CN109660211B - 功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 - Google Patents
功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109660211B CN109660211B CN201811374205.0A CN201811374205A CN109660211B CN 109660211 B CN109660211 B CN 109660211B CN 201811374205 A CN201811374205 A CN 201811374205A CN 109660211 B CN109660211 B CN 109660211B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power
- radio frequency
- envelope
- input
- amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002347 injection Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000007924 injection Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title abstract description 17
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title abstract description 17
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010010356 Congenital anomaly Diseases 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/02—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
- H03F1/0205—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
- H03F1/565—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for using inductive elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
- H03F3/19—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/195—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/213—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/451—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明的目的是提供一种功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器，主体架构包括输入巴伦、级间匹配网络、两个功率级差分放大器、PCT功率合成器；而Envelope injection偏置电路的作用是通过检测输入信号，判断当包络信号超过某一预定的值时，增加偏置电压，这种结构可以很好的避免了传统中因偏置电压未能完全跟随包络变化，从而导致因跟随包络延时降低线性度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及手机射频芯片技术领域，尤其涉及一种功率合成和Envelopeinjection的5GCMOS射频功率放大器。
背景技术
随着手机、数码产品等便携式通讯设备的广泛应用,射频芯片在整个通信系统中占的比重越来越高，作为射频系统中最重要的部分，功率放大器决定了整个通信系统的性能。射频功率放大器市场的激烈竞争，引导着射频功率放大器正逐步向着高性能、低成本的方向发展。相比于传统的砷化镓射频功率放大器，CMOS射频功率放大器有着先天的成本优势，凭借着其易集成、低成本特点，在射频系统中得到广泛的应用，市场发展前景非常广阔。即将到来的5G时代，CMOS射频功率放大器或许将有更大的应用空间。
然而，CMOS器件的耐压能力以及其本身的非线性特征成为了CMOS射频功率放大器向着高功率、高线性度发展的主要阻力，这在高频处表现的尤为明显。例如，MOS管的Gm和栅极电容具有很强的非线性，在大功率下，二次谐波会通过栅漏电容耦合到输入端，与其他阶次谐波产生三次谐波分量，使得线性度恶化。为了得到较大的输出功率以及较高的线性度，传统采用的方法为增加偏置电压或者电流、增大buffer级尺寸，而这些方法是以牺牲效率以及芯片面积来换取线性功率的提升，这使得CMOS射频功率放大器在5G市场中不具优势。传统的CMOS射频功率放大器电路如图4所示。
差分电路具有高增益、抗电磁干扰、电源噪声抑制能力强、消除偶次谐波等优点，使得其在射频功率放大器电路中被广泛的应用。与此同时，功率合成的重要性也与日俱增，常见的功率合成技术包括：直接功率合成、空间功率合成、LC巴伦功率合成器、片上变压器功率合成器等。相比于其他功率合成技术，基于片上变压器的差分功率合成器可以同时实现多个子射频功率放大器的输出相加、阻抗变换、差分-单端转换和ESD保护等功能，广泛应用于CMOS射频功率放大器的设计。在差分功率合成的基础上，Envelopeinjection技术的引用可以进一步改善线性度。
发明内容
