CN103095230A - 一种高增益高功率的毫米波功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益高功率的毫米波功率放大器，包括四路三级伪差分放大器；伪差分放大器采用电容中和技术；输入输出电路采用2:4的变压器完成功率分配和功率合成，放大器级与级之间采用变压器、传输线和并联电感进行阻抗匹配。本发明利用电容中和技术，提高电路的稳定性和增益。本发明通过在普通传输线加变压器的匹配网络中增加一个并联电感，能够降低级间匹配网络的损耗。本发明利用2:4的变压器能够实现四路功率合成和阻抗匹配，极大的提高了输出功率，同时减少了面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率放大器，具体涉及一种亚微米CMOS工艺高增益高功率的毫米波功率放大器。但需要说明的是，该发明所涉及的功率放大器可在其他工艺中实现。
背景技术
目前，由于CMOS工艺的功率放大器具有集成度高，易与基带结合的特点受到越来越多的重视。但是CMOS工艺的功率放大器具有几大挑战。
首先是在高频，米勒电容的存在影响了晶体管的稳定性。为了使晶体管满足稳定条件，现有的技术一般是采用：a)阻容反馈电路；b)输入串联电阻或者并联电阻。但是这两种技术的缺陷是会降低晶体管的最大可用功率增益。
其次是有限的击穿电压。CMOS工艺的击穿电压通常较低，因此要输出足够大的功率，需要采用合适的功率合成的方法。现有的片内功率合成技术通常是采用：a)电流叠加功率合成技术；b)wilkinson功率合成。第一方案的缺陷是晶体管的尺寸会很大，导致输入输出的阻抗很低，匹配困难；第二种技术的缺陷是功率合成电路会非常大，增加了成本。
再次是毫米波段的匹配网络，现有的技术有：a)微带线匹配；b)传输线和变压器结合。第一种方案的缺陷是损耗大和面积大；第二种方案能够降低面积，可是损耗仍然很大。
发明内容
技术问题：针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种高增益高功率的毫米波功率放大器。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的高增益高功率的毫米波功率放大器，包括输入功率分配器、四路三级伪差分共源放大器、级间匹配网络和输出功率合成器，其连接关系如下：
输入功率分配器的输入端连接信号源或功率源，输入功率分配器的输出端连接第 一级伪差分共源放大器的输入端，第一级伪差分共源放大器的输出端接第一级级间匹配网络的输入端，第一级级间匹配网络的输出端接第二级伪差分共源放大器的输入端，第二级伪差分共源放大器的输出端接第二级级间匹配网络的输入，第二级级间匹配网络的输出端接第三级伪差分共源放大器的输入，第三级伪差分共源放大器的输出端接输出功率合成器的输入端，输出功率合成器的输出端接负载。
所述输入功率分配器为二端口输入，输入信号是差分信号或是单端信号，输出为四端口，为两路差分信号或是单端信号。
所述第一级伪差分共源放大器、第二级伪差分共源放大器、第三级伪差分共源放大器的结构一样，每一个伪差分共源放大器分别包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电容C1、第二电容C2，所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的源极连接在一起，所述第一电容C1跨接在第二晶体管M2的栅极和第一晶体管M1的漏极，第二电容C2跨接在第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的漏极，信号从第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极输入，从第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极输出。
所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的参数一样，所述第一电容C1、第二电容C2的容值一样。
所述第一级级间匹配网络、第二级级间匹配网络的结构一样，每一个级间匹配网络分别包括第一传输线TL1、第二传输线TL2、第三传输线TL3、变压器T0和电感L0；第一传输线TL1首先连接到电感L0，然后串接第二传输线TL2，再接变压器T0，最后接第三传输线TL3；第一传输线TL1所在端口为输出端口，第三传输线TL3所在端口为输入端口。
所述输出功率合成器输入为四端口，接两路差分信号或单端信号；输出为二端口，为单端或者差分输出。
有益效果：相比于现有技术，本发明的优点有：
1.输出功率大。由于本发明采用变压器实现四路功率合成，相比于单路功率放大器，输出功率能够增加约6dB。
2.功率增益高。由于本发明采用电容中和技术，引入电容C1和C2，能够提高差分放大器的功率增益；同时由于本发明在匹配网络中加入并联电感L0，能够极大地降低级间匹配网络的损耗。
3.电路稳定性高，隔离度好。由于本发明采用电容中和技术，引入电容C1和C2，能够有效的克服米勒效应带来的不稳定的问题。
4.电路面积小，易于集成。由于本发明采用多处使用变压器结构实现功率分配、功率合成和级间匹配，相比于传统的微波放大器，面积能够极大的缩小。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的电路框图；
图2为本发明的级间匹配网络的电路原理图；
图3为本发明的伪差分共源放大器的电路原理图；
图4(a)为未使用并联电感L0的级间匹配网络的匹配轨迹；(b)为本发明中级间匹配网络的匹配轨迹；
图5为未使用并联电感L0的级间匹配网络的损耗；
图6为本发明的实施例的大信号测试结果；
图7为本发明的实施例的小信号测试结果。
