CN111130473A - 一种76～81GHz的CMOS全集成功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种76‑81GHz的CMOS全集成功率放大器，该放大器设计了具有高Q值的全集成串联匹配电感和并联谐振电感，用于共源共栅级间匹配来提高功率放大器的OP1dB；此外采用共栅管短路技术，将伪差分结构中共栅管M3和M4的栅极相接，为差分信号创造出了一个良好的交流地提升了电路的输出功率。本发明的CMOS全集成功率放大器，在工作频率78GHz处，当输入信号功率0dBm时，输出信号功率为15.7dBm，输出1dB压缩点（OP1dB）为14.1dBm，饱和输出功率16.5dBm，功率附加效率（PAE）为15%，功率增益22.2dB，能够满足汽车雷达系统的需求。

Description

一种76～81GHz的CMOS全集成功率放大器
技术领域
本发明属于毫米波集成电路设计的技术领域，涉及一种基于55nm CMOS工艺，工作于76～81GHz的全集成功率放大器，可用于5G毫米波汽车雷达收发机系统。
背景技术
随着经济的迅速发展，我国汽车的数量剧增，交通安全已经成为了一个非常严峻的社会问题。如何提高汽车的安全措施是一个世界各国都在研究的一个课题。而汽车雷达对提高汽车行驶的安全性，尤其对于近几年发展的无人驾驶技术来说非常重要。其中毫米波雷达以其探测距离远、反应快、受气候影响小、目标识别能力强等特征，现已逐渐成为现代汽车雷达研发的重要方向。
目前，77.5-78GHz被划分为无线电定位服务，以支持毫米波雷达的发展，这使得整个76-81GHz频段都可用于车载雷达系统。该频段车载雷达带宽更大、分辨率更高、抗干扰能力强，且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署，而在汽车毫米波雷达中，占据收发机主要功耗的功率放大器的设计就极为重要。
随着半导体工艺器件的发展，CMOS工艺特征尺寸不断地减小，晶体管特征频率ft和单位增益频率fmax逐渐变大，这使得硅基毫米波集成电路得以实现。由于CMOS工艺具有集成度高、成本低，容易实现大规模部署等特征，现已逐渐成为毫米波电路设计的主流工艺。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于55nm CMOS工艺技术，工作频段为76～81GHz的全集成功率放大器。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种76～81GHz的CMOS全集成功率放大器，由MOSFET器件和无源器件相结合组成的电路，电路结构由输入变压器、驱动级电路、级间变压器、功率级电路和输出变压器组成。
设计了具有高Q值的全集成串联匹配电感和并联谐振电感，用于共源共栅级间匹配来提高功率放大器的OP1dB；采用共栅管短路技术将伪差分结构中共栅管M3和M4的栅极相接，为差分信号创造出了一个良好的交流地提升了电路的输出功率。其具体形式为：
单端信号输入端RFIN与输入变压器TIN初级线圈一端相连，输入变压器TIN初级线圈的另一端接地；输入变压器TIN次级线圈的几何中心位置与第一偏置电压Vb1相连，输入变压器TIN次级线圈的一端与第一晶体管M1的栅端相连，输入变压器TIN次级线圈的另一端与第二晶体管M2的栅端相连；
第一晶体管M1的栅极与第一电容C1的一端相接，第一电容C1的另一端与第二晶体管M2的漏极相接；第二晶体管M2的栅极与第二电容C2的一端相接，第二电容C2的另一端与第一晶体管M1的漏极相接；第一晶体管M1的源极和第二晶体管M2的源极相连共同接地；电感LM3的一端与第一晶体管M1的漏极相接，电感LM3的另一端与第二晶体管M2的漏极相接；电感LM1的一端与第一晶体管M1的漏极相接，电感LM1的另一端与第三晶体管M3的源极相接；电感LM2的一端与第二晶体管M2的漏极相接，电感LM2的另一端与第四晶体管M4的源极相接；第三晶体管M3的栅极接在第一电阻R1的一端，同时与第四晶体管的栅极相接，第一电阻R1的另一端与第二偏置电压Vb2相接；第四晶体管M4的栅极接在第二电阻R2的一端，同时与第三晶体管栅极相接，第二电阻R2的另一端与第二偏置电压Vb2相接；
第三晶体管M3的漏极与级间变压器TM初级线圈的一端相接，级间变压器TM初级线圈的另一端与第四晶体管M4的漏极相接；级间变压器TM初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；级间变压器TM次级线圈一端与第五晶体管M5的栅极相接，级间变压器TM次级线圈的另一端与第六晶体管M6的栅极相接；级间变压器TM次级线圈的几何中心位置与第三偏置电压Vb3相接；
