的影响，并且功率放大器很容易通过衬底耦合对其它电路带来干扰。而差分结构具有源、漏端的虚地特性以及其对衬底注入频率为工作频率的两倍特性，因而能够有效提高电路的稳定性，同时降低其大输出功率通过衬底耦合对其它电路的影响。因此，基于以上考虑和更高集成度的要求，本文又设计了一种2.4GHz的差分全集成功率放大器。
2.4GHz差分全集成功率放大器以单端功放的结构为基础，同样采用两级放大，AB类工作。为了实现信号的单端输入、单端输出，设计了两个在片变压器结构。输入端变压器采用交叉互绕的螺旋形式实现，在片测试的插入损耗为1.78dB，幅度和相位特性良好；输出端变压器采用半圆形功率耦合结构，同时实现差分信号的单端转换、功率合成和阻抗匹配。本文首次设计了这种的半圆形在片变压器结构，版图尺寸仅为650μm×260μm，也是目前已报道的最紧凑型的在片变压器之一，通过电磁场仿真(Momentum)显示其插入损耗为1.59dB，幅度不平衡和相位不平衡在2.4GHz处分别为0.3dB和0.4°。差分功放在3V电源电压供电下，功率增益为22dB，1dB压缩点输出功率为23dBm，对应的功率附加效率为35[％]。
综上，本文基于2.4GHz无线接入方式的应用，采用SMIC 0.18μm RF CMOS工艺，实现了两种功率放大器从结构选择、电路、版图及后仿真、测试方案等方面的研究和设计，为最终采用CMOS工艺设计实现实用的射频集成电路和射频产品奠定了良好的基础，