本发明所要解决的是现有的CMOS射频功率放大器饱和功率低和线性度差的问题，提出了一种包括功率合成技术以及Envelopeinjection偏置电路技术的5GCMOS射频功率放大器，主体架构包括输入巴伦、级间匹配网络、两个功率级差分放大器、PCT功率合成器；而Envelope injection偏置电路的作用是通过检测输入信号，判断当包络信号超过某一预定的值时，增加偏置电压，这种结构可以很好的避免了传统中因偏置电压未能完全跟随包络变化，从而导致因跟随包络延时降低线性度的问题。
本发明的目的是提供一种功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器，包括有包括输入巴伦、级间匹配网络、第一级放大器、第二级放大器、两个功率级差分放大器、PCT功率合成器和Envelope injection偏置电路；输入巴伦的两端接第一级放大器的输入端，经级间匹配后与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出经级间匹配后分别接到两路功率级差分放大器，最后由功率合成器将功率传输至负载；输入巴伦输入射频信号；Envelope injection偏置电路的输入端接射频输入信号，输出端接两个功率级差分放大器的偏置端，作为其偏置电压。
进一步改进在于：所述PCT功率合成器为片上PCT变压器结构，包括两个主线圈和一个次线圈，以及与线圈并联的调谐电容。
进一步改进在于：所述Envelope injection偏置电路为提升线性功率的包络检测电路，其包括有：NMOS：M1、M2；PMOS：M3，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3；M2和M3并联连接在M1的输出端，M1和M3之间连接有并联的R2和C2，M1输入端连接有并联的R1和C1，M2和M3的输出端连接有R4，M2和M3的输出端还连接有并联的R3和C3。
进一步改进在于：所述C1的输入端连接接射频输入信号，M2和M3的输出端连接两个功率级差分放大器的偏置端。
进一步改进在于：所述输入巴伦两端均并联电容。
本发明的有益效果：本发明采用了功率合成技术，基于片上PCT变压器结构，实现在片内集成两个驱动放大级，对饱和功率的提升有着很大的帮助，有助于回退功率处各项指标的实现，并且减少了制作成本。Envelope injection偏置电路，可以随着射频信号的变化自适应的调节射频功率放大器的偏置电压，对射频功率放大器线性度的提升有着很大的帮助。
附图说明
图1是本发明CMOS射频功率放大器的示意图。
图2是本发明Envelope injection偏置电路图。
图3为本发明中片上PCT变压器等效模型图。
图4是背景技术中传统的CMOS射频功率放大器的示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1-3所示，本实施例提供一种功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器，其特征在于：包括有包括输入巴伦、级间匹配网络、第一级放大器、第二级放大器、两个功率级差分放大器、PCT功率合成器和Envelope injection偏置电路；输入巴伦的两端接第一级放大器的输入端，经级间匹配后与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出经级间匹配后分别接到两路功率级差分放大器，最后由功率合成器将功率传输至负载；输入巴伦输入射频信号；Envelope injection偏置电路的输入端接射频输入信号，输出端接两个功率级差分放大器的偏置端，作为其偏置电压。所述PCT功率合成器为片上PCT变压器结构，包括两个主线圈和一个次线圈，以及与线圈并联的调谐电容。所述Envelopeinjection偏置电路为提升线性功率的包络检测电路，其包括有：NMOS：M1、M2；PMOS：M3，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3；M2和M3并联连接在M1的输出端，M1和M3之间连接有并联的R2和C2，M1输入端连接有并联的R1和C1，M2和M3的输出端连接有R4，M2和M3的输出端还连接有并联的R3和C3。所述C1的输入端连接接射频输入信号，M2和M3的输出端连接两个功率级差分放大器的偏置端。所述输入巴伦两端均并联电容。
图3所示，射频信号首先由输入巴伦分成两路幅值相同、相位相差180度的两路信号，经过前两级放大后再分别进入两个功率级差分放大器，放大的输出信号由功率合成器进行功率合成。功率合成器通过片上变压器实现，采用PCT结构，次级线圈和2个主线圈同时耦合，等效为交流电流在次级线圈的叠加，并且两端均接有调谐电容，用来提高PCT的效率，同时微调电路工作频率范围内的阻抗。功率合成后的电流、电压以及阻抗转换比如下：
其中，N1/N2为主、次线圈比，n为主线圈端口数，Ii、Vi分别表示合成器的输入电流和输入电压。当考虑电感线圈的阻抗损耗时，因为主线圈的电流相等，故阻抗转换比、功率提升比如下：
R1、R2分别为初级和次级电感线圈的寄生电阻。可以看出线圈的寄生阻抗和主线圈数目都对阻抗转换比和功率提升比有着直接的影响，因此也直接影响着输出功率的大小，受限于成本，本发明中主线圈的个数为2，可以通过提升线圈的Q值减小寄生阻抗，从而获得更高的输出功率。
对于理想的功率转换器，通过调整转换比，可以将终端负载阻抗转换到预定的负载阻抗值。但是由于转换器的寄生电感、电容，以及MOS管本身的寄生(随着频率变化而剧烈变化)，使得只能在较窄的带宽内实现负载阻抗匹配。转换器等效电路图如图3所示，其中Ci、Co为输入输出电容，La、Lb和Ra、Rb分别为初级和次级等效电感模型。由图3可以得出下列公式：
LM＝kLb
不难发现，La越小，输出阻抗虚部呈感性，同实部一样随频率变化程度越小；同时Lb越大，负载阻抗对频率的敏感程度越低。本发明中的功率转换器需要满足初级电感小，次级电感大的特征。
