CN103762948B - 一种集成于片上系统的cmos 射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，所述功率放大器集成于片上系统SOC中，实现输出信号功率放大的功能；所述功率放大器包括偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路及输出匹配电路。本发明的功率放大器采用CMOS工艺实现，很好地集成到SOC芯片中，因此能够单芯片实现功率控制和脉宽调制（PWM）；与以往分立元件或者III‑V族化合物半导体实现的功率放大器相比，本发明的功率放大器具有双重功率可调，不需要单独的外部控制芯片，大大节省了应用系统的成本，更方便了系统的调试；并且本发明的功率放大器具有多频段输出功率可调，可以广泛运用在从10MHz到1GHz范围内的多种应用中。

Description

一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器

技术领域

本发明涉及应用于SOC中的多频段射频集成电路技术，特别是涉及一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器。

背景技术

射频功率放大器位于发射机的后端，用于放大信号并达到一定的输出功率。既可以用在无线通信系统中，将调制后的信号放大，驱动天线，实现无线通信。又可以用在有线系统中，驱动特定的工业控制系统，比如本功率放大器就可应用在有线工业控制系统中，驱动发光等离子照明系统(LEP lamp controller)。

近年来随着移动通信和工业控制技术的飞速发展，越来越多电路系统被集成到一颗芯片中，片上系统技术越来越成熟。但是传统功率放大器核心部分多采用III-V族化合物半导体制作，这种功率放大器成本高，难以与传统CMOS工艺集成到一起。并且传统功率放大器要实现功率控制和调制需要第二块芯片和片外元件辅助完成，这样就增加了系统的复杂度和成本。传统的两级功率放大器如图1所示，功率放大器两级的共栅管栅极直接接至电源只是起到了高压保护的作用，而随着SOC系统的日趋复杂和功能的不断扩大，这种连接方式已经很难满足日趋复杂的系统应用，比如本次工业控制系统要求同时采用PWM控制和多频段宽范围输出功率控制。再者随着工作温度的升高传统功率放大器的输出功率也会随着温度的升高而有较严重的损失。

传统功率放大器在实现PWM控制时，通常在射频信号的输入端，将PWM控制信号与射频输入信号相与，将射频输入信号处理为PWM调制后的信号，再送入功率放大器进行放大。但是这种实现方法会导致如图1所示NM1晶体管在PWM调制为0的时候晶体管关断，从而在PWM调制为从0到1的时候，晶体管从关断到打开需要较长时间稳定，PWM调制信号边缘变得圆滑，限制了切换速度。

传统功率放大器在实现功率控制时，通常采用MOS晶体管或者BJT晶体管控制功率放大器漏极电压。这种功率控制方式一方面采用额外片外元件，浪费PCB面积和成本，另一方面，由于功率放大器输出电流很大，造成MOS管或者BJT管上巨大的压降，这样从总体来说功率放大器的效率降低很多。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，用于解决现有技术中功率放大器的结构复杂、制作成本高、受温度影响大、输出功率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，至少包括：偏置电路、第一级放大电路及第二级放大电路，其中：

所述偏置电路的电流输入端与片上系统中带隙基准电路产生的与绝对温度成正比电流连接，两个输出端分别与所述第一级放大电路的第一输入端及第二级放大电路的第一输入端连接，用于提供偏置电压；

所述第一级放大电路的第二输入端与片上系统中的锁相环电路相连，用于输入射频信号；第三输入端与片上系统中的微控制单元的输出相连，用于输入脉宽调制信号；第四输入端与射频地连接；输出端与第二级放大电路的第二输入端及第一电感的第一端相连；所述第一电感的第二端连接电源；

所述第二级放大电路的第三输入端与片上系统中的数模转换器相连，用于控制功率放大器的增益；第四输入端及第五输入端与片上系统的微控制单元相连，分别用于输入SWN信号和SWP信号，用于控制功率放大器增益控制方式；第六输入端与射频地连接；输出端与输出匹配电路的输入端及第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端连接电源。

作为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的一种优选方案，所述偏置电路通过数字控制位来调整其输出至所述第一级放大电路及第二级放大电路的偏置电压。

作为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的一种优选方案，所述第一级放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管，其中：

所述第一NMOS管的栅极与所述射频信号相连，并与所述偏置电路相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第二NMOS管的源极相连；

