CN115314014A

CN115314014A - 一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器

Info

Publication number: CN115314014A
Application number: CN202211237865.0A
Authority: CN
Inventors: 林鑫; 郭春炳; 杜志侠; 严家树; 肖亦成; 邱鼎; 陈思宇; 孔祥键
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2042-10-11
Also published as: CN115314014B

Abstract

本发明公开了一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，包括：输入信号接入输入匹配电路，经过输入巴伦转换为差分信号；差分信号经放大电路放大后，与电压合成式的八路变压器相连；八路变压器包括四组初级线圈和一组次级线圈；四组初级线圈和一组次级线圈均由同层金属制作；初级线圈与次级线圈匝数比为2：1；四组初级线圈分别接受一对差分信号；变压器相邻端口并联一个输出匹配电容CL；自适应偏置电路给放大电路提供偏置电压。本发明提供一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，用于解决因传统变压器损耗高导致功率放大器效率降低的问题以及硅基功率放大器难以实现高输出功率和避免温度变化带来的性能下降问题。

Description

一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器。

背景技术

随着时代的发展以及更迭，无线通信的使用越来越深入到人们的日常生活中，例如蓝牙、无线局域网（WIFI）和全球卫星定位定位系统等技术。收发机作为实现无线通信的重要设备，而功率放大器又在收发机中扮演着极其重要的角色。

目前主流的功率放大器设计工艺为GaAs和GaN，因为其具有良好的射频性能和能够承受大功率的输出。但是采用主流设计工艺会难以集成整个收发机芯片，面临成本高的问题。硅基工艺设计具有高集成度的优点，但是采用硅基工艺设计功率放大器依然是一个具有挑战性的任务。首先是因为采用硅基工艺设计会面临一个无源器件损耗大的问题，从而导致功率放大器的效率下降。其次，为了提高硅基工艺晶体管的工作频率，需要通过减小晶体管的特征尺寸来提高其射频性能。这样会导致硅基晶体管的击穿电压进一步下降，使基于硅基工艺的功率放大器难以实现输出大功率的效果。采用堆叠式功率放大器和采用功率合成技术是目前能够有效解决问题的一种方法。

目前主流的双路功率合成方式是威尔金森合成器，但是威尔金森合成器所占用的面积大，若是更多路进行合成，所占用的面积会更大。采用片上变压器进行多路合成是一个能够有效节省面积的方法，并且片上变压器具有更大的设计自由度。但是采用片上变压器进行多路合成会面临高损耗的问题。

当工作电路的环境温度发生变化时，晶体管的阈值电压会随着环境温度的变化而发生变化。当阈值电压发生变化，偏置电压不变时，会使电路工作状态发生改变，使电路性能下降。采用自适应偏置电路能够有效解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，用于由于传统变压器损耗高导致功率放大器效率降低的问题，以及硅基功率放大器难以实现高输出功率的缺点和避免温度变化带来的性能下降问题。

为此，本发明的公开了一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，包括：

依次连接的输入匹配电路、放大电路、八路变压器；

输入信号接入输入匹配电路，经过输入巴伦转换为差分信号；差分信号经放大电路放大后，与电压合成式的八路变压器相连；

所述八路变压器包括四组初级线圈和一组次级线圈；四组所述初级线圈和一组所述次级线圈均由同层金属制作；

初级线圈与次级线圈匝数比为2：1；四组初级线圈分别接受一对差分信号；次级线圈N9到N10部分的两端接到负载两端；在每组初级线圈的中点为虚拟地点，在这个点接入供电电压VDD给电路进行供电；

变压器相邻端口并联一个输出匹配电容CL；自适应偏置电路给放大电路提供偏置电压；一组初级线圈在一端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达右侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回右侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达初级线圈的另外一端，完成一组初级线圈的绕线。

优选地，初级线圈、次级线圈均是采用低损耗的金属层制作而成；每组初级线圈接入一组经放大电路放大后的差分信号。

优选地，放大电路包括A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；放大电路方面，采用的是堆叠式晶体管结构；A2和A5通过第一组初级线圈形成一组差分放大电路PA1；A4和A7通过第二组初级线圈形成一组差分放大电路PA2；A6和A1通过第三组初级线圈形成一组差分放大电路PA3；A8和A3通过第四组初级线圈形成一组差分放大电路PA4;并在各组初级线圈的中点，即虚地点完成对功率放大器的供电。

