用于针对毫米波功率应用的共源共栅放大器拓扑结构的设备
和方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路,而且更具体地涉及用于功率应用的射频(RF)放大器。
背景技术
射频(RF)放大器被用于各种应用,例如用于无线通信系统的发射器。在一种应用中,RF放大器被用作RF功率放大器(PA)以放大用于71至76GHz(千兆赫)以及81至86GHz带宽(被称为E带)的传输的RF信号。在另一种应用中,RF放大器被用作RF PA以放大来自WiFi源的信号以推进无线局域网(WLAN)中的WiFi热点信号。
发明内容
在一个实施例中,设备包括放大器。放大器包括被配置成接收输入信号的第一电路,而且第一电路具有栅漏寄生电容平衡。放大器包括被配置成产生放大信号的第二电路,而且第一电路和第二电路共同形成共源共栅电路。放大器包括第一电路和第二电路之间的第一节点。第二电路至少具有第一电容器,第一电容器的电容量被定制成放大器的预期工作频带,以使得第一电容器被配置成与处于第一节点和AC接地之间的第一寄生电容共振,从而实质地抵消第一寄生电容。
第一电路可包括第一差分电路。输入信号可包括差分输入信号,而且第一差分电路具有用于平衡的交叉耦合的电容性耦合。第二电路可包括第二差分电路,而且放大信号可包括差分信号。第一差分电路和第二差分电路共同形成差分共源共栅电路。
设备可包括第一电路和第二电路之间的第二节点。第二电路具有第二电容器,第二电容器的电容量被定制成放大器的预期工作频带,以使得第二电容器被配置成与处于第二节点和AC接地之间的第二寄生电容共振以实质地抵消第二寄生电容。
第一电容器和第二电容器可被配置成分别与第一寄生电容和第二寄生电容共振,而无需电感器。
第一差分电路可包括源极耦接的晶体管对,第三电容器和第四电容器。源极耦接的晶体管对包括被配置成接收第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极之间的差分输入信号的第一晶体管和第二晶体管。第三电容器电连接在第一晶体管的栅极和第二晶体管的漏极之间,而且第三电容器被配置成抵消第一晶体管的栅漏寄生电容。第四电容器电连接在第二晶体管的栅极和第一晶体管的漏极之间,而且第四电容器被配置成抵消第二晶体管的栅漏寄生电容。
第二差分电路可包括第三晶体管和第四晶体管。第三晶体管的源极电连接至第一晶体管的漏极而且其栅极电连接至偏置源。第四晶体管的源极电连接至第二晶体管的漏极而且其栅极电连接至偏置源。第三晶体管和第四晶体管可被配置成提供第三晶体管的漏极和第四晶体管的漏极之间的放大信号。
第一电容器可电连接在第三晶体管的漏极和源极之间;而且第二电容器可电连接在第四晶体管的漏极和源极之间。
第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管可包括NMOS晶体管。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管可包括PMOS晶体管。
放大器可包括RF功率放大器,其被配置成具有至少部分地取决于第一至第四电容器的增益及稳定因子。
第三晶体管可包括形成第一电容器的第一电极的漏极金属化图案以及形成第一电容器的第二电极的源极金属化图案。第四晶体管可包括形成第二电容器的第一电极的漏极金属化图案以及形成第二电容器的第二电极的源极金属化图案。金属化图案可以在至少两个金属化层上重复。
第三晶体管的漏极金属化图案和源极金属化图案的面积使得第一电容器的电容量与第一寄生电容相当。第四晶体管的漏极金属化图案和源极金属化图案的面积使得第二电容器的电容量与第二寄生电容相当。
放大器可被实体化在集成电路中。
第一电路可包括公共源极晶体管和串联LC网络。公共源极晶体管可被配置成在公共源极晶体管的栅极处接收输入信号。串联LC网络电连接在公共源极晶体管的栅极和公共源极晶体管的漏极之间。串联LC网络可被配置成抵消公共源极晶体管的栅漏寄生电容。
第二电路可包括共源共栅晶体管。共源共栅晶体管的源极电连接至公共源极晶体管的漏极而且其栅极电连接至偏置源。共源共栅晶体管可被配置成在共源共栅晶体管的漏极处提供放大信号。
第一电容器可电连接在共源共栅晶体管的漏极和源极之间。第一电容器可被配置成与公共源极晶体管的漏极和AC接地之间的第一寄生电容共振以实质地抵消第一寄生电容。