所述第二NMOS管的栅极与脉宽调制信号连接；漏极作为输出端与所述第一电感和所述第二级放大电路连接。

进一步地，所述第一NMOS管及第二NMOS管构成共源共栅结构，所述第一NMOS管为输入器件，所述第二NMOS管为共源共栅器件。

进一步地，所述第一级放大电路还包括第一隔直电容及第一偏置电阻，所述第一隔直电容连接于所述第一NMOS管的栅极与所述射频信号之间，所述第一偏置电阻连接于所述第一NMOS管的栅极与所述偏置电路之间。

作为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的一种优选方案，所述第二级放大电路包括第三NMOS管、第四NMOS管、第一PMOS管、传输门NMOS管、传输门PMOS管、RC电路，其中：

所述传输门NMOS管的漏极与传输门PMOS管的漏极相连、所述传输门NMOS管的源极与传输门PMOS管的源极相连，形成传输门电路；

所述第三NMOS管的栅极与所述第一级放大电路的输出端相连，并与所述偏置电路相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第四NMOS管的源极相连；

所述第四NMOS管的栅极通过所述RC电路与所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的漏极连接，漏极与所述第二电感和输出匹配电路连接；所述传输门NMOS管的栅极连接SWN信号，所述传输门PMOS管的栅极连接SWP信号，所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的源极与所述数模转换器相连；

所述第一PMOS管的栅极连接所述SWN信号，漏极与所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的漏极相连，源极连接电源。

进一步地，所述第三NMOS管及第四NMOS管构成共源共栅结构，所述第三NMOS管为输入器件，所述第四NMOS管为共源共栅器件。

进一步地，所述第二级放大电路还包括第二隔直电容及第二偏置电阻，所述第二隔直电容连接于所述第三NMOS管的栅极与所述第一级放大电路的输出端之间，所述第二偏置电阻连接于所述第三NMOS管的栅极与所述偏置电路之间。

作为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的一种优选方案，各NMOS管及/或各PMOS管的耐压不小于5.5V。

作为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的一种优选方案，所述集成于片上系统的CMOS射频功率放大器采用CMOS工艺制作。

如上所述，本发明提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，至少包括：偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路、输出匹配电路、第一电感及第二电感，其中：所述偏置电路的电流输入端与片上系统中带隙基准电路产生的与绝对温度成正比电流连接，两个输出端分别与所述第一级放大电路的第一输入端及第二级放大电路的第一输入端连接，用于提供偏置电压；所述第一级放大电路的第二输入端与片上系统中的锁相环电路相连，用于输入射频信号；第三输入端与片上系统中的微控制单元的输出相连，用于输入脉宽调制信号；第四输入端与射频地连接；输出端与第二级放大电路的第二输入端及第一电感的第一端相连；所述第一电感的第二端连接电源；所述第二级放大电路的第三输入端与片上系统中的数模转换器相连，用于控制功率放大器的增益；第四输入端及第五输入端与片上系统的微控制单元相连，分别用于输入SWN信号和SWP信号，用于控制功率放大器增益控制方式；第六输入端与射频地连接；输出端与所述输出匹配电路的输入端及第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端连接电源。本发明具有以下有益效果：

第一，实现了单芯片的PWM脉冲宽度和DAC幅度的双控制方式，提高了功率放大器的效率。本发明两级放大器的功率晶体管采用了共源共栅结构，并通过RC网络实现了MCU脉冲宽度(PWM)和片上DAC幅度的双控制方式，实现了在有线工业控制系统中的应用，如用于驱动发光等离子照明系统(LEP lamp controller)等。

第二，实现了输出功率的数字化控制，通过偏置电压控制与DAC幅度控制相结合方式，能够实现很宽的功率调节范围和精细的效率优化；本发明对两级放大器的偏置电压进行了数字量化，通过数字控制位从“0000”到“1111”的变化，控制输出功率的变化；并通过与SOC片上DAC的幅度控制结合，可以实现对功率放大器在输出功率范围和工作效率上进行精细的调节和最优的配置。

第三，实现了在高温下功率放大器的功率补偿；通过引入带隙基准中的与绝对温度成正比的电流(IPTAT)，产生了与绝对温度成正比的可调节的偏置电压，当温度升高时偏置电压也随温度升高，从而补偿了在高温下由于器件性能下降引起的功率损失问题。

第四，所述功率放大器由于第一级放大级与第二级放大级偏置电压独立可控，并且射频扼流电感(L1，L2)和输出匹配电路在芯片外部可调，因此可以根据使用频段，通过联合调整功率放大器的偏置电压和片外电感与匹配元件，可以实现功率放大器在10MHz～1GHz内工作，并且典型输出功率达到24dBm，饱和功率输出效率达到60％。

附图说明

图1显示为传统两级射频功率放大器的电路结构示意图。

图2显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器所采用的片上系统SOC简化框图。

图3显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的结构示意图。

图4显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器第一级放大电路的电路结构图。

图5显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器第二级放大电路的电路结构图。

图6显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的片上VDAC控制和传统功率放大器片外控制的EDA仿真结果图。

图7显示为本发明的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器VPWM控制信号与输出功率信号的时域EDA仿真结果图。

元件标号说明

10 偏置电路

20 第一级放大电路

30 第二级放大电路

40 输出匹配电路

L1 第一电感

L2 第二电感

NM1 第一NMOS管

NM2 第二NMOS管

NM3 第三NMOS管

NM4 第四NMOS管

C1 第一隔直电容

R1 第一偏置电阻

C2 第二隔直电容

R2 第二偏置电阻

NM5 传输门NMOS管

PM5 传输门PMOS管

PM1 第一PMOS管

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所采用的片上系统SOC的结构如图2所示，所述片上系统SOC包括：微控制单元MCU、带隙基准电路BG、数模转换器DAC、电源模块DCDC、锁相环电路PLL及功率放大器PA。

如图3～图7所示，本实施例提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，至少包括：偏置电路10、第一级放大电路20及第二级放大电路30，其中：

所述偏置电路10的电流输入端与片上系统中带隙基准电路BG产生的与绝对温度成正比电流IPTAT连接，两个输出端分别与所述第一级放大电路20的第一输入端和第二级放大电路30的第一输入端连接，用于提供偏置电压VGS1及VGS2。

所述偏置电路10的输入的电流IBIAS为SOC中带隙基准电路BG产生的与绝对温度成正比电流IPTAT，因此可以在高温下用更大的偏置电流来弥补功率放大器增益降低。

如图4所示，所述第一级放大电路20的第二输入端与片上系统中的锁相环电路PLL相连，用于输入射频信号RFIN1；第三输入端与片上系统中的微控制单元MCU的输出相连，用于输入脉宽调制PWM信号；第四输入端与射频地连接DRVGND；输出端输出DRVOUT信号与第二级放大电路30的第二输入端及第一电感L1的第一端相连，用于输入射频信号RFIN2；所述第一电感L2的第二端连接电源；

具体地，所述第一级放大电路20包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2，所述第一NMOS管NM1及第二NMOS管NM2构成共源共栅结构，第一NMOS管NM1为输入器件，第二NMOS管NM2为共源共栅器件，其中：

所述第一NMOS管NM1的栅极与所述射频信号相连，并与所述偏置电路10相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第二NMOS管NM2的源极相连；

所述第二NMOS管NM2的栅极与脉宽调制信号连接；漏极作为输出端与所述第一电感和所述第二级放大电路30连接。

进一步地，所述第一级放大电路20还包括第一隔直电容C1及第一偏置电阻R1，所述第一隔直电容C1连接于所述第一NMOS管NM1的栅极与所述射频信号之间，所述第一偏置电阻R1连接于所述第一NMOS管NM1的栅极与所述偏置电路10之间。

另外，在本实施例中，所述第一级放大电路20的各元件可以采用CMOS工艺集成于片上系统SOC中，并且，所述第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2的耐压为不小于5.5V。

如图5所示，所述第二级放大电路的第三输入端与片上系统中的数模转换器DAC相连，用于输入VDAC信号，以控制功率放大器的增益；第四输入端及第五输入端与片上系统的微控制单元相连，分别用于输入SWN信号和SWP信号，用于控制功率放大器增益控制方式，具体表现为：当SWP信号为低电平，SWN信号为高电平时传输门导通，此时可通过数模转换器DAC来控制功率放大器的增益；第六输入端与射频地GNDPA连接；输出端与输出匹配电路40的输入端及第二电感的第一端连接，用于输出PAOUT信号；所述第二电感L2的第二端连接电源。

具体地，所述第二级放大电路30包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第一PMOS管PM1、传输门NMOS管NM5、传输门PMOS管PM5、RC电路，所述第三NMOS管NM3及第四NMOS管NM4构成共源共栅结构，所述第三NMOS管NM3为输入管，所述第四NMOS管NM4为共源共栅器件，其中：

所述传输门NMOS管NM5的漏极与传输门PMOS管PM5的漏极相连、所述传输门NMOS管NM5的源极与传输门PMOS管PM5的源极相连，形成传输门电路；

所述第三NMOS管NM3的栅极与所述第一级放大电路20的输出端相连，并与所述偏置电路10相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第四NMOS管NM4的源极相连；

所述第四NMOS管NM4的栅极通过所述RC电路与所述传输门NMOS管NM5及传输门PMOS管PM5的漏极连接，漏极与所述第二电感和所述输出匹配电路连接；所述传输门NMOS管NM5的栅极连接SWN信号，所述传输门PMOS管PM5的栅极连接SWP信号，所述传输门NMOS管NM5及传输门PMOS管PM5的源极与所述数模转换器相连；

所述第一PMOS管PM1的栅极连接所述SWN信号，漏极与所述传输门NMOS管NM5及传输门PMOS管PM5的漏极相连，源极连接电源。

进一步地，所述第二级放大电路30还包括第二隔直电容C2及第二偏置电阻R2，所述第二隔直电容C2连接于所述第三NMOS管NM3的栅极与所述第一级放大电路20的输出端之间，所述第二偏置电阻R2连接于所述第三NMOS管NM3的栅极与所述偏置电路10之间。

另外，在本实施例中，所述第二级放大电路30的各元件可以采用CMOS工艺集成于片上系统SOC中，并且，所述第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第一PMOS管PM1、传输门NMOS管NM5及传输门PMOS管PM5的耐压为不小于5.5V。

所述功率放大器的偏置电路10通过数字控制位来调整其输出至所述第一级放大电路20及第二级放大电路30的偏置电压，当数字控制位从0000～1111时，功率输出相应从低到高，当数字控制位从1111～0000时，则功率输出相应从高到低。

通过联合改变功率放大器的偏置电压的第一级放大电路20及第二级放大电路30的数字控制位(VGS1_CONTROL<3:0>、VGS2_CONTROL<3:0>)，可以实现输出功率在较大范围内的控制。当功率放大器两级偏置控制位设置为“0000”时，功率放大器输出最小功率；当功率放大器两级偏置控制位设置为“1111”时，功率放大器输出最大功率。所述第一级放大电路20及第二级放大电路30偏置控制位可以分别设置来满足输出功率的要求，根据不同的应用要求来优化设置控制位可以达到高效率的应用。并且产生偏置电压的电流是来自于片上带隙基准提供的可调节的与绝对温度成正比的电流(IPTAT)，这样在高温应用中就补偿了由于温度引起的输出功率降低问题。第一级放大电路20及第二级放大电路30偏置控制位具有十六种状态，如下表所示。

序列	VGS1_CONTROL<3:0>	VGS2_CONTROL<3:0>
			1	0000	0000
2	0001	0001
			3	0010	0010
4	0011	0011
			5	0100	0100
6	0101	0101
			7	0110	0110
8	0111	0111
			9	1000	1000
10	1001	1001
			11	1010	1010
12	1011	1011
			13	1100	1100
14	1101	1101
			15	1110	1110
16	1111	1111

所述功率放大器的第二级放大电路30的VDAC信号，通过与SOC系统中的数模转换器DAC相连接，经反馈机制调节数模转换器DAC的输出并通过RC电路连接到第四NMOS管NM4来控制输出功率。图6所示为本发明的功率放大器片上VDAC控制和传统功率放大器片外控制的EDA仿真结果。通过仿真结果可以看出，片上DAC的输出幅度对功率放大器输出功率可以进行很宽范围的调节，并且功率放大器的输出功率调节精度是随着DAC精度的提高而提高。由图6可见传统的功率控制方式其效率明显低于本发明的控制方式。

所述功率放大器的第一级放大电路20中的第二NMOS管NM2与片上系统SOC中的微控制单元MCU的输出相连，用于输入片上系统中微控制单元MCU产生的PWM脉宽调制信号，以实现输出功率信号的PWM调制。图7所示为PWM脉宽调制信号与输出功率信号的时域仿真波形。从仿真波形中可以看到，PWM脉宽信号通过控制所述第一级放大电路20中的第二NMOS管NM2，可以快速在开关状态切换。

本实施例的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器的功率控制原理如下：

第一，控制和补偿功率晶体管(第一NMOS管NM1及第三NMOS管NM3)偏置电压大小：如图3所示，通过改变所述第一级放大电路20及第二级放大电路30的偏置电压VGS1和VGS2，以控制第一NMOS管NM1及第三NMOS管NM3的直流工作电流，从而改变了功率放大器两级的增益，使得功率放大器输出功率可调。传统功率放大器存在高温下功率损失的问题，主要由于在高温下器件的性能下降所致。本发明在偏置电路10中引入了与绝对温度成正比(PTAT)的带隙基准电流，使得随着温度的升高偏置电压也相应提高来补偿在高温下功率放大器的功率损耗问题。