优选地，放大电路包括：将晶体管M1、M2、M3的源端接到GND上，并将M1、M2、M3的漏端相接在一起；将晶体管M4的源端接到晶体管M1、M2、M3的漏端上，将晶体管M5的源端接到晶体管M4的漏端上，晶体管M5的漏端则接到变压器的一端；偏置电压Vb1、Vb2和Vb3分别通过偏置电阻Rb1、Rb2、Rb3、Rb4、Rb5接到晶体管M1、M2、M3、M4、M5的栅端；并在晶体管M4、M5的栅端并联接入电容C2、C3，使晶体管在工作时能够在漏源端均匀分压；输入信号通过输入匹配网络之后通过隔直电容Cb接入到晶体管M1、M2、M3的栅端。

优选地，自适应偏置电路由电阻R1、R2、R3和二极管连接的晶体管Mb1、Mb2、Mb3组成；将二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3与晶体管M1、M2、M3交叉排列。

优选地，当温度上升时，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3和晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压都是同时下降，使流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，电路能够继续正常工作。

优选地，当温度下降时，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3和晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压都是同时上升，流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，电路能够继续正常工作。

本发明通过采用堆叠式晶体管结构来提高功率放大器的输出功率，并且采用自适应偏置能够有效防止堆叠式晶体管因温度发生变化时偏离正常工作状态；本发明通过将初级线圈与次级线圈匝数比为2：1；四组初级线圈分别接受一对差分信号；从而通过使用高匝数比片上八路变压器进行合成，高匝数比更加易于匹配，并且能够更加提高功率放大器的输出功率，有效解决CMOS器件难以输出高功率的问题。本发明的基于片上低损耗八路变压器功率合成的功率放大器电路。初级次级都是由于同层低损耗金属制作，所以这个变压器损耗低。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，标示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开了一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器的原理图；

图2为本发明中放大电路、匹配电容以及变压器的电路连接图；

图3为本发明中低损耗八路变压器的平面示意图；

图4为图1中的放大电路A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和自适应偏置电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一种该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明的公开了一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，参见图1-4，包括：依次连接的输入匹配电路、放大电路、八路变压器；

八路变压器包括四组初级线圈和一组次级线圈；四组初级线圈和一组次级线圈均由同层金属制作；

本发明通过采用堆叠式晶体管结构来提高功率放大器的输出功率，并且采用自适应偏置能够有效防止堆叠式晶体管因温度发生变化时偏离正常工作状态；通过使用高匝数比片上八路变压器进行合成，高匝数比更加易于匹配，并且能够更加提高功率放大器的输出功率，有效解决CMOS器件难以输出高功率的问题。本发明的基于片上低损耗八路变压器功率合成的功率放大器电路。

具体地，优选地，一组初级线圈在一端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达右侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回右侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达初级线圈的另外一端，完成一组初级线圈的绕线。通过将每段初级线圈绕线圈的方式，为变压器提供了更大的阻抗转换比，更加易于实现阻抗匹配。

初级线圈以顺时针方向依次设组为第一组初级线圈N2到N5部分、第二组初级线圈N4到N7部分、第三组初级线圈N6到N1部分、第四组初级线圈N8到N3部分。四组初级线圈分别接受一对差分信号。而次级线圈N9到N10部分的两端接到负载两端。在每组初级线圈的中点为虚拟地点，可以在这个点接入供电电压VDD给电路进行供电。每组初级线圈接入一组经放大电路放大后的差分信号。

进一步地，第一组初级线圈在N2端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达右侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回右侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达N5，完成第一组初级线圈的绕线。

进一步地，第二组初级线圈在N4端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达下侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回下侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达N7，完成第二组初级线圈的绕线。

进一步地，第三组初级线圈在N6端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达左侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回左侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达N1，完成第三组初级线圈的绕线。

进一步地，第四组初级线圈在N8端使用低损耗金属层制作到同侧次级线圈中点时，会通过同层低损耗金属绕圈进入同侧次级线圈的内部进行走线，经过一个拐角后到达右侧次级线圈的中点后，通过不同层金属绕线圈返回上侧次级线圈的外部，然后继续使用低损耗金属制作到达N3，完成第四组初级线圈的绕线。

进一步地，次级线圈在N9位置使用低损耗金属制作，在到达每一侧的中点附近位置时，通过不同层金属进行制作避免与初级线圈相连，随后接着使用同层低损耗金属绕线，绕线一圈后，到达N10后，完成次级线圈的绕线。

具体地，四路差分，即八路输出的子功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4的输出端口分别并联电容C1、C2、C3、C4后，接入变压器。变压器与并联电容完成阻抗变换后，四路差分信号通过变压器耦合到负载RL完成功率合成和信号的输出。

优选地，初级线圈、次级线圈均是采用低损耗的金属层制作而成；每组初级线圈接入一组经放大电路放大后的差分信号。初级和次级线圈都使用低损耗的金属层制作，可以提高效率，适用于无线通信中。

