CN110233599A - 基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器 - Google Patents

基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器 Download PDF

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楼立恒
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Abstract

本发明公开了基于CMOS的E‑Band微波F类功率放大器，包括依次连接的前置放大电路、功率放大电路和输出匹配电路；功率放大电路包括MOS管M3和MOS管M4，其栅极分别与变压器T2次级线圈两端连接，源级接地；输出匹配电路包括变压器T3、电容C1和电容C2，变压器T3的初级线圈两端连接到MOS管M3和MOS管M4的漏极，还并联有电容C1；变压器T3的次级线圈两端连接到信号输出端，还并联有电容C2；变压器T3的初级线圈的中点与电源端Vcc连接，变压器T2的次级线圈的中点与偏置端Vg连接；在变压器T2与功率放大电路之间还连接有二次谐波滤波电路。本发明通过集成变压器实现功率合成，通过变压器和电容形成两个谐振腔实现了F类输出，结构紧凑，输出功率及效率高。

Description

基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器
技术领域
本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器。
背景技术
微波是常见的无线通信技术，以其部署快捷、适应性强等特点被广泛应用于各类通信系统的中继和回传。为了适应未来通信网络的需求，E-Band微波(属于毫米波)应运而生，能够应用高频段提供更高的带宽。
由于标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺具有低成本、低功耗和高集成度等特性，CMOS工艺一直吸引着人们的兴趣，随着CMOS工艺特征尺寸缩短到纳米级别，晶体管的特征频率ft和最高振荡频率fmax越来越高(0.13μm CMOS的ft和fmax均大于90GHz)，可以在CMOS工艺上设计和实现毫米波电路。
一个基于CMOS工艺的射频前端电路通常需要高输出功率、高效率和紧凑的功率放大器。为了更有效地提高输出功率，采用功率合成型的功率放大器是个不错的选择。而传统的功率合成常用wilkinson功率合成器，是用传输线和无源器件来做的，面积非常大，无法用于集成。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种结构紧凑、便于集成、输出效率高的基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器。
基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，包括依次连接的前置放大电路、功率放大电路以及输出匹配电路；所述前置放大电路的输入端通过变压器T1与信号输入端Vin耦合，输出端通过变压器T2与功率放大电路的输入端耦合；
所述功率放大电路包括MOS管M3和MOS管M4，所述MOS管M3和MOS管M4的栅极分别与所述变压器T2次级线圈两端连接，源级接地；
所述输出匹配电路包括变压器T3、电容C1和电容C2，所述变压器T3的初级线圈两端连接到所述MOS管M3和MOS管M4的漏极，电容C1并联在所述变压器T3的初级线圈两端；所述变压器T3的次级线圈两端连接到信号输出端Vout，电容C2并联在所述变压器T3的次级线圈两端；
所述变压器T3的初级线圈的中点与电源端Vcc连接，所述变压器T2的次级线圈的中点与偏置端Vg连接；在所述变压器T2与功率放大电路之间还连接有二次谐波滤波电路。
进一步地，所述前置放大电路可以包括多级放大电路，其中第一级放大电路的输入端与信号输入端通过变压器耦合，最后级放大电路的输出端与功率放大电路通过变压器耦合，每一级放大电路之间通过变压器耦合。
进一步地，所述放大电路可包括两个规格相同的MOS管，所述两个MOS管的栅极作为输入端，漏极作为输出端，源极接地。