第五晶体管M5的栅极与第三电容C3的一端相接，第三电容C3的另一端与第六晶体管M6的漏极相接；第六晶体管M6的栅极与第四电容C4的一端相接，第四电容C4的另一端与第五晶体管M5的漏极相接；第五晶体管M5的源极和第六晶体管M6的源极相连共同接地；电感LM6的一端与第五晶体管M5的漏极相接，电感LM6的另一端与第六晶体管M6的漏极相接；电感LM4的一端与第五晶体管M5的漏极相接，电感LM4的另一端与第七晶体管M7的源极相接；电感LM5的一端与第六晶体管M6的漏极相接，电感LM5的另一端与第八晶体管M8的源极相接；第七晶体管M7的栅极接在第三电阻R3的一端，同时与第八晶体管的栅极相接，第三电阻R3的另一端与第四偏置电压Vb4相接；第八晶体管的栅极接在第四电阻R4的一端，同时与第七晶体管栅极相接，第四电阻R4的另一端与第四偏置电压Vb4相接；
第七晶体管M7的漏极与输出变压器TO初级线圈的一端相接，输出变压器TO初级线圈的另一端与第八晶体管M8的漏极相接；输出变压器TO初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；输出变压器TO次级线圈的一端接单端信号输出端RFOUT，输出变压器TO次级线圈的另一端接地。
本发明的优点在于：
1)采用自建模高Q值全集成电感用于共源共栅级间匹配
本发明设计了高Q值全集成电感，在共源管与共栅管之间引入串联匹配电感和并联谐振电感，即在共源共栅级间(M1和M3之间)插入串联匹配电感LM1，LM2，和并联谐振电感LM3组成一个匹配网络以实现差分共源管(M1)漏端阻抗与共栅管(M3)源端阻抗之间的匹配，功率放大器的输出1dB压缩点(OP1dB)提升了2dBm。设计的全集成电感LM1、LM2和LM3的Q值分别为29、29和18，高于传统的片外电感。
2)共栅管短路方法
在毫米波电路设计中，采用共源共栅结构通常可以实现较高的最大稳定性增益，然而实际电路设计中，共栅管栅端阻抗存在负阻，会引起电路振荡，通常需要接正的偏置电阻R来消除这一问题，然而使用较大的电阻会减小输出电流。
本发明采用共栅管短路方法，即将伪差分结构中共栅管M3和M4的栅极相接，为差分信号创造出了一个良好的交流地，这样偏置电阻的阻值不会影响电路的增益。在78GHz处，使用共栅极短路技术可以使最大稳定性增益提升10.7dB。
附图说明
图1为本发明电路图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。
实施例
参阅图1，通过对MOSFET仿真结果的比较总结，得出了MOSFET的最佳静态工作点，在晶体管栅源之间的电压为0.75V的条件下ft为162GHz。构建差分级共源共栅电路，取共源管栅极偏置电压Vb1＝0.75V，电源电压AVDD＝2.5V，为了使晶体管偏置在AB类，取共栅管的偏置稍低于电源电压Vb2＝1.9V，借助ADS软件中的负载牵引技术(loadpull)进行前仿真，初步得到晶体管M5、M6、M7和M8的最优尺寸。第一晶体管M1的尺寸和第二晶体管M2的尺寸一样；第三晶体管M3的尺寸和第四晶体管M4的尺寸一样。第五晶体管M5的尺寸和第六晶体管M6的尺寸一样；第七晶体管M7的尺寸和第八晶体管M8的尺寸一样。将第二电阻R2的阻值设为5K欧姆。驱动级晶体管M1、M2、M3、M4的尺寸需要根据仿真结果来确定，尺寸过大会使功率级输出饱和，尺寸偏小会使电路输出增益不够。第一电阻R1的阻值与第二电阻R2的阻值一样。级间匹配电感的感值大小需要根据功率放大器的OP1dB仿真来确定。中和电容的容值需要根据电路的最大稳定性增益和稳定因子Kf的仿真来确定。本实施例所有器件尺寸见表1。
表1
器件名 尺寸 器件名 尺寸
M1 0.06μm*1μm*48 L1 45pH
M2 0.06μm*1μm*48 L2 99pH
M3 0.06μm*1μm*48 L3 234pH
M4 0.06μm*1μm*48 L4 66pH
M5 0.06μm*1μm*76 L5 135pH
M6 0.06μm*1μm*76 L6 100pH
M7 0.06μm*1μm*76 L<sub>M1</sub> 110pH
M8 0.06μm*1μm*76 L<sub>M2</sub> 110pH
R1 5kΩ L<sub>M3</sub> 200pH
R2 5kΩ L<sub>M4</sub> 45pH
R3 5kΩ L<sub>M5</sub> 45pH
R4 5kΩ L<sub>M6</sub> 180pH

Claims (1)

