CN108155880B - 一种可编程毫米波数字功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可编程毫米波数字功率放大器，包括：NMOS放大管M0、M1，NMOS开关管M2、M3、M4、M5，偏置电阻R1、偏置电阻R2，隔直电容C1、C2，中和电容C3、C4，共模抑制电感L1，差分转单端变压器TF1。毫米波射频差分信号经隔直电容C1、C2输入，经放大管M2、M3、M4、M5放大输出。本发明通过数字控制信号D0、数字控制信号D1控制开关管M0、M1的导通与否，进而控制放大管的导通与否，从而控制放大器的输出功率，解决了传统毫米波功率放大器输出功率不可调节的缺点。本发明结构简单，集成度高，可以用于毫米波功率放大器和其他毫米波集成电路系统设计中，实现输出功率数字编程，提高功率放大器和系统的功率回退效率。

Description

一种可编程毫米波数字功率放大器
技术领域
本发明涉及一种毫米波功率放大器，特别是一种可编程毫米波数字功率放大器。
背景技术
近年来，随着互补金属-氧化物半导体（CMOS）技术的快速发展，采用CMOS技术实现毫米波集成电路成为现实。CMOS集成电路技术在数字电路设计中优势明显，利用CMOS集成电路技术的特点，可以实现各种功能的数字、模拟、射频混合电路设计。常规的毫米波功率放大器结构基本分为共源结构、共栅结构、共源共栅结构等，这些结构中放大管尺寸固定，因此单个放大器的输出功率往往固定不可调节，或者增益不可调节。然而越来越多的应用场合，要求系统的输出功率可变，在末级的输出功率放大器不可调节的情况下，要么增加输出衰减电路，要么降低输入激励功率，这两种情况，功率放大器本身的功耗和输出功率不变，因此具有功率回退效率低，系统功耗大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程的毫米波数字功率放大器，解决常规毫米波功率放大器输出功率固定，功率回退效率低的缺点。
一种可编程毫米波数字功率放大器，包括： NMOS开关管M0、NMOS开关管M1、NMOS放大管M2、NMOS放大管M3、NMOS放大管M4和NMOS放大管M5、偏置电阻R1、偏置电阻R2、隔直电容C1、隔直电容C2、中和电容C3、中和电容C4、共模抑制电感L1和差分转单端变压器TF1；所述NMOS 是指N沟道金属氧化物半导体。
前级毫米波信号差分输入，IN+表示信号输入正端，IN-表示信号输入负端。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极均分别与偏置电阻R1、隔直电容C1和中和电容C3连接，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极均分别与偏置电阻R2、隔直电容C2和中和电容C4连接；偏置电阻R1、偏置电阻R2的另一端连接到偏置电压Vg。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M3的源极与NMOS开关管M0的漏极连接，NMOS放大管M4、NMOS放大管M5的源极与NMOS开关管M1的漏极连接；NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的源极与共模抑制电感L1连接；NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的栅极分别与数字控制信号D0、数字控制信号D1的输入端连接；数字控制信号D0和数字控制信号D1控制NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的导通、关断以及放大器的输出功率。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极与中和电容C4一端连接，为信号放大输出正端，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极与中和电容C3的一端连接，为信号放大输出负端；信号放大输出的正端和负端分别连接到变压器TF1的两个输入端口；变压器TF1的输入线圈中心抽头连接到电源电压Vd。
更优的，所述NMOS放大管M2、NMOS放大管M3尺寸一致，互为差分对称，NMOS放大管M4、NMOS放大管M5尺寸一致，互为差分对称；NMOS放大管M4、NMOS放大管M5尺寸大于NMOS放大管M2、NMOS放大管M3。
更优的，所述NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的尺寸比例与NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的尺寸比例相同。
更优的，所述NMOS开关管M0的尺寸大于NMOS放大管M2和M3尺寸之和，NMOS开关管M1的尺寸大于NMOS放大管M4和M5尺寸之和。
更优的，所述数字控制信号D0和数字控制信号D1控制NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的导通和关断，当数字控制信号D0为高电平时，NMOS开关管M0导通；当数字控制信号D0为低电平时，NMOS开关管M0关断；当数字控制信号D1为高电平时，NMOS开关管M1导通；当数字控制信号D1为低电平时，NMOS开关管M1关断。
更优的，当数字控制信号D0与当数字控制信号D1全为0时，放大器关断，输出功率为0；当数字控制信号D0为1，当数字控制信号D1为0时，放大器中的NMOS放大管M2和NMOS放大管M3导通，输出功率为PA；当数字控制信号D0为0，当数字控制信号D1为1时，放大器中的NMOS放大管M4、NMOS放大管M5导通，输出功率为PB；当数字控制信号D0为1，当数字控制信号D1为1时，放大器全导通，输出功率为PC，且PA＜PB＜PC。
更优的，所述中和电容C3与中和电容C4的值相等。中和电容C3的值大于放大管M2的米勒电容，且中和电容C3的值小于放大管M2和M4米勒电容之和。
一种可编程毫米波数字功率放大器的信号传输方法，其特征在于，前级毫米波信号分别从IN+和IN-差分输入放大器；一路毫米波信号经过隔直电容C1输入到NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极，该信号经过NMOS放大管M2、NMOS放大管M4放大之后从NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极输出；另一路毫米波信号经过隔直电容C2输入到NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极，该信号经过NMOS放大管M3、NMOS放大管M5放大之后从NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极输出；两路放大信号进入变压器TF1的两个输入端口；经变压器TF1，放大信号差分转单端输出。
本发明将常规的伪差分共源放大器放大管分成两组，M2、M3为一组，M4、M5为一组，增加了两个开关管M0、M1，对应两位数字控制信号D0、数字控制信号D1。M0控制M2、M3的导通与关断，M1控制M4、M5的导通与关断。输出功率要求最大的时候，所有管子都导通，此时本发明与常规放大器效果一样；当输出功率要求降低的时候，本发明关断其中的一组放大管，可以显著降低功耗，同时仍能满足输出功率的要求，达到显著提高功率回退效率的目的；本发明较常规的伪差分共源放大器的第二个有益效果是增加了中和电容C3、C4，利用电容C3、C4可以部分抵消晶体管米勒电容造成放大器高频增益降低、稳定性下降的缺点。本发明较常规的伪差分共源放大器的第三个有益效果是增加了共模抑制电感L1，利用该电感，可以显著降低放大器的共模增益，从而提高共模稳定性。
附图说明
图1一种可编程毫米波数字功率放大器电路图。
M0、M1为NMOS开关管；M2、M3、M4、M5为NMOS放大管；C1、C2为隔直电容；C3、C4为中和电容；L1为共模抑制电感；TF1为变压器；R1、R2为偏置电阻；IN+、IN-为信号输入正端、负端；OUT为信号放大输出；Vd为电源电压输入；Vg为偏置电压输入；D0、D1为数字控制信号输入。
具体实施方式
一种可编程毫米波数字功率放大器，NMOS开关管M0、NMOS开关管M1、NMOS放大管M2、NMOS放大管M3、NMOS放大管M4和NMOS放大管M5、偏置电阻R1、偏置电阻R2、隔直电容C1、隔直电容C2、中和电容C3、中和电容C4、共模抑制电感L1和差分转单端变压器TF1。所述NMOS是指N沟道金属氧化物半导体。
其中NMOS放大管M2、NMOS放大管M3尺寸一致，互为差分对称， NMOS放大管M4、NMOS放大管M5尺寸一致，互为差分对称。NMOS放大管M4、NMOS放大管M5尺寸大于NMOS放大管M2、NMOS放大管M3。NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的尺寸比例与NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的尺寸比例相同。NMOS开关管M0的尺寸大于NMOS放大管M2和NMOS放大管M3尺寸之和，NMOS开关管M1的尺寸大于NMOS放大管M4和NMOS放大管M5尺寸之和。中和电容C3与中和电容C4的值相等。中和电容C3的值大于NMOS放大管M2的米勒电容，且小于NMOS放大管M2和NMOS放大管M4米勒电容之和。
前级毫米波信号差分输入，IN+表示信号输入正端，IN-表示信号输入负端。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极均分别与偏置电阻R1、隔直电容C1和中和电容C3连接，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极均分别与偏置电阻R2、隔直电容C2和中和电容C4连接。偏置电阻R1、偏置电阻R2的另一端连接到偏置电压Vg。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M3的源极与NMOS开关管M0的漏极连接，NMOS放大管M4、NMOS放大管M5的源极与NMOS开关管M1的漏极连接。NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的源极与共模抑制电感L1连接。NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的栅极分别与数字控制信号D0、数字控制信号D1的输入端连接。
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极与中和电容C4一端连接，为信号放大输出正端，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极与中和电容C3的一端连接，为信号放大输出负端。信号放大输出的正端和负端分别连接到变压器TF1的两个输入端口。变压器TF1的输入线圈中心抽头连接到电源电压Vd。
放大器工作过程为：前级毫米波信号分别从IN+和IN-差分输入放大器；一路毫米波信号经过隔直电容C1输入到NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极，该信号经过NMOS放大管M2、NMOS放大管M4放大之后从NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极输出；另一路毫米波信号经过隔直电容C2输入到NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极，该信号经过NMOS放大管M3、NMOS放大管M5放大之后从NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极输出；两路放大信号进入变压器TF1的两个输入端口；经变压器TF1，放大信号差分转单端输出。