放大器可包括RF功率放大器,其被配置成具有至少部分地取决于第一至第四电容器的增益及稳定因子。
共源共栅晶体管可包括形成第一电容器的第一板的漏极金属化图案以及形成第一电容器的第二板的源极金属化图案。
共源共栅晶体管的漏极金属化图案和源极金属化图案的面积使得第一电容器的电容量与第一寄生电容相当。
在另一实施例中,一种用于RF功率应用的设备包括:用于放大输入信号以产生放大信号的装置;用于抵消放大装置的栅漏寄生电容的装置;以及用于与放大装置的一个节点和AC接地之间的寄生电容共振以实质地抵消第一寄生电容的装置。
附图说明
此处的这些附图和相关说明被提供用于说明本发明的具体实施例而不是限制性的。
图1A是根据本文的指教的差分RF放大器和负载的示意图。
图1B是根据本文的指教的包括差分RF放大器的寄生和固有电容的示意图。
图2A是根据另一实施例的RF放大器的示意图。
图2B是根据另一实施例的包括RF放大器的寄生电容的示意图。
图3是根据实施例的自举场效应晶体管的俯视金属化图案。
具体实施方式
以下对具体实施例的详细描述代表了本发明特定实施例的各种说明。但是,本发明可按照权利要求所限定和覆盖的多种不同方式来实现。在说明书中,对附图标记了参考标号,其中类似的参考标号表示相同或者功能类似的元素。实施例的下述详细说明展现了本发明特定实施例的各种说明。然而,本发明可按照权利要求定义和覆盖的大量不同方式实体化。在本说明书中,对附图标记了参考标号,其中类似的参考标号表示相同或者功能类似的元素。
射频(RF)信号会在大空中衰减,而且衰减量取决于各种因素,包括RF信号频率以及大空状况。举例来说,在海平面,在干燥空气条件下,80GHz(千兆赫)的信号的衰减大约是0.01dB/km(每千米分贝),而在湿润条件下,80GHz信号的衰减大约是0.3dB/km。
E带内的RF信号(覆盖从71-76GHz和81-86GHz的频率)有可能在将来的诸如移动回程和小型基地台应用之类的5G(第五代移动)网络中扮演关键角色。然而,对于超过3km(千米)距离的多Gbps(每秒千兆位)链接,要求至少22dBm(分贝-毫瓦特)的输出功率(POUT)来确保信号在经历了传输通道的衰减之后可被接收。对于99.99%的天气,诸如输出功率要求之类的全球适用性对采用低成本硅晶圆工艺设计的基于硅的RF放大器加入了限制。
为了有利于E带内的RF信号的全球范围内的使用,RF放大器应该具有超过20dBm的均匀功率以适应雨致衰减。用作功率放大器(PA)的用于放大E带的RF信号的RF放大器可使用诸如GaN(氮化镓)和GaAs(砷化镓)之类的MMIC(单片微波集成电路)HEMT(高电子迁移率晶体管)工艺中开发的电路拓扑,但是这种工艺对于应用相对昂贵。
因此,需要一种适合于采用诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺之类的低成本工艺的制造的替换的RF放大器拓扑。
在此提供了设备和方法用于共源共栅放大器拓扑结构用于毫米波功率应用。共源共栅放大器可使用通过CMOS工艺制造的FET(场效应晶体管)和电容器以产生无条件稳定的RF放大器以用作具有超过20dB的增益的RF功率放大器。
图1A是根据本文的指教的差分RF放大器和负载130。差分RF放大器包括已中和公共源极级102和自举公共栅极级104。如图1所示,已中和公共源极级102电连接至地;然而,在其它配置中,已中和公共源极级102可电连接至接地之外的另一电压基准。已中和公共源极级102接收第一输入信号VIN+和第二输入信号VIN-,定义了等于VIN+-VIN-的输入差分信号。已中和公共源极级102还提供第一中间信号VM-和第二中间信号VM+。自举公共栅极级104以共源共栅结构电连接至已中和公共源极级102,而且接收偏置电压VCAS、第一中间信号VM-和第二中间信号VM+。自举公共栅极级104还提供第一输出信号VOUT-和第二输出信号VOUT+,定义了等于VOUT+-VOUT-的输出差分信号。负载130电连接至自举公共栅极级104,而且提供了第一耦接信号VA+、第二耦接信号VA-、第三耦接信号VB+和第四耦接信号VB-。
