CN112737520A - 一种使用片外传输线路的cmos射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，输入巴伦、D类驱动级放大器电路、E类功率级放大器电路以及PCB上片上传输线变压器电路；该放大器通过应用在印刷电路板（PCB）上的传输线变压器，使其用作输出功率合成器和匹配电路。这种电路结构与在片上的传输线变压器相比，可以有效地克服硅衬底上的损耗，提高功率放大器的效率。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，尤其是射频功率放大器，尤其涉及一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器。
背景技术
无线通讯应用领域的收发架构和系统正逐渐向高集成度、低功耗、低成本的方向发展。射频功率放大器是无线通信系统中的重要模块之一，其性能的好坏直接影响整个通信系统能否正常工作并提供优质的服务。在许多移动通信发射机中，CMOS功率放大器(PA)可以方便地与各种数字控制电路集成，这对系统的小型化是十分有益的。
近些年来，随着CMOS制造工艺的快速发展，CMOS工艺的低功耗、低成本、高集成以及高灵活度等特点，使得CMOS有源器件的输出功率可以与砷化镓工艺相媲美，因此使用CMOS有源器件实现功率放大器已成为一种趋势。
随着无线射频技术的发展，通常将射频或微波无源器件集成在与CMOS工艺兼容的单片微波集成电路中。但是在低阻硅衬底上制备CPW、电感等元器件，随着频率的升高产生很大的损耗导致无法正常工作。为实现硅衬底上的低损耗特性，人们做出了很多努力，如用高阻硅衬底制备微波无源器件；在低阻硅上淀积二氧化硅厚膜绝缘层等。这些工艺不仅增加工艺复杂性，而且随着频率的升高，衬底存在的少量的电导率仍会引起信号导波模耦合进入衬底而产生较大的损耗。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，通过应用在印刷电路板（PCB）上的传输线变压器，使其用作输出功率合成器和匹配电路。这种电路结构与在片上的传输线变压器相比，可以有效地克服硅衬底上的损耗，提高功率放大器的效率。
本发明提出的应用片外变压器实现射频功率放大器的效率的方案原理图如图1所示。一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，主要有四个部分：输入巴伦、D类驱动级放大器电路、E类功率级放大器电路以及PCB上片上传输线变压器电路； D类驱动级是由经典的D类放大器串联组合而成，每一个D类放大器链包含3个相同的D类放大器；每个D类放大器的输入和输出通过反馈电阻器Rf连接，每一个D类放大器之间是通过隔直电容器CB级联；两个D类放大器链的供电电压全部为VDD1；功率级的放大是采用两个差分的E类放大器，在每个E类放大器的输出端并联电容CD，并且E类放大器的输出端与片外传输线变压器的输入端相连；每一个变压器由两条传输线组成，两个变压器串联在一起，可以实现功率组合的功能；其中，输入巴伦在输入端用于差分信号；驱动级由D类放大器链组成并给功率级提供方波信号；功率级采用差分E类放大器结构，以避免由于接地金属线和键合线而导致的增益降低；片外传输线变压器作为功率合成器和阻抗匹配；另外，利用片外传输线变压器的寄生电感和电容，以及附加的并联电容CD，可以调整每个功率晶体管的负载阻抗匹配。通过调节并联电容CD和变压器的长度和宽度，达到需要的输出功率。
RF信号输入到单输入双输出的输入巴伦，输入巴伦将信号差分为两部分信号；差分的信号分别输入到后面的两路D类驱动级放大器链，该驱动级将输入信号放大为方波信号提供给功率级放大器；E类功率级放大器的M2晶体管是作为开关管工作的，并且供电电压是由变压器的主要部件的VDD2提供，通过VBIAS控制偏置电压实现对接收到的驱动级的功率进行放大；片外传输线变压器的结构如图2所示，功率级中每个E类放大器的输出端与片外传输线变压器的主要部分的输入端相连，片外传输线变压器将功率级的输出功率组合并输出到负载上。
输入巴伦不仅可以作为输出的差分，还可以通过调整微带线的耦合系数进行阻抗匹配。因此，调节输入巴伦的耦合系数和增加并联电容实现输入巴伦信号的差分和阻抗匹配。每个D类放大器的输入和输出连接的反馈电阻器Rf，是方便将输出的偏置电压均衡到输入的偏置电压。D类放大器通过隔直电容器CB级联可以分离每个D类放大器的偏置电压。输入的RF信号经过两条D类放大器链路放大以后的输出功率差分输入到E类功率级的两个E类功率放大器的M2晶体管。E类功率放大器利用变压器的寄生电感和电容以及附加的并联电容器调节功率放大器的阻抗匹配，实现最大功率输出。两个E类功率放大器的最大功率同时输出到片外传输线变压器的两个输入端，在变压器上实现组合放大。最后，将输出的功率输出到负载上。