当数字控制信号D0为高电平时，NMOS开关管M0导通；当数字控制信号D0为低电平时，NMOS开关管M0关断。数字控制信号D0和数字控制信号D1控制输出功率，当数字控制信号D0与数字控制信号D1全为0时，放大器关断，输出功率为0；当数字控制信号D0为1，数字控制信号D1为0时，放大器中的NMOS放大管M2和M3导通，输出功率为PA；当数字控制信号D0为0，数字控制信号D1为1时，放大器中的NMOS放大管M4、NMOS放大管M5导通，输出功率为PB；当数字控制信号D0为1，数字控制信号D1为1时，放大器全导通，输出功率为PC，且PA＜PB＜PC。

Claims (3)

1.一种可编程毫米波数字功率放大器，其特征在于包括：NMOS开关管M0、NMOS开关管M1、NMOS放大管M2、NMOS放大管M3、NMOS放大管M4和NMOS放大管M5、偏置电阻R1、偏置电阻R2、隔直电容C1、隔直电容C2、中和电容C3、中和电容C4、共模抑制电感L1和差分转单端变压器TF1；所述NMOS 是指N沟道金属氧化物半导体；
前级毫米波信号差分输入，IN+表示信号输入正端，IN-表示信号输入负端；
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极均分别与偏置电阻R1的一端、隔直电容C1的一端和中和电容C3的一端连接，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极均分别与偏置电阻R2的一端、隔直电容C2的一端和中和电容C4的一端连接；偏置电阻R1和偏置电阻R2的另一端分别连接到偏置电压Vg；
前级毫米波信号分别从IN+和IN-差分输入放大器；一路毫米波信号经过隔直电容C1的另一端输入到NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的栅极，该信号经过NMOS放大管M2、NMOS放大管M4放大之后从NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极输出；另一路毫米波信号经过隔直电容C2的另一端输入到NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的栅极，该信号经过NMOS放大管M3、NMOS放大管M5放大之后从NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极输出；两路放大信号进入变压器TF1的两个输入端口；经变压器TF1，放大信号差分转单端输出；
NMOS放大管M2、NMOS放大管M3的源极与NMOS开关管M0的漏极连接，NMOS放大管M4、NMOS放大管M5的源极与NMOS开关管M1的漏极连接；NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的源极与共模抑制电感L1一端连接，共模抑制电感L1的另一端接地；NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的栅极分别与数字控制信号D0、数字控制信号D1的输入端连接；数字控制信号D0和数字控制信号D1控制NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的导通、关断以及放大器的输出功率；
NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的漏极与中和电容C4一端连接，为信号放大输出正端，NMOS放大管M3、NMOS放大管M5的漏极与中和电容C3的一端连接，为信号放大输出负端；信号放大输出的正端和负端分别连接到变压器TF1的两个输入端口；变压器TF1的输入线圈中心抽头连接到电源电压Vd；
NMOS放大管M2、NMOS放大管M3尺寸一致，互为差分对称， NMOS放大管M4、NMOS放大管M5尺寸一致，互为差分对称；NMOS放大管M4、NMOS放大管M5的尺寸大于NMOS放大管M2、NMOS放大管M3的尺寸；
NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的尺寸比例与NMOS放大管M2、NMOS放大管M4的尺寸比例相同；
NMOS开关管M0的尺寸大于NMOS放大管M2和NMOS放大管M3尺寸之和，NMOS开关管M1的尺寸大于NMOS放大管M4和NMOS放大管M5尺寸之和；
中和电容C3与中和电容C4的值相等；
数字控制信号D0和数字控制信号D1控制NMOS开关管M0、NMOS开关管M1的导通和关断，当数字控制信号D0为高电平时，NMOS开关管M0导通；当数字控制信号D0为低电平时，NMOS开关管M0关断；当数字控制信号D1为高电平时，NMOS开关管M1导通；当数字控制信号D1为低电平时，NMOS开关管M1关断。
2.如权利要求1所述的可编程毫米波数字功率放大器，其特征在于，当数字控制信号D0与数字控制信号D1全为0时，放大器关断，输出功率为0；当数字控制信号D0为1，数字控制信号D1为0时，放大器中的NMOS放大管M2和NMOS放大管M3导通，输出功率为PA；当数字控制信号D0为0，数字控制信号D1为1时，放大器中的NMOS放大管M4、NMOS放大管M5导通，输出功率为PB；当数字控制信号D0为1，数字控制信号D1为1时，放大器全导通，输出功率为PC，且PA＜PB＜PC。
3.如权利要求1所述的可编程毫米波数字功率放大器，其特征在于，中和电容C3的值大于NMOS放大管M2的米勒电容，且中和电容C3的值小于NMOS放大管M2和NMOS放大管M4米勒电容之和。
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