在图1A的结构中,差分RF放大器可作为RF功率放大器工作,将功率传递给负载130。而且,在图1A所示的实施例中,负载130是一个功率分配器,其对与第一输出信号VOUT-和第二输出信号VOUT+相关的差分输出功率进行划分。负载130提供了在等于VA+-VA-的第一差分划分信号以及等于VB+-VB-的第二差分划分信号之间划分的差分功率。虽然差分RF放大器被示出为连接至负载130,其它类型的负载是可行的。例如,设计RF功率放大器的本领域技术人员已知的是,负载130可由变压器、功率组合器、RF扼流电路、LC匹配网络、天线等代替。
已中和公共源极级102包括第一公共源极N沟道场效应晶体管(NFET)106和第二公共源极NFET 108。第一公共源极NFET 106的源极电耦接至第二公共源极NFET 108的源极而且接地;因此第一公共源极NFET 106和第二公共源极NFET 108形成了公共源极对。第一公共源极NFET 106的栅极接收第一输入信号VIN+,而且第二公共源极NFET 108的栅极接收第二输入信号VIN-。第一公共源极NFET 106的漏极提供第一中间信号VM-,第二公共源极NFET108的漏极提供第二中间信号VM+。此外,第一中和电容器110电连接在第一公共源极NFET106的栅极和第二公共源极NFET 108的漏极之间。而且,第二中和电容器112电连接在第二公共源极NFET 108的栅极和第一公共源极NFET 106的漏极之间。
第一中和电容器110和第二中和电容器112可分别抵消与第一公共源极NFET 106和第二公共源极NFET 108关联的电容。由于密勒效应和来自交叉耦接的相对极性,第一中和电容器110和第二中和电容器112看起来像它们是具有负值的电容器。这有利地提高了已中和公共源极级102的性能和稳定性。
自举的公共栅极级104包括第一公共栅极NFET 114和第二公共栅极NFET 116。第一公共栅极NFET 114的栅极电耦接至第二公共栅极NFET 116的栅极,而且接收偏置电压VCAS;因此第一公共栅极NFET 114和第二公共栅极NFET 116形成公共栅极对。第一公共栅极NFET 114的源极电耦接至第一公共源极NFET 106的漏极,以使得其接收第一中间信号VM-。第二公共栅极NFET 116的源极电耦接至第二公共源极NFET 108的漏极以使得其接收第二中间信号VM+。第一公共栅极NFET 114的漏极提供了第一输出信号VOUT-,而且第二公共栅极NFET 116的漏极提供第二输出信号VOUT+。此外,第一自举的电容器118电连接在第一公共栅极NFET 114的源极和漏极之间,而且第二自举的电容器120电连接在第二公共栅极NFET 116的源极和漏极之间。
第一自举的电容器118和第二自举的电容器120可分别降低或者消除与第一公共源极NFET 106的漏极和第二公共源极NFET 108的漏极相关的寄生电容。这有利地提高了性能同时增大了图1A的放大器的增益。公开的技术允许图1A的放大器有利地由便宜的CMOS工艺制造而且提供用于放大E带的RF信号的性能。例如,当采用40nm CMOS工艺进行制造时,图1A的放大器可作为RF功率放大器(PA)工作,为E带的信号实现大于20dB的RF增益。
放大器级可共源共栅以增大增益。例如,变压器可被用于耦接在放大器级之间。在所示示例中,负载130对应于用于通过两个后续级进行放大的分离器,而且包括第一变压器132、第二变压器134、第三变压器136和第四变压器138。第一变压器132接收第一输出信号VOUT-和电连接至第三变压器136。第二变压器接收第二输出信号VOUT+而且电连接至第四变压器138。第一变压器132提供第二耦接信号VA-。第二变压器134提供第三耦接信号VB-。第三变压器136提供第一耦接信号VA+,第四变压器138提供第三耦接信号VB+。当然,其它负载可被采用,例如用于两个放大器级之间的耦接的单个变压器。
图1B是根据本文的指教包括差分RF放大器的寄生电容的示意图。图1B的差分RF放大器类似于图1A的差分放大器,除了未示出负载130;此外,示出了与已中和公共源极级102和自举公共栅极级104关联的寄生电容。
图1B示出了第一公共源极NFET 106的栅极和漏极之间的第一寄生电容CGDP1以及第二公共源极NFET 108的栅极和漏极之间的第二寄生电容CGDP2。第一寄生电容CGDP1和第二寄生电容CGDP2是分别与第一公共源极NFET 106和第二公共源极NFET 108相关的寄生电容。而且,第一寄生电容CGDP1和第二寄生电容CGDP2可使得图1A的差分放大器的稳定性和功率增益衰退。基于仿真和/或计算,第一中和电容器110和第二中和电容器112的电容量可被选择成有利地分别抵消第一寄生电容CGDP1和第二寄生电容CGDP2的效果。在一个实施例中,第一中和电容器110和第二中和电容器112的电容量可与第一寄生电容CGDP1和第二寄生电容CGDP2的电容量大致相同。
图1B还示出了第一公共源极NFET 106的漏极和AC接地之间的第三寄生电容CNPl。此外,在第二公共源极NFET 108的漏极和AC接地之间存在第四寄生电容CNP2。在该结构中,AC接地的概念指的是小信号接地,对于设计放大器的领域的技术人员是一种公知电路概念。第三寄生电容CNP1和第四寄生电容CNP2是与已中和公共源极级102和自举的公共栅极级104之间的连接相关的寄生电容。第三寄生电容CNP1和第四寄生电容CNP2将信号电路分流至AC接地,因此降低了图1B的差分RF放大器的功率增益。由于密勒效应及相应的相位偏移,第一自举的电容器118可像电感器一样操作而且在期望RF频率抵消第三寄生电容CNP1。而且,在像电感器一样操作时,第一自举的电容器118阻挡分流至接地的RF电流,从而改进了差分RF放大器的增益。类似地,在RF频率,第二自举的电容器120可像电感器一样操作而且抵消第四寄生电容CNP2。而且,在可像电感器一样操作时,第二自举的电容器120也阻挡分流至接地的RF电流,从而改进了图1B的差分RF放大器的增益。
图2A是根据另一实施例的RF放大器的示意图。图2A的RF放大器包括已中和单端公共源极级202和自举公共栅极级204。已中和公共源极级202电连接至地或者差分电压基准,而且接收单个输入信号VIN。已中和公共源极级202还提供单个中间信号VM。自举公共栅极级204以共源共栅结构电连接至已中和公共源极级202,而且接收偏置电压VCAS和单个中间信号VM。自举公共栅极级204还提供单个输出信号VOUT。此外,在图2A的结构中,RF放大器可作为功率放大器操作,将功率传递通过单个输出信号VOUT。输出节点VOUT可感应地耦接至电源轨以进行偏置。
已中和公共源极级202包括单个公共源极NFET 206,其源极以公共源极结构电耦接至地。单个公共源极NFET 206的栅极接收单个输入信号VIN。单个公共源极NFET 206的漏极提供单个中间信号VM。此外,串联电容器210和串联电感器211串行电连接在单个公共源极NFET 206的栅极和漏极之间。串联电容器210在DC下作为开路工作而且在RF频率下作为短路工作。
串联电感器211可抵消与单个公共源极NFET 206关联的电容以便有利地在期望RF频率下提高已中和公共源极级202的性能和稳定性。
自举公共栅极级204包括单个公共栅极NFET 214,其栅极电耦接至接收偏置电压VCAS。单个公共栅极NFET 214的源极电耦接至单个公共源极NFET 206的漏极以使其接收单个中间信号VM。单个公共栅极NFET 214的漏极提供单个输出信号VOUT。单个公共栅极NFET214的漏极可通过电感器进行偏置。此外,单个自举的电容器218电连接在单个公共栅极NFET 214的源极和漏极之间。
单个自举的电容器218可降低或者消除与单个公共源极NFET 206的漏极关联的寄生电容。这有利地提高了性能和稳定性同时增大了图2A的RF放大器的增益。
图2B是包括图2A的RF放大器的寄生电容的示意图;此外,图示了与已中和公共源极级202和自举公共栅极级204关联的寄生电容。
图2B示出了单个公共源极NFET 206的栅极和漏极之间的NFET寄生电容CGDP。NFET寄生电容CGDP是与单个公共源极NFET 206相关的固有电容。而且,NFET寄生电容CGDP可使图2B的RF放大器的稳定性衰退。串联电容器210提供了DC阻挡。根据仿真和/或计算,串联电感器211的电感量可被选择成有利地抵消NFET寄生电容CGDP的效果,例如,通过在预期操作频率下与电容共振。
图2B还示出了单个公共源极NFET 206的漏极和AC接地之间的中间寄生电容CNP。中间寄生电容CNP是与已中和公共源极级202和自举的公共栅极级204之间的连接相关的寄生电容。中间寄生电容CNP降低了图2B的差分RF放大器的增益。在RF频率,单个自举的电容器218可像电感器一样工作而且抵消中间寄生电容CNP。按照这样的方式,中间寄生电容CNP的抵消可有利地提高图2B所示的RF共源共栅放大器的增益和性能。