进一步地，所述二次谐波滤波电路包括电容C3、电容C4和电感L1；所述电容C3一端连接到MOS管M3的栅极，另一端连接到电容C4；所述电容C4未与电容C3连接的一端连接到MOS管M4的栅极；所述电感L1一端连接到电容C3和电容C4之间，另一端接地。
进一步地，在所述变压器T1、变压器T2和变压器T3的外侧设置金属外壳将其包围。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在基于CMOS集成电路制造工艺的E-Band微波F类功率放大器中采用变压器来实现功率合成，相对于现有技术，其体积更小结构更紧凑，便于集成；
2、本发明中变压器T3不仅实现了功率合成，还和两个电容组成两个谐振腔来实现F类输出，有效提高了功率放大器的输出功率和效率；
3、通过在变压器外侧设置用于隔离的金属环，有效降低了片上集成的带变压器的功率放大器对其他电路的干扰。
附图说明
图1为本发明E-Band微波F类功率放大器的电路结构示意图；
图2为实施例1中E-Band微波F类功率放大器的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，如图1所示，包括依次连接的前置放大电路、功率放大电路以及输出匹配电路；所述前置放大电路的输入端通过变压器T1与信号输入端Vin耦合，输出端通过变压器T2与功率放大电路的输入端耦合。
所述功率放大电路包括MOS管M3和MOS管M4，所述MOS管M3和MOS管M4的栅极分别与所述变压器T2次级线圈两端连接，源级接地。
所述输出匹配电路包括变压器T3、电容C1和电容C2，所述变压器T3的初级线圈两端连接到所述MOS管M3和MOS管M4的漏极，电容C1并联在所述变压器T3的初级线圈两端；所述变压器T3的次级线圈两端连接到信号输出端Vout，电容C2并联在所述变压器T3的次级线圈两端。
所述变压器T3的初级线圈的中点与电源端Vcc连接，所述变压器T2的次级线圈的中点与偏置端Vg连接；在所述变压器T2与功率放大电路之间还连接有二次谐波滤波电路。
首先，传统的功率合成器常用wilkinson功率合成器，用传输线和无源器件来做，面积非常大；而由于适用于E-Band微波的高频变压器的体积可以做得非常小，本发明在基于CMOS集成电路制造工艺的F类功率放大器中采用变压器来实现功率合成(通常的变压器由于频率不高，其体积较大，无法用于集成电路)，相对于现有技术，其体积更小结构更紧凑。此外变压器耦合还能实现阻抗变换，使各级放大电路的静态工作点相互独立。所述MOS管M3和MOS管M4的规格相同。
其次，本方案可以通过调节无源器件连接关系与值，使负载网络不仅谐振在载波频率，而且能在一个或者多个谐波上谐振，我们这里是让奇次谐波得到增强，偶次谐波减弱，这样等效MOS管输出近似方波，MOS管近似工作在开关状态，从而提高了功率放大器的输出功率及效率。
作为优化，所述前置放大电路可以包括多级放大电路，其中第一级放大电路的输入端与信号输入端通过变压器耦合，最后级放大电路的输出端与功率放大电路通过变压器耦合，每一级放大电路之间通过变压器耦合。特别地，所述放大电路可包括两个规格相同的MOS管，所述两个MOS管的栅极作为输入端，漏极作为输出端，源极接地。
所述前置放大电路可以采用一级或多级，其结构可以采用与功放级相似的结构，也可以采用其他放大电路结构，只要能实现将输入信号放大的作用即可。这样可以根据实际需要对功率合成前的信号放大程度进行选择。
作为优化，如图2所示，所述二次谐波滤波电路包括电容C3、电容C4和电感L1；所述电容C3一端连接到MOS管M3的栅极，另一端连接到电容C4；所述电容C4未与电容C3连接的一端连接到MOS管M4的栅极；所述电感L1一端连接到电容C3和电容C4之间，另一端接地。
所述二次谐波滤波电路设置在前置放大电路之后，功率放大电路之前，能够在功率合成前先行有效滤除输入信号的二次谐波分量，保留基波以及三次谐波分量，为后级的功率合成以及F类输出提供更好的放大信号。本方案结构紧凑，滤波效率高，便于集成。
作为优化，在所述变压器T1、T2、T3的外侧分别设置金属环将所述变压器包围。
这样一来，可以提供电路隔离度，有效降低片上集成的带变压器的功率放大器对其他电路的干扰。
实施例1：