一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，实现了一种高效率的CMOS功率放大器结构，通过使用片外变压器解决的使用片上变压器结构带来的衬底损耗，提升了功率放大器的效率。该结构使用变压器作为输出功率合成器并且调节变压器的长度和宽度利用变压器自身的寄生电容和电感作为E类放大器的输出匹配网络，节省了电路所占用的面积。
附图说明
图1是应用片外变压器实现功率放大器的整体原理图；
图2是片外传输线变压器结构；
图3是驱动级级联D类放大器结构；
图4是功率级放大器结构。
具体实施方式
本发明提出的应用片外变压器实现射频功率放大器的效率的方案原理图如图1所示。整体的功率放大器的结构被设计为差分结构，以防止由于周围的金属线和邦定线引起的增益下降。变压器与芯片上的共栅晶体管M1的漏极连接，没有额外的片外匹配组件。
片外传输线变压器的结构简图如图2所示。理想情况下，变压器次级元件的磁感应电流与初级元件的磁感应电流相同。每个主元件的两个端子之间的交流电压加在次级元件上。因此在每个功率晶体管的输出端可以等效的看作变压器把50Ω的负载Rload平均分为四个12.5Ω的负载。在实际的情况中，通过调整变压器的长度和宽度以及并联的电容大小，来达到输出负载的匹配，从而达最大的功率输出。负载阻抗的匹配值通过负载牵引的方式获得，然后根据得到的阻抗匹配值来调节变压器的参数和电容大小。
D类驱动级的电路结构如图3所示。驱动级电路的输入端应用变压器巴伦来提供差分信号。驱动级由D类放大器链组成给功率级提供方波信号，同时使D类放大器的输入输出偏置在VDD1和GND的中点处，以达到最高的增益效果。各D类放大器的输入和输出通过反馈电阻RF连接，使输出的偏置与输入的偏置相等。D类放大器通过隔直电容CB级联分离每个放大器的偏置。当输入端口的功率超过-3dbm时，驱动级被设计成产生方波信号。每个D类放大器的晶体管都比之前的D类放大器大两倍。
功率级的电路结构如图4所示。功率级采用共源共栅E类放大器结构，M2晶体管的栅极为放大器的差分输入端，漏极接地。电源级的供电电压通过变压器主部件的中心提供，该主部件为虚拟接地，VDD2为E类功率放大器的输入电压。图4中AB两点作为供电电压输入同时也是功率放大器的输出端。功率级的输出匹配网络设计为E类，并且将集成的电容CD连接在差分功率晶体管M1的漏端。功率放大器的输出端和片外传输线变压器的输入端连接，利用变压器的寄生电感和电容以及附加的并联电容器调节功率放大器的阻抗匹配，实现最大功率输出。电容CD和变压器的主要部分作为功率放大器的输出匹配网络，利用负载牵引的方法得到阻抗匹配的值并同时调节电容和变压器的长度和宽度使功率放大器和输出负载的阻抗匹配。
Claims (2)
1.一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，其特征在于：主要有四个部分：输入巴伦、D类驱动级放大器电路、E类功率级放大器电路以及PCB上片上传输线变压器电路； D类驱动级是由经典的D类放大器串联组合而成，每一个D类放大器链包含3个相同的D类放大器；每个D类放大器的输入和输出通过反馈电阻器Rf连接，每一个D类放大器之间是通过隔直电容器CB级联；两个D类放大器链的供电电压全部为VDD1；功率级的放大是采用两个差分的E类放大器，在每个E类放大器的输出端并联电容CD，并且E类放大器的输出端与片外传输线变压器的输入端相连；每一个变压器由两条传输线组成，两个变压器串联在一起，可以实现功率组合的功能。
2.根据权利要求所述一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，其特征在于：输入巴伦在输入端用于差分信号；驱动级由D类放大器链组成并给功率级提供方波信号；功率级采用差分E类放大器结构，以避免由于接地金属线和键合线而导致的增益降低；片外传输线变压器作为功率合成器和阻抗匹配；另外，利用片外传输线变压器的寄生电感和电容，以及附加的并联电容CD，可以调整每个功率晶体管的负载阻抗匹配，通过调节并联电容CD和变压器的长度和宽度，达到需要的输出功率。
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