图3是根据实施例的自举的场效应晶体管416的俯视金属化图案。相同金属化图案可在至少2个金属化层上重复。在一个示例中,使用的金属化层的数量为3。然而,金属化层的数量可在两个或更大的广义范围内变化。将理解的是,可能一般仅仅需要一个金属化层来提供下面的晶体管的导电性;然而,在所示的实施例中,附加的金属化层被刻意提供来增加电容。通常,设计人员将试图最小化寄生电容,因此公开的技术与传统观点背道而驰。自举的场效应晶体管416可表示CMOS工艺中的NFET的布局,其中漏极和源极采用金属带构造,也称为指状物。漏极指状物和源极指状物交错以形成自举电容。自举的场效应晶体管416可进一步表示图1A的第二公共栅极NFET 116。如图3所示,多个漏极指状物和多个源极指状物连接在两个金属导体之间。标为VOUT+的漏极导体连接至漏极指状物,标为VM+的源极导体连接至源极指状物。进一步有利地,由于漏极导体和源极导体在传统晶体管布局中仅仅从一侧放线,提出的布局降低了漏极导体和源极导体之间的电迁移,这就改进了可靠性。
除了连接至自举的场效应晶体管416的漏极和源极之外,多个源极指状物和多个漏极指状物还可图案化成形成自举的电容器。来自多个源极指状物的源极指状物可被图案化在来自多个漏极指状物的漏极指状物的上方或下方,由此使得在源极指状物和漏极指状物之间存在指状物电容。指状物电容取决于图案的几何形状和介电性能;而且可控制的设计自由度是源极指状物和漏极指状物之间的层距。层距离可通过互连/金属层的选择来控制。
例如,在设计晶体管416的多个源极指状物和多个漏极指状物的布局图案时,可通过勾勒第一区域420、第二区域422和第三区域424来形成自举的电容器。可利用具有第一层距的金属层上的第一组源极指状物和第一组漏极指状物来图案化第一区域420。可利用具有第二层距的金属层上的第二组源极指状物和第二组漏极指状物来图案化第二区域422。类似地,可利用具有第三距的层上的第三组源极指状物和第三组漏极指状物来图案化第三区域424。第一区域420的第一电容、第二区域422的第二电容、和第三区域424的第三电容可通过控制源极指状物和漏极指状物的面积和层距来进行调节。
虽然图3示出了一种可能的方式来从多个源极指状物和多个漏极指状物产生自举的电容器,但是其它结构是可行的。例如,代替具有三个区域的指状物,具有更多或更少漏极指状物或源极指状物的单个区域是可行的。总体上,每个源极指状物和每个漏极指状物可被当做是电容器的单独电极,正比于指状物之间的分离距离所划分的漏极/源极指状物的面积。
除了提供紧致布局的优势的之外,在晶体管416中使用多个源极指状物和多个漏极指状物以形成自举的电容器,可提高器件性能和功率容量。而且,类似方案可应用于形成PFET中的自举的电容器。
应用
采用上述共源共栅放大器脱坡的装置可实现在各种装置中。电子装置的示例可包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部分、电子测试设备等。电子装置的示例还可包括光网或其它通信网络的电路。消费电子产品可包括但不限于汽车、摄像录像机、相机、数码相机、便携存储芯片、清洗器、干燥器、清洗器/干燥器、复印机、传真机、扫描器、多功能外围设备等。而且,电子装置可包括未完工的产品,包括用于工业、医疗和汽车应用的产品。
前述说明和权利要求可能指的是“连接”或“耦接”在一起的元素或特征。对于此处的使用,除非进行相反的陈述,否则“连接”表示一个元素/特征直接或间接连接至另一元素/特征,而且并非必须是机械连接。类似地,除非进行相反的陈述,否则“耦接”表示一个元素/特征直接或间接连接至另一元素/特征,而且并非必须是机械连接。因此,虽然图中所示的各种示意图描绘了元素和组件的示例布置,但是附加的介入的元素、器件、特征或组件可存在于实际实施例中(假设所示电路的功能不被不利地影响)。
虽然已经根据具体实施例描述了本发明,但是对于本领域技术人员明显的其它实施例,包括不提供本文前述所有特征和优势的实施例,也落入本发明的范围。而且,上述各种实施例可被组合以提供进一步的实施例。此外,在一个实施例的环境下示出的特定特征也可被并入其它实施例。由此,本发明的范围仅仅由所附权利要求限定。