基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，如图2所示，包括变压器T1、前置放大电路、变压器T2、二次谐波滤波电路、功率放大电路以及输出匹配电路；所述变压器T1初级线圈两端连接到信号输入端Vin，次级线圈两端分别连接到前置放大电路中MOS管M1和MOS管M2的栅极；所述MOS管M1和MOS管M2的源极接地，漏极分别连接到变压器T2的初级线圈两端；所述二次谐波滤波电路的输入端与变压器T2次级线圈两端连接，输出端与末级放大电路中MOS管M3和MOS管M4的栅极连接；所述MOS管M3和MOS管M4的源极接地，漏极分别连接到输出匹配电路中变压器T3的初级线圈两端；所述变压器T3初级线圈两端并联有电容C1，次级线圈两端并联有电容C2；所述变压器T3次级线圈的两端连接到信号输出端Vout；所述变压器T2和变压器T3的初级线圈的中点与电源端Vcc连接，所述变压器T1和变压器T2的次级线圈的中点连接偏置端Vg。所述二次谐波滤波电路包括电容C3、电容C4和电感L1；所述电容C3一端连接到MOS管M3的栅极，另一端连接到电容C4；所述电容C4未与电容C3连接的一端连接到MOS管M4的栅极；所述电感L1一端连接到电容C3和电容C4之间，另一端接地。
关于F类输出的实现，如图2所示，输出匹配电路由一个片上变压器T3与两个电容C1、C2组成，其中主线圈等效电感Lp，次线圈等效电感Ls，变压器耦合系数为k。变压器T3与两电容构成的谐振腔存在两个谐振频率ω1(Lp与C1)、ω2(Ls与C2)，通过调整电感电容最终在输出匹配电路实现基波与三次谐波组合的增强波形，从而实现F类输出。所述ω1和ω2可以用如下式子表示：
设则
上述公式可以看出，谐振频率ω1和ω2由输出匹配电路的参数(变压器主副线圈等效电感、匹配电容以及变压器耦合系数)决定，这些在CMOS工艺下可以通过片上电容以及金属绕线实现。一般来说，ω2/ω1的值可以选择一个较小的奇数，比如可以取3，也可以选5。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，其特征在于，包括依次连接的前置放大电路、功率放大电路以及输出匹配电路；所述前置放大电路的输入端通过变压器T1与信号输入端Vin耦合，输出端通过变压器T2与功率放大电路的输入端耦合；
所述功率放大电路包括MOS管M3和MOS管M4，所述MOS管M3和MOS管M4的栅极分别与所述变压器T2次级线圈两端连接，源级接地；
所述输出匹配电路包括变压器T3、电容C1和电容C2，所述变压器T3的初级线圈两端连接到所述MOS管M3和MOS管M4的漏极，电容C1并联在所述变压器T3的初级线圈两端；所述变压器T3的次级线圈两端连接到信号输出端Vout，电容C2并联在所述变压器T3的次级线圈两端；
所述变压器T3的初级线圈的中点与电源端Vcc连接，所述变压器T2的次级线圈的中点与偏置端Vg连接；在所述变压器T2与功率放大电路之间还连接有二次谐波滤波电路。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，其特征在于：
所述前置放大电路可以包括多级放大电路，其中第一级放大电路的输入端与信号输入端通过变压器耦合，最后级放大电路的输出端与功率放大电路通过变压器耦合，每一级放大电路之间通过变压器耦合。
3.根据权利要求2所述的基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，其特征在于：
所述放大电路可包括两个规格相同的MOS管，所述两个MOS管的栅极作为输入端，漏极作为输出端，源极接地。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，其特征在于：
所述二次谐波滤波电路包括电容C3、电容C4和电感L1；所述电容C3一端连接到MOS管M3的栅极，另一端连接到电容C4；所述电容C4未与电容C3连接的一端连接到MOS管M4的栅极；所述电感L1一端连接到电容C3和电容C4之间，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS的E-Band微波F类功率放大器，其特征在于：
在所述变压器T1、变压器T2和变压器T3的外侧分别设置金属环将其包围。
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WO2023082938A1 (zh) * 2021-11-09 2023-05-19 深圳飞骧科技股份有限公司 射频功率放大器、射频芯片及无线通讯设备
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