其中有：信号源或功率源Vs，输入功率分配器Tin，第一级伪差分放大器A1、第二级伪差分放大器A2、第三级伪差分放大器A3，第一级级间匹配网络MN12、第二级级间匹配网络MN23，输出功率合成器Tout。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的高增益高功率的毫米波功率放大器，包括输入功率分配器Tin，第一级伪差分放大器A1、第二级伪差分放大器A2、第三级伪差分放大器A3，第一级级间匹配网络MN1、第二级级间匹配网络MN2，输出功率合成器Tout。输入功率分配器Tin输入端连接信号源Vs，信号从输入功率分配器Tin的输入端口输入，转换成两路差分信号输出。输入功率分配器Tin的输出接第一级伪差分放大器A1的输入端。第一级伪差分放大器A1的输出端接第一级级间匹配网络MN12的输入端。第一级级间匹配网络MN12的输出端接第二级伪差分放大器A2的输入端。第二级伪差分放大器A2的输出端接第二级级间匹配网络MN23的输入端。第二级级间匹配网络MN23的输出端接第三级伪差分放大器A3的输入端。第三级伪差分放大器A3的输出端接输出功率合成器Tout 的输入端。输出功率合成器Tout的输出端接负载RL。
实施步骤如下：
根据输出功率的要求，选择第一级伪差分放大器A1、第二级伪差分放大器A2、第三级伪差分放大器A3中第一晶体管M1和第二晶体管M2的尺寸相同。
选择相同容量的第一电容C1和第二电容C2。
对第三级伪差分放大器A3做负载牵引仿真，确定需要的最佳负载范围。
改变输出功率合成器Tout的尺寸，使得当功率合成器的输出接负载RL的时候，在功率合成器的输入端看到的输入阻抗为第三级伪差分放大器A3所需要的最佳负载。
调节第二级级间匹配网络MN23中的第一传输线TL1、第二传输线TL2、第三传输线TL3、变压器T0和电感L0的尺寸，以实现二、三级（即第二级伪差分放大器A2、第三级伪差分放大器A3）的级间共轭匹配（即使得第三级伪差分放大器A3的输入阻抗Zin3等于第二级伪差分放大器A2的输出阻抗Zout2的共轭）。如附图4所示，(a)为匹配网络中不含L0的匹配轨迹，(b)为匹配网络中含有L0的匹配轨迹。附图5中为两种匹配网络损耗与频率的变化关系，相比于普通的传输线加变压器的匹配方式，本发明提供的匹配网络能够极大的降低级间匹配网络的损耗。
调节级间匹配网络MN12中的第一传输线TL1、第二传输线TL2、第三传输线TL3、变压器T0和电感L0的尺寸，以实现一、二级（即第一级伪差分放大器A1、第二级伪差分放大器A2）的级间共轭匹配。
调节功率分配器Tin的尺寸，使得功率分配器的输入端口看到的阻抗等于Rs。
上述功率合成器为4:2的变压器，其中输入为四端口，输出为二端口。输入的四个端口接末级伪差分放大器的四路输出，输出的两个端口连接到输出负载。功率合成器同时完成功率合成和阻抗匹配的作用。
上述负载可以是测试仪器的输入阻抗或者天线，一般为50欧姆或者100欧姆。
附图6，附图7给出了本实施例的测试结果，可以看出利用本发明提供的结构，功率放大器在需要的频段内能够获得超过20dB的增益，最大增益达到24dB。同时利用本发明提供的结构，该功率放大器输出功率达到18dBm。
Claims (6)
1.一种高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于该功率放大器包括输入功率分配器、四路三级伪差分共源放大器、级间匹配网络和输出功率合成器，其连接关系如下：
输入功率分配器（Tin）的输入端连接信号源或功率源（Vs），输入功率分配器（Tin）的输出端连接第一级伪差分共源放大器（A1）的输入端，第一级伪差分共源放大器（A1）的输出端接第一级级间匹配网络（MN12）的输入端，第一级级间匹配网络（MN12）的输出端接第二级伪差分共源放大器（A2）的输入端，第二级伪差分共源放大器（A2）的输出端接第二级级间匹配网络（MN23）的输入，第二级级间匹配网络（MN23）的输出端接第三级伪差分共源放大器（A3）的输入，第三级伪差分共源放大器（A3）的输出端接输出功率合成器（Tout）的输入端，输出功率合成器（Tout）的输出端接负载（RL）。
2.根据权利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述输入功率分配器（Tin）为二端口输入，输入信号是差分信号或是单端信号，输出为四端口，为两路差分信号或是单端信号。
3.根据权利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一级伪差分共源放大器（A1）、第二级伪差分共源放大器（A2）、第三级伪差分共源放大器（A3）的结构一样，每一个伪差分共源放大器分别包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电容C1、第二电容C2，所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的源极连接在一起，所述第一电容C1跨接在第二晶体管M2的栅极和第一晶体管M1的漏极，第二电容C2跨接在第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的漏极，信号从第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极输入，从第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极输出。
4.根据权利要求3所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的参数一样，所述第一电容C1、第二电容C2的容值一样。
5.根据权利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一级级间匹配网络（MN12）、第二级级间匹配网络（MN23）的结构一样，每一个级间匹配网络分别包括第一传输线TL1、第二传输线TL2、第三传输线TL3、变压器T0和电感L0；第一传输线TL1首先连接到电感L0，然后串接第二传输线TL2，再接变压器T0，最后接第三传输线TL3；第一传输线TL1所在端口为输出端口，第三传输线TL3所在端口为输入端口。
6.根据权利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述输出功率合成器（Tout）输入为四端口，接两路差分信号或是单端信号；输出为二端口，为单端或者差分输出。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130508 |