第二，控制功率放大器的第一级放大电路20的第二NMOS管NM2的栅极电压占空比：如图4所示，片上系统中的微控制单元MCU输出的PWM调制信号通过与功率放大器的第一级放大电路20的第二NMOS管NM2相连来实现功率放大器输出的PWM调制。功率放大器的第一级放大电路20的第二NMOS管NM2通过开通和关断来实现该调制。与传统PWM调制对输入的射频信号进行控制相比，本功率放大器实现PWM控制的方法由于只是改变了第二NMOS管NM2的栅极电压，也就等同于开关第一NMOS管NM1的漏电压，因此可以实现快速切换。并且这种PWM实现方式不需要在射频链路上加入更多的逻辑，简化了电路结构，增强了可靠性。图7所示为PWM信号VPWM与输出功率信号的时域仿真波形。

第三，控制功率放大器的第二级放大电路30的第四NMOS管NM4的栅极电压幅度：如图5所示，片上系统的数模转换器DAC的输出通过RC电路连接到功率放大器的第二级放大电路30的第四NMOS管NM4的栅极。通过控制第二级放大电路30的第四NMOS管NM4的阻抗来实现输出功率的控制。图6显示为本发明的功率放大器片上VDAC控制和传统功率放大器片外控制的EDA仿真结果。从仿真结果来看片上DAC对输出功率的控制呈现非线性，这个非线性过程与第四NMOS管NM4的工作状态相关，因为第四NMOS管NM4在一个信号周期内经历了从线性区到饱和区的变化。这种控制方式随着DAC的精度提高，功率放大器的输出功率可以达到很高精度和很宽的调节范围。由图6可见传统的功率控制方式其效率明显低于本发明的控制方式。

单独使用偏置电压控制或者DAC幅度控制，输出功率的变化幅度和功率放大器的效率优化上都会有限。结合二者可以使得功率放大器有较大的功率调节范围，同时也可以对功率放大器的效率进行最优化设置。采用两级放大结构，不仅解决了输入信号驱动能力不足的问题，同时也实现了PWM控制和DAC幅度控制的双控制方式。与传统的功率控制技术相比，采用本功率放大器功率控制方式可以简化片外元件，减小PCB面积，并且在控制中可以实现高效率和宽调节范围的优点。

如上所述，本发明提供一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，至少包括：偏置电路10、第一级放大电路20、第二级放大电路30、输出匹配电路40、第一电感及第二电感，其中：所述偏置电路10的电流输入端与片上系统中带隙基准电路产生的与绝对温度成正比电流连接，两个输出端分别与所述第一级放大电路20的第一输入端及第二级放大电路30的第一输入端连接，用于提供偏置电压；所述第一级放大电路20的第二输入端与片上系统中的锁相环电路相连，用于输入射频信号；第三输入端与片上系统中的微控制单元的输出相连，用于输入脉宽调制信号；第四输入端与射频地连接；输出端与第二级放大电路30的第二输入端及第一电感的第一端相连；所述第一电感的第二端连接电源；所述第二级放大电路的第三输入端与片上系统中的数模转换器相连，用于控制功率放大器的增益；第四输入端及第五输入端与片上系统的微控制单元相连，分别用于输入SWN信号和SWP信号，用于控制功率放大器增益控制方式；第六输入端与射频地连接；输出端与所述输出匹配电路40的输入端及第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端连接电源。本发明具有以下有益效果：

第一，实现了单芯片的PWM脉冲宽度和DAC幅度的双控制方式，提高了功率放大器的效率。本发明两级放大器的功率晶体管采用了共源共栅结构，并通过RC网络实现了MCU脉冲宽度(PWM)和片上DAC幅度的双控制方式，实现了在有线工业控制系统中的应用，如用于驱动发光等离子照明系统(LEP lamp controller)等。

第二，实现了输出功率的数字化控制，通过偏置电压控制与DAC幅度控制相结合方式，能够实现很宽的功率调节范围和精细的效率优化；本发明对两级放大器的偏置电压进行了数字量化，通过数字控制位从“0000”到“1111”的变化，控制输出功率的变化；并通过与SOC片上DAC的幅度控制结合，可以实现对功率放大器在输出功率范围和工作效率上进行精细的调节和最优的配置。

