CN100471052C - 交叉耦合型c类射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信器件技术领域，具体为一种交叉耦合型C类射频功率放大器结构。该功率放大器由三级组成，其中第一级和第二级为预驱动放大级，他们将芯片内产生的射频信号逐级放大，用于驱动第三级——输出级；输出级将信号通过芯片的PAD送到片外，并通过片外的匹配网络与天线相连，通过天线将射频信号发送出去；其中，第一级和第二级中负载采用PMOS管的交叉耦合结构形式，来取代原来的电感负载；各级之间通过电容耦合的方法进行传送。本发明可大大减少电路芯片面积，提高电路器件的可靠性。

Description

交叉耦合型C类射频功率放大器

技术领域

本发明涉及一种交叉耦合结构的C类射频功率放大器。

背景技术

工作于免执照的工业、科学、医学频带(ISM)的低功耗，低成本，短距离无线数据通信系统正在急剧发展。不仅IEEE802.11和蓝牙无线技术日益为流行，同时一系列专用目的的无线网络应用也引起了人们的高度关注，他们包括住宅自动化、遥控无钥门禁、消费电子、家庭自动化、语音通信、传感器网络、自动抄表、健康监测、供应链管理等。这些应用都需要采用非常低功耗、低成本的短距离通信器件(SRD)。

因为低功耗是SRD网络应用中一个非常重要的设计标准，对于这种SRD，发送器的功率放大器是功耗的一个最主要部分，因此他们都采用比较简单的网络协议，以简化结构，降低功耗。同时还常采用非常低的发送工作时间。另外，出于低功耗考虑，SRD的功率放大器都设计为工作在恒幅度的C类工作区。

射频用的功率放大器需要有大的输出功率能力，同时还必须工作在射频频率。对于一定的CMOS射频工艺，其器件的最大工作频率ft一定。射频频率越高，功率放大器的效率就会越低。因此一般采用特征尺寸越小的CMOS射频工艺，效果越好。

但对电路设计者，由于成本，技术条件等限制，可用的工艺有限，因此需要采用各种设计技术，提高电路的高频带宽，将电路的性能最优化。

常用的带宽扩展方法是采用电感调谐。如R.S.Narayanaswami，“RF CMOS Class CPower Amplifier for Wireless Communications，”Ph.D Thesis，University of California，Berkeley，2001.但是，电感需要占用比较大的面积，特别是对全差分结构，电感的面积更大。同时，电感的使用会使器件的漏极电压有很大的增加，从而降低器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够减小电路芯片面积，提高电路器件可靠性的C类射频功率放大器电路结构。

本发明提出的C类射频功率放大器，由三级组成。如图1所示，第一级、第二级为射频功率放大器的预驱动放大级，他们将芯片内产生的射频信号逐级放大，用于驱动第三级——输出级；输出级将信号通过芯片的焊接点(PAD)送到片外，并通过片外的匹配网络与天线相连，通过天线将射频信号发送出去。其中，第一级和第二级中负载采用PMOS管的交叉耦合结构形式，来取代原来的电感负载；各级之间通过电容耦合的方法进行传送。这样可以避免各级之间的偏置干扰问题。耦合电容的大小根据各级负载来确定，负载越大，耦合电容也需要相应地增加，以防射频信号增益衰减。

本发明提出的交叉耦合型C类射频功率放大器，由于采用交叉耦合结构取代电感负载。因此，大大减少了电路芯片面积，提高了电路器件的可靠性。

附图说明

图1显示射频功率放大器的总体框图。

图2显示第一级、第二级的示意图。

图3显示输出级的示意图电路图示。

图4显示射频功率放大器的一种应用框图。

图5显示射频功率放大器的另一种应用框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例进一步描述本发明。

图2是本发明射频放功率大器第一级、第二级的电路框图。由射频输入放大管NMOS管nm1和nm2，负载PMOS管pm1、pm2、pm3和pm4经电路连接组成。电路采用全差分结构，NMOS管nm1和nm2为射频输入放大管，电阻R1和R2分别为nm1和nm2提供直流偏置电位，同时隔离射频信号。在传统的射频放大器中，nm1和nm2的负载是由电感提供。在本发明中，PMOS管pm1和pm3组合为NMOS管nm1提供负载；PMOS管pm2和pm4组合为NMOS管nm2提供负载。其中pm1和pm2分别通过电阻R3和R4接成二极管电阻负载形式，为放大器提供正常负载，电阻R3和R4的加入是为pm1和pm2的栅极提供直流偏置，同时可以隔离pm1和pm2栅极的寄生电容影响。PMOS管pm3和pm4接成交叉耦合结构，此交叉耦合结构工作时提供交流负阻抗，从而降低射频放大器的总体交流阻抗，使输出节点的有效极点大大提高，从而提高了放大器的高频响应特性，提高了放大器的射频增益特性。这个负载结构与传统的电感负载结构相比，芯片面积大大减小。同时射频输入放大管nm1和nm2漏极的输出电压也更低，这样可以使其可靠性能大大提高。