1.一种76-81GHz的CMOS全集成功率放大器，其特征在于，该功率放大器包括输入变压器、驱动级电路、级间变压器、功率级电路和输出变压器，单端信号输入端RFIN与输入变压器TIN初级线圈一端相连，输入变压器TIN初级线圈的另一端接地；输入变压器TIN次级线圈的几何中心位置与第一偏置电压Vb1相连，输入变压器TIN次级线圈的一端与第一晶体管M1的栅端相连，输入变压器TIN次级线圈的另一端与第二晶体管M2的栅端相连；
第一晶体管M1的栅极与第一电容C1的一端相接，第一电容C1的另一端与第二晶体管M2的漏极相接；第二晶体管M2的栅极与第二电容C2的一端相接，第二电容C2的另一端与第一晶体管M1的漏极相接；第一晶体管M1的源极和第二晶体管M2的源极相连共同接地；电感LM3的一端与第一晶体管M1的漏极相接，电感LM3的另一端与第二晶体管M2的漏极相接；电感LM1的一端与第一晶体管M1的漏极相接，电感LM1的另一端与第三晶体管M3的源极相接；电感LM2的一端与第二晶体管M2的漏极相接，电感LM2的另一端与第四晶体管M4的源极相接；第三晶体管M3的栅极接在第一电阻R1的一端，同时与第四晶体管的栅极相接，第一电阻R1的另一端与第二偏置电压Vb2相接；第四晶体管M4的栅极接在第二电阻R2的一端，同时与第三晶体管栅极相接，第二电阻R2的另一端与第二偏置电压Vb2相接；
第三晶体管M3的漏极与级间变压器TM初级线圈的一端相接，级间变压器TM初级线圈的另一端与第四晶体管M4的漏极相接；级间变压器TM初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；级间变压器TM次级线圈一端与第五晶体管M5的栅极相接，级间变压器TM次级线圈的另一端与第六晶体管M6的栅极相接；级间变压器TM次级线圈的几何中心位置与第三偏置电压Vb3相接；
第五晶体管M5的栅极与第三电容C3的一端相接，第三电容C3的另一端与第六晶体管M6的漏极相接；第六晶体管M6的栅极与第四电容C4的一端相接，第四电容C4的另一端与第五晶体管M5的漏极相接；第五晶体管M5的源极和第六晶体管M6的源极相连共同接地；电感LM6的一端与第五晶体管M5的漏极相接，电感LM6的另一端与第六晶体管M6的漏极相接；电感LM4的一端与第五晶体管M5的漏极相接，电感LM4的另一端与第七晶体管M7的源极相接；电感LM5的一端与第六晶体管M6的漏极相接，电感LM5的另一端与第八晶体管M8的源极相接；第七晶体管M7的栅极接在第三电阻R3的一端，同时与第八晶体管的栅极相接，第三电阻R3的另一端与第四偏置电压Vb4相接；第八晶体管的栅极接在第四电阻R4的一端，同时与第七晶体管栅极相接，第四电阻R4的另一端与第四偏置电压Vb4相接；
第七晶体管M7的漏极与输出变压器TO初级线圈的一端相接，输出变压器TO初级线圈的另一端与第八晶体管M8的漏极相接；输出变压器TO初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；输出变压器TO次级线圈的一端接单端信号输出端RFOUT，输出变压器TO次级线圈的另一端接地。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824410A (zh) * 2021-09-28 2021-12-21 华南理工大学 一种功率放大器
CN116633282A (zh) * 2023-06-16 2023-08-22 上海韬润半导体有限公司 一种偏置电路及功率放大器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130234798A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-12 Fujitsu Limited Amplifier and amplification method
WO2015042643A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 The University Of Melbourne A multi-stage cmos amplifier circuit
CN104935266A (zh) * 2015-06-19 2015-09-23 华东师范大学 一种工作于71～76GHz的CMOS全集成伪差分低噪声放大器
CN105024652A (zh) * 2015-07-08 2015-11-04 华东师范大学 一种基于65nm CMOS工艺的81-86GHz全集成差分功率放大器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130234798A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-12 Fujitsu Limited Amplifier and amplification method
WO2015042643A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 The University Of Melbourne A multi-stage cmos amplifier circuit
CN104935266A (zh) * 2015-06-19 2015-09-23 华东师范大学 一种工作于71～76GHz的CMOS全集成伪差分低噪声放大器
CN105024652A (zh) * 2015-07-08 2015-11-04 华东师范大学 一种基于65nm CMOS工艺的81-86GHz全集成差分功率放大器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马和良;陈元盈;沈怿皓;张润曦;俞建国;赖宗声;: "433MHz ASK接收机中低噪声放大器的设计", 电子器件, no. 04 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824410A (zh) * 2021-09-28 2021-12-21 华南理工大学 一种功率放大器
CN116633282A (zh) * 2023-06-16 2023-08-22 上海韬润半导体有限公司 一种偏置电路及功率放大器

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