优选地，放大电路包括A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；放大电路方面，采用的是堆叠式晶体管结构；A2和A5通过第一组初级线圈形成一组差分放大电路PA1；A4和A7通过第二组初级线圈形成一组差分放大电路PA2；A6和A1通过第三组初级线圈形成一组差分放大电路PA3；A8和A3通过第四组初级线圈形成一组差分放大电路PA4;并在各组初级线圈的中点，即虚地点完成对功率放大器的供电。在放大电路方面，采用的是堆叠式晶体管结构，可以通过提高工作电压来实现输出功率的提高。放大电路A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8采用同样的电路结构，方便技术人员连接和设计。

优选地，自适应偏置电路由电阻R1、R2、R3和二极管连接的晶体管Mb1、Mb2、Mb3组成；将二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3与晶体管M1、M2、M3交叉排列，使二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3与晶体管M1、M2、M3拥有一个相同的环境温度。电阻R1、R2、R3的阻值很大，能够很好的限制因为二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3发生变化而导致的电流变化，从而使偏置电路生成一个稳定的电流。将二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3与晶体管M1、M2、M3交叉排列是为了让两者有一个相同的环境温度，从而让偏置电路随着晶体管M1、M2、M3的温度变化调整偏置电压。

优选地，当温度上升时，晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压下降，若偏置电压Vb1、Vb2和Vb3不变时，流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流变大，影响电路的正常工作。但是自适应偏置电路中的电流不变，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3会因为阈值电压下降，导致偏置电路分压下降，使产生的偏置电压Vb1、Vb2和Vb3下降。晶体管流过的电流是由（偏置电压-阈值电压）决定。晶体管的偏置电压和阈值电压同时下降，使流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，使电路能够继续正常工作。

优选地，当温度下降时，晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压上升，若偏置电压Vb1、Vb2和Vb3不变时，流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流变小，影响电路的正常工作。但是自适应偏置电路中的电流不变，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3会因为阈值电压上升，导致偏置电路分压上升，使产生的偏置电压Vb1、Vb2和Vb3上升。晶体管流过的电流是由（偏置电压-阈值电压）决定。晶体管的偏置电压和阈值电压同时下降使流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，使电路能够继续正常工作。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，包括：依次连接的输入匹配电路、放大电路、八路变压器；

所述八路变压器包括四组初级线圈和一组次级线圈，四组所述初级线圈和一组所述次级线圈均由同层金属制作；

2.根据权利要求1所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，

初级线圈、次级线圈均是采用低损耗的金属层制作而成；每组初级线圈接入一组经放大电路放大后的差分信号。

3.根据权利要求1所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，包括：放大电路包括A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；放大电路方面，采用的是堆叠式晶体管结构；A2和A5通过第一组初级线圈形成一组差分放大电路PA1；A4和A7通过第二组初级线圈形成一组差分放大电路PA2；A6和A1通过第三组初级线圈形成一组差分放大电路PA3；A8和A3通过第四组初级线圈形成一组差分放大电路PA4;并在各组初级线圈的中点，即虚地点完成对功率放大器的供电。

4.根据权利要求1所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，放大电路包括：将晶体管M1、M2、M3的源端接到GND上，并将M1、M2、M3的漏端相接在一起；将晶体管M4的源端接到晶体管M1、M2、M3的漏端上，将晶体管M5的源端接到晶体管M4的漏端上，晶体管M5的漏端则接到变压器的一端；偏置电压Vb1、Vb2和Vb3分别通过偏置电阻Rb1、Rb2、Rb3、Rb4、Rb5接到晶体管M1、M2、M3、M4、M5的栅端；并在晶体管M4、M5的栅端并联接入电容C2、C3，使晶体管在工作时能够在漏源端均匀分压；输入信号通过输入匹配网络之后通过隔直电容Cb接入到晶体管M1、M2、M3的栅端。

5.根据权利要求4所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，自适应偏置电路由电阻R1、R2、R3和二极管连接的晶体管Mb1、Mb2、Mb3组成；将二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3与晶体管M1、M2、M3交叉排列。

6.根据权利要求5所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，当温度上升时，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3和晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压都是同时下降，使流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，电路能够继续正常工作。

7.根据权利要求5所述的一种采用自适应偏置的八路合成堆叠式功率放大器，其特征在于，当温度下降时，二极管连接型晶体管Mb1、Mb2、Mb3和晶体管M1、M2、M3、M4、M5的阈值电压都是同时上升，流过晶体管M1、M2、M3、M4、M5的电流保持不变，电路能够继续正常工作。