射频放大器的第二级电路结构与第一级相同。其与第一级的主要差别是驱动能力比第一级大，因此其射频输入放大管的尺寸也更大。

图3为输出级的电路结构示意图。它由射频输出放大管(NMOS管)nm3和nm4，共栅放大器(NMOS管)nm5和nm6，可调偏置电路经电路连接组成。nm3和nm4为输出级的射频输入放大管，其尺寸的选取与最大输出功率的要求有关。电阻R5和R6分别为nm3和nm4提供直流偏置电位，同时隔离射频信号。NMOS管nm5和nm6为输出级的共栅放大器，与输入放大器形成级联结构，可以消除共源输入放大器的米勒效应，从而提供了输出输入端口之间的隔离，取得了更大的增益带宽积。NMOS管nm5和nm6的栅极接到电源上，这样可以降低其对输出信号的摆幅限制。

功率放大器的输出功率控制是通过输出级的偏置部分来实现的。可调偏置电路由NMOS管nm7、分压电阻串R7、R8、R9和R19，模拟选择开关SW1组成。分压电阻串抽头提供不同的偏置电压，通过模拟开关选择，可以给放大器输出级的输入放大管提供不同的偏置，从而实现了不同输出功率的调节。

图4和图5分别是射频功率放大器的应用框图。图4是采用环路天线的应用结构，芯片外的电容与环路天线一起形成匹配网络，实现发射功率最优化，环路天线的中心抽头接电源，为射频功率放大器提供电源，同时需要加入到地的去耦滤波电容，提高电源的稳定性。

图5给出了用于与50Ohm射频系统相连接的匹配应用电路框图。图中的匹配网络需要实现以下几个功能：1)给功率放大器提供阻抗匹配；2)提供差分到单端的转换；3)为功率放大器提供电源；4)实现功率放大器输出阻抗到50Ohm射频系统的阻抗变换。

Claims (2)

1、一种交叉耦合型C类射频功率放大器，其特征在于由三级组成，其中第一级和第二级为预驱动放大级，他们将芯片内产生的射频信号逐级放大，用于驱动第三级——输出级；输出级将信号通过芯片的焊接点送到片外，并通过片外的匹配网络与天线相连，通过天线将射频信号发送出去；其中，所述第一级和第二级电路由第一NMOS晶体管(nm1)、第二NMOS晶体管(nm2)，第一PMOS管(pm1)、第二PMOS管(pm2)、第三PMOS管(pm3)和第四PMOS管(pm4)经电路连接组成，电路采用全差分结构；第一电阻(R1)为第一NMOS晶体管(nm1)提供直流偏置电位，第二电阻(R2)为第二NMOS晶体管(nm2)提供直流偏置电位，同时隔离射频信号；第一PMOS晶体管(pm1)和第三PMOS管(pm3)组合为第一NMOS管(nm1)提供负载，第二PMOS晶体管(pm2)和第四PMOS晶体管(pm4)组合为第二NMOS管(nm2)提供负载；第一PMOS晶体管(pm1)和第二PMOS管(pm2)分别通过第三电阻(R3)和第四电阻(R4)接成二极管电阻负载形式，为放大器提供正常负载，第三PMOS晶体管(pm3)和第四PMOS管(pm4)接成交叉耦合结构形式。

2、根据权利要求1所述的交叉耦合型C类射频功率放大器，其特征在于所述的输出级电路由第三NMOS晶体管(nm3)和第四NMOS晶体管(nm4)，第五NMOS管(nm5)和第六NMOS晶体管(nm6)和可调偏置电路经电路连接组成，其中，第三NMOS晶体管(nm3)和第四NMOS晶体管(nm4)为输出级的射频输入放大管，第五电阻(R5)和第六电阻(R6)分别为第三NMOS晶体管(nm3)和第四NMOS晶体管(nm4)提供直流偏置电位，同时隔离射频信号；第五NMOS晶体管(nm5)和第六NMOS晶体管(nm6)为输出级的共栅放大器，与输入放大器形成级联结构，第五NMOS晶体管(nm5)和第六NMOS晶体管(nm6)的栅极接到电源上，可调偏置电路由第七NMOS晶体管(nm7)、分压电阻串(R7、R8、R9和R19)，模拟选择开关(SW1)组成。

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