第三，实现了在高温下功率放大器的功率补偿；通过引入带隙基准中的与绝对温度成正比的电流(IPTAT)，产生了与绝对温度成正比的可调节的偏置电压，当温度升高时偏置电压也随温度升高，从而补偿了在高温下由于器件性能下降引起的功率损失问题。

第四，所述功率放大器由于第一级放大级与第二级放大级偏置电压独立可控，并且射频扼流电感(L1，L2)和输出匹配电路在芯片外部可调，因此可以根据使用频段，通过联合调整功率放大器的偏置电压和片外电感与匹配元件，可以实现功率放大器在10MHz～1GHz内工作，并且典型输出功率达到24dBm，饱和功率输出效率达到60％。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于，至少包括：偏置电路、第一级放大电路及第二级放大电路，其中：

所述偏置电路的电流输入端与片上系统中带隙基准电路产生的与绝对温度成正比电流连接，两个输出端分别与所述第一级放大电路的第一输入端及第二级放大电路的第一输入端连接，用于提供偏置电压；

所述第一级放大电路的第二输入端与片上系统中的锁相环电路相连，用于输入射频信号；第三输入端与片上系统中的微控制单元的输出相连，用于输入脉宽调制信号；第四输入端与射频地连接；输出端与第二级放大电路的第二输入端及第一电感的第一端相连；所述第一电感的第二端连接电源；

所述第二级放大电路的第三输入端与片上系统中的数模转换器相连，用于控制功率放大器的增益；第四输入端及第五输入端与片上系统的微控制单元相连，分别用于输入SWN信号和SWP信号，用于控制功率放大器增益控制方式；第六输入端与射频地连接；输出端与输出匹配电路的输入端及第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端连接电源。

2.根据权利要求1所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述偏置电路通过数字控制位来调整其输出至所述第一级放大电路及第二级放大电路的偏置电压。

3.根据权利要求1所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第一级放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管，其中：

所述第一NMOS管的栅极与所述射频信号相连，并与所述偏置电路相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第二NMOS管的源极相连；

所述第二NMOS管的栅极与脉宽调制信号连接；漏极作为输出端与所述第一电感和所述第二级放大电路连接。

4.根据权利要求3所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第一NMOS管及第二NMOS管构成共源共栅结构，所述第一NMOS管为输入器件，所述第二NMOS管为共源共栅器件。

5.根据权利要求3所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第一级放大电路还包括第一隔直电容及第一偏置电阻，所述第一隔直电容连接于所述第一NMOS管的栅极与所述射频信号之间，所述第一偏置电阻连接于所述第一NMOS管的栅极与所述偏置电路之间。

6.根据权利要求1所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第二级放大电路包括第三NMOS管、第四NMOS管、第一PMOS管、传输门NMOS管、传输门PMOS管、RC电路，其中：

所述传输门NMOS管的漏极与传输门PMOS管的漏极相连、所述传输门NMOS管的源极与传输门PMOS管的源极相连，形成传输门电路；

所述第三NMOS管的栅极与所述第一级放大电路的输出端相连，并与所述偏置电路相连用于输入偏置电压；源极与射频地连接，漏极与所述第四NMOS管的源极相连；

所述第四NMOS管的栅极通过所述RC电路与所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的漏极连接，漏极与所述第二电感和所述输出匹配电路连接；所述传输门NMOS管的栅极连接SWN信号，所述传输门PMOS管的栅极连接SWP信号，所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的源极与所述数模转换器相连；

所述第一PMOS管的栅极连接所述SWN信号，漏极与所述传输门NMOS管及传输门PMOS管的漏极相连，源极连接电源。

7.根据权利要求6所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第三NMOS管及第四NMOS管构成共源共栅结构，所述第三NMOS管为输入管，所述第四NMOS管为共源共栅器件。

8.根据权利要求6所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述第二级放大电路还包括第二隔直电容及第二偏置电阻，所述第二隔直电容连接于所述第三NMOS管的栅极与所述第一级放大电路的输出端之间，所述第二偏置电阻连接于所述第三NMOS管的栅极与所述偏置电路之间。

9.根据权利要求3～8任意一项所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：各NMOS管及/或各PMOS管的耐压不小于5.5V。

10.根据权利要求1～8任意一项所述的集成于片上系统的CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述集成于片上系统的CMOS射频功率放大器采用CMOS工艺制作。