CN109412536A - 一种应用于5g系统的高效率高输出功率的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器，由三个NMOS管M1、M2、M3组成，每个NMOS管的直流偏置都偏置在AB类。NMOS管M2、M3的栅极分别连接了外置电容C1、C2，NMOS管自身的栅极电容和栅极外置电容形成了对本层管子漏极电压的分压电路，避免了堆叠管在高压下形成的击穿，保证了功率放大器的工作稳定性。另外电感Ld1和Lg1组成一个变压器，电感Ld2和Lg2组成一个变压器，电感Ld3和Lg3组成一个变压器，通过变压器耦合中和了管子的栅漏电容的消极影响，而串联在晶体管层间的电感Ld1、Ld2、Ld3也同时起到了补偿晶体管对地寄生电容的作用。

Description

一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器
技术领域
本发明涉及一种功率放大器。特别是涉及一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器.
背景技术
为了满足超高速率的数据传输，5G无线通信系统的实现正成为目前研究的热点，功率放大器是无线通信系统发射机的重要组成部分。为扩宽频谱，毫米波波段成为拟定的5G应用频段，但工作在高频率区间的功率放大器，其输出功率和功率附加效率(PAE)都会明显降低。为实现高输出功率和高效率的功率放大器，大多数采用GaAs或GaN工艺进行设计和生产[3]，但其成本高、不易集成的缺点限制了大规模生产和应用。本发明采用了成本更低、更易集成、技术更成熟的CMOS工艺。
在现有的硅基CMOS工艺下，功率放大器的功率增强大多采用功率合成和晶体管堆叠两种方案，其中在减小无源器件损耗和芯片面积方面，晶体管堆叠更具有优势。晶体管堆叠可以通过将有源器件串联的方式，使功放在较高偏置电压下工作，提高最大输出电压摆幅，从而来提高功率放大器的输出功率。但由于高频下晶体管的寄生电容影响，使各层堆叠的电压和电流相位失配，影响输出堆叠的效率，从而堆叠结构无法达到最优的叠加效果。通常有三种方法实现层间补偿：等效的“负电容”[1]、层间并联接地电感[2]、层间串联电感[3]。由于在毫米波波段，晶体管模型的复杂性和不确定性，这三种形式的补偿可调节程度有限，且难以大幅度改善堆叠晶体管层间失配的问题。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决在毫米波波段由晶体管建模不准确引起的无法准确补偿问题的应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器。
本发明所采用的技术方案是：一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器，包括有第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第三NMOS管M3，其特征在于，所述第二NMOS管M2和第三NMOS管M3的栅极分别依次通过一个电感Lg2/Lg3和一个电容C1/C2接地，第一NMOS管M1依次通过一个电感Lg1和一个输入匹配电路构成功率放大器的输入端连接射频输入，其中，所述第一NMOS管M1的栅极还依次通过所述的电感Lg1和电阻R4与源极共同接地，所述第二NMOS管M2的栅极还依次通过所述的电感Lg2和电阻R3连接所述的电感Lg1和电阻R4，所述第三NMOS管M3的栅极还依次通过所述的电感Lg3和电阻R2所述的电感Lg2和电阻R3，所述第三NMOS管M3的栅极还通过电阻R1分别连接扼流电感RF choke的一端、电感Ld3的一端以及输出匹配电路(2)，所述输出匹配电路的输出端构成功率放大器的射频输出端，所述扼流电感RF choke的另一端连接外部电压VDD，所述电感Ld3的另一端连接第三NMOS管M3的漏极，所述第三NMOS管M3的源极通过电感Ld2连接第二NMOS管M2的漏极，所述第二NMOS管M2的源极通过电感Ld1连接第一NMOS管M1的漏极，所述第一NMOS管M1的源极接地。
本发明的一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器，通过在堆叠结构的层间晶体管加入可变耦合系数的变压器补偿结构，有效补偿高频下晶体管寄生效应的影响，在保证低成本的前提下有效提高了功率放大器性能，进一步减小5G通信系统发射机中的功耗。本发明解决了在毫米波波段由晶体管建模不准确引起的无法准确补偿的问题。
附图说明
图1是本发明一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器的电路原理图；
图2是本发明中等效的可变耦合系数变压器的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器做出详细说明。
为了解决基于CMOS工艺难以实现高功率及高效率的问题，本发明使用晶体管堆叠的技术提升功率放大器输出功率，而提高效率的核心在于减小堆叠晶体管寄生电容的消极影响。
本发明堆叠结构的功率放大器由三个NMOS管M1、M2、M3组成，每个NMOS管的直流偏置都偏置在AB类。M2、M3的栅极分别连接了外置电容C1、C2，NMOS管自身的栅极电容和栅极外置电容形成了对本层管子漏极电压的分压电路，避免了堆叠管在高压下形成的击穿，保证了功率放大器的工作稳定性。另外Ld1和Lg1组成变压器1，Ld2和Lg2组成变压器2，Ld3和Lg3组成变压器3，通过变压器耦合中和了管子的栅漏电容的消极影响，而串联在晶体管层间的Ld1、Ld2、Ld3也同时起到了补偿晶体管对地寄生电容的作用。
如图1所示，本发明的一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器，包括有第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第三NMOS管M3，其特征在于，所述第二NMOS管M2和第三NMOS管M3的栅极分别依次通过一个电感Lg2/Lg3和一个电容C1/C2接地，第一NMOS管M1依次通过一个电感Lg1和一个输入匹配电路(1)构成功率放大器的输入端连接射频输入(RFin)，其中，所述第一NMOS管M1的栅极还依次通过所述的电感Lg1和电阻R4与源极共同接地，所述第二NMOS管M2的栅极还依次通过所述的电感Lg2和电阻R3连接所述的电感Lg1和电阻R4，所述第三NMOS管M3的栅极还依次通过所述的电感Lg3和电阻R2所述的电感Lg2和电阻R3，所述第三NMOS管M3的栅极还通过电阻R1分别连接扼流电感RF choke的一端、电感Ld3的一端以及输出匹配电路(2)，所述输出匹配电路(2)的输出端构成功率放大器的射频输出端(RFout)，所述扼流电感RF choke的另一端连接外部电压VDD，所述电感Ld3的另一端连接第三NMOS管M3的漏极，所述第三NMOS管M3的源极通过电感Ld2连接第二NMOS管M2的漏极，所述第二NMOS管M2的源极通过电感Ld1连接第一NMOS管M1的漏极，所述第一NMOS管M1的源极接地。其中电感Lg1与电感Ld1通过耦合构成变压器，其耦合系数为kT1,电感Lg2与电感Ld2通过耦合构成变压器，其耦合系数为kT2，电感Lg3与电感Ld3通过耦合构成变压器，其耦合系数为kT3。
本发明中所述的输入匹配电路1是采用无源元件组成；所述的输出匹配电路2是采用无源元件将负载阻抗匹配至功放负载牵引得到的最优值。
随着工作频率的升高，晶体管寄生的电容带来的影响越来越不能被忽略，在CMOS晶体管中，栅极的栅源电容和栅漏电容都是非线性电容，容易造成栅极电压失真，从而导致输出的漏极电流波形失真。为了在高频下有效补偿其寄生电容，提高堆叠结构的效率和可靠性，需要设计一定的感性网络来抵消该效应，从而使堆叠各层的电压摆幅幅度和相位相同，获得电压摆幅逐级累加的效果。加入变压器补偿网络之后，可得到第一NMOS管M1(见图1)的反向传输系数Y12的表达式(1)：
当|Y12|＝0时，可以得到将Cgd中和的耦合系数表达式(2)：
同理在堆叠结构上，利用此关系可依次得到变压器补偿网络的耦合系数的初值。为了弥补在毫米波波段上晶体管建模不准确的缺点，用一种可变耦合系数的变压器，如图1中的Ld和Lg，等效图见图2)中和寄生电容的影响，Vsw控制Ld和Lg产生的涡流，改变系统中的总磁通量，从而使Ld和Lg产生变化，也就控制了补偿强度的变化。由于{Ld，Lg}＝f(Vsw)并且kT＝f(Ld，Lg)，因此，kT＝f(Vsw)。这种调谐技术不需要额外的区域来切换电感值和复杂的控制电路，非常适用于毫米波应用。
本发明采用一种可调耦合系数的变压器来同时补偿栅源电容和栅漏电容的影响，该变压器的耦合系数通过外接的控制电压控制变化，增加了可调性，解决了在毫米波波段由晶体管建模不准确引起的无法准确补偿的问题。