Envelope injection偏置电路如图2所示，当检测到射频信号的电压幅值增大时，M1的漏电压会从VDD降低到一个较低的值，这时M3开始对偏置电路输出电压充电，输出电压开始从原本一个特定的值逐渐上升；当检测到射频信号的电压摆幅降低时，M1的漏电压会逐渐上升至VDD，这时M2开始对输出电压放电，输出电压最终下降到原先特定的电压值。所以，偏置电压随着检测到的信号幅值变化而变化，但始终不会低于一个特定的值。M2和M3的尺寸比例大小决定了偏置电压对输入信号的“失真度”，“不失真”的跟随才能实现线性度的提高。该结构对传统的Envelope Tracking电路因包络延时导致线性度恶化的缺点进行了改善。另外，相对于功率级的差分对管而言，M2与M3的尺寸非常小，所以并不会导致射频功率放大器效率的变化。
采用了功率合成技术，基于片上PCT变压器结构，实现在片内集成两个驱动放大级，对饱和功率的提升有着很大的帮助，有助于回退功率处各项指标的实现，并且减少了制作成本。Envelope injection偏置电路，可以随着射频信号的变化自适应的调节射频功率放大器的偏置电压，对射频功率放大器线性度的提升有着很大的帮助。
Claims (2)
1. 一种功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器，其特征在于：包括有包括输入巴伦、级间匹配网络、第一级放大器、第二级放大器、两个功率级差分放大器、PCT功率合成器和Envelope injection偏置电路；输入巴伦的两端接第一级放大器的输入端，经级间匹配后与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出经级间匹配后分别接到两路功率级差分放大器，最后由功率合成器将功率传输至负载；输入巴伦输入射频信号；Envelope injection偏置电路的输入端接射频输入信号，输出端接两个功率级差分放大器的偏置端，作为其偏置电压；所述PCT功率合成器为片上PCT变压器结构，包括两个主线圈和一个次线圈，以及与线圈并联的调谐电容；所述Envelope injection偏置电路为提升线性功率的包络检测电路，其包括有：NMOS：M1、M2；PMOS：M3，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3；M2和M3并联连接在M1的输出端，M1和M3之间连接有并联的R2和C2，M1输入端连接有并联的R1和C1，M2和M3的输出端连接有R4，M2和M3的输出端还连接有并联的R3和C3；所述C1的输入端连接接射频输入信号， M2和M3的输出端连接两个功率级差分放大器的偏置端。
2. 如权利要求1所述功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器，其特征在于：所述输入巴伦两端均并联电容。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811374205.0A CN109660211B (zh) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | 功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811374205.0A CN109660211B (zh) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | 功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109660211A CN109660211A (zh) | 2019-04-19 |
| CN109660211B true CN109660211B (zh) | 2023-06-30 |
Family
ID=66111357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811374205.0A Active CN109660211B (zh) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | 功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109660211B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113612456A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-11-05 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种宽带微波功率放大器 |
| CN116243755B (zh) * | 2023-05-09 | 2023-07-25 | 国仪量子(合肥)技术有限公司 | 数据采集装置和数据采集与监控系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102142819A (zh) * | 2011-03-04 | 2011-08-03 | 惠州市正源微电子有限公司 | 基于变压器的射频功率放大器 |
| CN102843107A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-26 | 无锡中科微电子工业技术研究院有限责任公司 | 一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路 |
| CN103795356A (zh) * | 2014-01-21 | 2014-05-14 | 浙江大学 | 一种包络跟踪的射频功率放大器 |
| CN106253864A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-12-21 | 宜确半导体（苏州）有限公司 | 一种射频功率放大器 |
