CN107276547B - 一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路 - Google Patents

一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路涉及电路技术领域，所解决的是减少芯片面积，提升功率放大器的功率附加效率及最大输出功率的技术问题。该电路包括一个输入端的功率耦合线圈、一组用作功率放大的NMOS管和必要的偏置电阻、一组用作开关电流吸收的短路电容、一个输出端的双转单功率合成器、一组用于增加电路稳定性并提升功率附加效率的中和电容、一组串联LC谐振回路以及必要的输出阻抗匹配电路。本发明提供的电路，占据芯片面积小，功率附加效率高，总体功耗低，电路稳定性高。

Description

一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路
技术领域
本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路。
背景技术
由于毫米波频段有着较高的可用带宽，同时其探测精度也较高，因此毫米波芯片在无线通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和电子对抗等多方面有着广泛应用。近年来，随着毫米波频段的陆续开放，毫米波芯片成为了热点。其中毫米波射频前端作为关键技术很大程上决定了系统的性能、成本、尺寸等。
近年来随着市场对于毫米波芯片需求的增长，对其成本、集成度、功耗要求日益提高。集成电路工艺尤其是CMOS工艺的进步，使得实现毫米波频段的单片集成的功率放大器（PA）成为可能。功率放大电路作为将经过调制的毫米波信号放大到所需功率并传输给天线的电路，对于整个毫米波收发机的整体性能起到了决定性作用。现有的毫米波PA，多采用SiGe和GaAs工艺，成本高昂；且其多为A类、AB类、B类工作模式，其最大输出功率和PAE都不同程度的存在改善和提升的空间。开关模式特别是E类PA在毫米波频段的工作时，其PAE明显优于前述的几类工作模式，通过良好的选择短路（Shunt）电容和中和电容，并对输入匹配电路作精心设计之后，可以得到优秀的输出功率、PAE及良好的电路稳定性。而采用CMOS工艺进行设计，可以使成本极大的降低。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种占据芯片面积小，且PAE更高，因而功耗更低且电路稳定性优良的单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路。
技术方案：本发明所述的一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路，包括一个输入端功率耦合线圈、一组用作功率放大的NMOS管和偏置电阻、一组用作开关电流吸收的短路电容、一个输出端双转单功率合成器、一组用于增加电路稳定性并提升功率附加效率的中和电容、一组串联LC谐振回路以及输出阻抗匹配电路。
进一步的，所述的输入端功率耦合线圈是具有两级耦合的线圈，其第二级线圈有中心抽头，其第一级线圈接输入信号，其第二级线圈的的中心抽头接地，其第二级线圈的两端分别接NMOS管的栅极。
进一步的，所述的用作功率放大的NMOS管分别做共源共栅连接后共同构成推挽结构。
进一步的，所述的偏置电阻串联在共源共栅结构的上面一级NMOS管的栅极。
进一步的，所述短路电容跨接在成共源共栅组态的一组NMOS管中下面一级的源极和上面一级的漏极之间；
进一步的，所述的中和电容两端分别连接共源共栅结构下面一级NMOS管的栅极和构成推挽结构的另外一组共源共栅结构上面一级NMOS晶体管的漏极。
进一步的，所述的输出端双转单功率合成器是具有两级耦合的线圈，其第一级线圈具有中心抽头，其第一级线圈两端分别连接两组共源共栅结构上面一级NMOS管的漏极，其第一级线圈的中心抽头接直流电源，其第二级线圈串联一组LC串联谐振电路后通过输出阻抗匹配电路连接输出负载，负载的一端接地。
有益效果：本发明提供的单片集成的毫米波功率放大电路，利用输入功率耦合线圈将输入信号传输至NMOS管的栅极，特别的是，输入信号可以是单端信号也可以是差分信号；通过构成Push-pull结构的作cascode连接的NMOS管实现功率放大；然后通过输出功率合成器实现差分信号合成一路功率信号；最后，该单路信号经串联LC谐振回路和输出阻抗匹配电路后输出至负载；Shunt电容的作用在于吸收NMOS管工作时的开关电流，使全部电流在晶体管导通时完全流过晶体管，在晶体管关断时全部流经Shunt电容；中和电容的作用在于提高电路的整体稳定性，并进一步提升电路的PAE。本电路通过耦合线圈的使用，采用较少的元器件实现了电路功能。总体来说，该电路具有占据芯片面积小、PAE高、功耗低、电路稳定性号的特点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的单片集成的毫米波功率放大电路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。
如图1所示，本发明实施例提供一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路：包括一个输入端功率耦合线圈（T1）、一组用作功率放大的NMOS管(M1\M2\M3\M4)和必要的偏置电阻(R2\R3)、一组用作开关电流吸收的短路（Shunt）电容（C2\C3）、一个输出端双转单功率合成器(T2)、一组用于增加电路稳定性并提升功率附加效率（PAE）的中和电容(C5\C4)、一组串联LC谐振回路(L1\C1)、用以示意负载的电阻R1以及必要的输出阻抗匹配电路。
所述输入端功率耦合线圈T1是具有两级耦合线圈的变压器，分别为第一级线圈和第二级线圈，其第二级线圈有中心抽头。其第一级线圈由最顶层金属绕制，第二级线圈由次顶层金属绕制。第一级线圈和第二级线圈匝数比为1：1。其第一级线圈接输入信号。其第二级线圈的的中心抽头接地，其第二级线圈的两端分别接NMOS管M2和M4的栅极。T1线圈可以实现将单端输入信号转换为平衡的差分信号传输至NMOS管M2和M4的栅极；也可以实现将差分的输入信号以一定增益传输至NMOS管M2和M4的栅极。
所述的用作功率放大的NMOS管M1和M2成Cascode连接、M3和M4成Cascode连接，然后共同构成推挽（Push-Pull）结构。
所述的偏置电阻R2串联在Cascode结构的上面一级NMOS管M1的栅极；所述的偏置电阻R3串联在Cascode结构的上面一级NMOS管M3的栅极。
所述短路（Shunt）电容C2跨接在Cascode组态的NMOS管M1的漏极和M2的源极之间；所述短路（Shunt）电容C3跨接在Cascode组态的NMOS管M3的漏极和M4的源极之间。
所述的中和电容C5两端分别连接Cascode结构下面一级NMOS管M2的栅极和构成push-pull结构的另外一组Cascode结构上面一级NMOS晶体管M3的漏极；所述的中和电容C4两端分别连接Cascode结构下面一级NMOS管M4的栅极和构成push-pull结构的另外一组Cascode结构上面一级NMOS晶体管M1的漏极。
所述的输出端的双转单功率合成器T2是具有两级耦合线圈的变压器，分别是第一级线圈和第二级线圈，其第一级线圈具有中心抽头。其第一级线圈由次顶层金属绕制，第二级线圈由最顶层金属绕制。第一级线圈和第二级线圈匝数比为1：1。其第一级线圈两端分别连接两组Cascode上面一级NMOS管M1\M3的漏极。其第一级线圈的中心抽头接直流电源。其第二级线圈串联一组LC串联谐振电路（L1\C1）后通过输出阻抗匹配电路连接输出负载R1，R1的一端和T2线圈第二级线圈的一端接地。T2线圈可以实现将差分的输入信号以一定的增益转换成单端信号并传输至串联谐振回路，并进一步通过输出阻抗匹配电路传输至负载R1。
本发明实施例中，可以将所有元器件集成在单个芯片上。其中输入功率耦合线圈T1、输出双转单功率合成器T2、Shunt电容C2\C3、中和电容C4\C5、偏置电阻R2\R3、串联谐振回路L1\C1和输出阻抗匹配电路均为无源器件，消耗的电流很小，同时由于所有元器件集成在单个芯片上，以低电压供电，能够以高PAE、低功耗、高电路稳定性完成毫米波频段功率放大的功能。以较小的芯片面积实现了毫米波放大电路的单片集成，大大降低了电路实施的成本。
本发明实施例的工作原理如下（以35GHz单路调频方波电压信号为例）：
使用时将35GHz的调频信号接入输入端功率耦合线圈T1的第一级线圈，单端信号被转换为平衡的两路差分信号分别传输至M2\M4的栅极,经过用作功率放大的成Cascode连接的NMOS管M1和M2、M3和M4共同构成的推挽（Push-Pull）结构后，得到一定的功率增益，再经由输出双转单功率合成线圈T2转换成单路功率信号，经L1\C1构成的串联谐振回路后，转变为符合发射功率要求的35GHz功率信号经输出阻抗匹配电路输出至负载R1。
本发明提供的单片集成的毫米波功率放大电路，利用输入功率耦合线圈将输入信号传输至NMOS管的栅极，特别的是，输入信号可以是单端信号也可以是差分信号；通过构成Push-pull结构的作cascode连接的NMOS管实现功率放大；然后通过输出功率合成器实现差分信号合成一路功率信号；最后，该单路信号经串联LC谐振回路和输出阻抗匹配电路后输出至负载；Shunt电容的作用在于吸收NMOS管工作时的开关电流，使全部电流在晶体管导通时完全流过晶体管，在晶体管关断时全部流经Shunt电容；中和电容的作用在于提高电路的整体稳定性，并进一步提升电路的PAE。本电路通过耦合线圈的使用，采用较少的元器件实现了电路功能。总体来说，该电路具有占据芯片面积小、PAE高、功耗低、电路稳定性号的特点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路，该电路包括一个输入端的功率耦合线圈、一组用作功率放大的NMOS管和必要的偏置电阻、一组用作开关电流吸收的短路电容、一个输出端的双转单功率合成器、一组用于增加电路稳定性并提升功率附加效率的中和电容、一组串联LC谐振回路以及必要的输出阻抗匹配电路；
所述的输入端功率耦合线圈具有两级耦合的线圈，其第二级线圈有中心抽头，其第一级线圈接输入信号，其第二级线圈的的中心抽头接地，其第二级线圈的两端分别接NMOS管的栅极；
所述的用作功率放大的NMOS管分别做共源共栅连接后共同构成推挽结构；
所述的偏置电阻串联在共源共栅结构的上面一级NMOS管的栅极；
所述短路电容跨接在成共源共栅组态的一组NMOS管中下面一级的源极和上面一级的漏极之间；
所述的中和电容两端分别连接共源共栅结构下面一级NMOS管的栅极和构成推挽结构的另外一组共源共栅结构上面一级NMOS晶体管的漏极。
2.根据权利要求1所述的单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路，其特征在于：所述的输出端的双转单功率合成器具有两级耦合的线圈，其第一级线圈具有中心抽头，其第一级线圈两端分别连接两组共源共栅结构上面一级NMOS管的漏极，其第一级线圈的中心抽头接直流电源，其第二级线圈串联一组LC串联谐振电路后通过输出阻抗匹配电路连接输出负载，负载的一端接地。
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Pledgor: STORMICRO TECHNOLOGIES Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980011632

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