Claims (1)

1.一种应用于5G系统的高效率高输出功率的功率放大器，包括有第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第三NMOS管M3，其特征在于，所述第二NMOS管M2和第三NMOS管M3的栅极分别依次通过一个电感Lg2/Lg3和一个电容C1/C2接地，第一NMOS管M1依次通过一个电感Lg1和一个输入匹配电路(1)构成功率放大器的输入端连接射频输入(RFin)，其中，所述第一NMOS管M1的栅极还依次通过所述的电感Lg1和电阻R4与源极共同接地，所述第二NMOS管M2的栅极还依次通过所述的电感Lg2和电阻R3连接所述的电感Lg1和电阻R4，所述第三NMOS管M3的栅极还依次通过所述的电感Lg3和电阻R2所述的电感Lg2和电阻R3，所述第三NMOS管M3的栅极还通过电阻R1分别连接扼流电感RF choke的一端、电感Ld3的一端以及输出匹配电路(2)，所述输出匹配电路(2)的输出端构成功率放大器的射频输出端(RFout)，所述扼流电感RFchoke的另一端连接外部电压VDD，所述电感Ld3的另一端连接第三NMOS管M3的漏极，所述第三NMOS管M3的源极通过电感Ld2连接第二NMOS管M2的漏极，所述第二NMOS管M2的源极通过电感Ld1连接第一NMOS管M1的漏极，所述第一NMOS管M1的源极接地。
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