| CN108768312A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-06 | 上海亮牛半导体科技有限公司 | 利用可调电感和改善功率放大器线性度的电路结构及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2948513B1 (fr) * | 2009-07-24 | 2011-09-30 | St Microelectronics Sa | Procede et dispositif d'amplification de puissance d'un signal radiofrequence |
-
2018
- 2018-11-19 CN CN201811374205.0A patent/CN109660211B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102142819A (zh) * | 2011-03-04 | 2011-08-03 | 惠州市正源微电子有限公司 | 基于变压器的射频功率放大器 |
| CN102843107A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-26 | 无锡中科微电子工业技术研究院有限责任公司 | 一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路 |
| CN103795356A (zh) * | 2014-01-21 | 2014-05-14 | 浙江大学 | 一种包络跟踪的射频功率放大器 |
| CN106253864A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-12-21 | 宜确半导体（苏州）有限公司 | 一种射频功率放大器 |
| CN108768312A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-06 | 上海亮牛半导体科技有限公司 | 利用可调电感和改善功率放大器线性度的电路结构及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109660211A (zh) | 2019-04-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108768312B (zh) | 利用可调电感和改善功率放大器线性度的电路结构及方法 | |
| US7688146B2 (en) | Single-ended input to differential-ended output low noise amplifier | |
| CN103595359B (zh) | 一种0.1～5GHz超宽带CMOS功率放大器 | |
| US8175566B2 (en) | Multiple multi-mode low-noise amplifier receiver with shared degenerative inductors | |
| US10601382B2 (en) | Power amplifier circuit | |
| JP2010141673A (ja) | 電力増幅回路 | |
| CN103746665A (zh) | 一种0.1～3GHz CMOS增益可调驱动功率放大器 | |
| WO2023093350A1 (zh) | 射频功率放大器及短报文通信系统 | |
| US10411660B1 (en) | Differential power amplifier | |
| CN111431488A (zh) | 射频功率放大器及通信设备 | |
| CN109660211B (zh) | 功率合成和Envelope injection的5G CMOS射频功率放大器 | |
| Hu et al. | Analysis and design of ultra-wideband low-noise amplifier with input/output bandwidth optimization and single-ended/differential-input reconfigurability | |
| US7603091B2 (en) | Hybrid balun apparatus and receiver comprising the same | |
| Wei et al. | A 35-to-50 GHz CMOS Low-Noise Amplifier with 22.2%-1-dB Fractional Bandwidth and 30.5-dB Maximum Gain for 5G New Radio | |
| KR101590605B1 (ko) | 무선 송수신기용 선형 전력증폭기 | |
| CN107276547B (zh) | 一种单片集成的毫米波开关模式功率放大器电路 | |
| CN112865717A (zh) | 一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器 | |
| JP2013042527A (ja) | 電力増幅回路 | |
| CN210693863U (zh) | 一种基于增强型晶体管的高效率功率放大器 | |
| CN110995183A (zh) | 一种自适应线性化异质结双极晶体管功率放大器 | |
| CN111641391A (zh) | 差分正交输出低噪声放大器 | |
| CN106982033A (zh) | 一种基于升压技术的功率放大器 | |
| CN114362685B (zh) | 一种基于高q值差分耦合技术的功率放大器 | |
| CN210724702U (zh) | 一种分布式有源变压高功率放大器 | |
| CN109660215B (zh) | 一种宽频射频低噪声放大器的集成电路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |