CN117792295A - 射频放大器及无线终端 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线通信领域，公开了一种射频放大器及无线终端。该射频放大器包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电容器、第二电容器，以及输出匹配电路，第一晶体管和第二晶体管为差分放大器的共源晶体管；第三晶体管和第四晶体管为差分放大器的共栅晶体管；第一晶体管和第二晶体管产生的电流信号流入第三晶体管和第四晶体管的源极，从第三晶体管和第四晶体管的漏极输出，输出匹配电路把第三晶体管和第四晶体管输出的差分信号传输至后级模块或天线；并且，第一电容器和第二电容器分别交叉连接至第三晶体管和第四晶体管的漏极和源极，以在共栅晶体管的漏极与源极间加入差分耦合电容对。本申请能够提供更好的线性度。

Description

射频放大器及无线终端

技术领域

本申请涉及无线通信领域，特别涉及无线终端的功率放大器技术。

背景技术

射频功率放大器(RF PA)在通信系统中有十分广泛的应用，它是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大前级缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。由此可见，射频功率放大器在通信系统中具有十分重要的作用。

然而，目前的射频功率放大器的性能仍然无法完全满足市场需要，因此具有进一步提升的空间。

具体地说，作为射频放大器的关键指标之一的线性度，目前仍然不够令人满意。

发明内容

本申请的目的在于提供一种射频放大器及无线终端，能够提供更好的线性度。

本申请公开了一种射频放大器，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电容器、第二电容器，以及输出匹配电路，其中：

所述第一晶体管和第二晶体管为差分放大器的共源晶体管；

所述第三晶体管和第四晶体管为差分放大器的共栅晶体管；

所述第一晶体管和第二晶体管产生的电流信号分别流入所述第三晶体管和第四晶体管的源极，从所述第三晶体管和第四晶体管的漏极输出，所述输出匹配电路把第三晶体管和第四晶体管输出的差分信号输出至后级模块或天线；并且，

所述第一电容器连接在所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的源极之间，所述第二电容器连接在所述第三晶体管的源极和所述第四晶体管的漏极之间，以在所述共栅晶体管的漏极与源极间加入差分耦合电容对。

在一个优选例中，所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极耦合到偏置电压。

在一个优选例中，所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极分别耦合到正输入端和负输入端，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极分别接地。

在一个优选例中，所述射频放大器还包含第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管和第六晶体管串联接入所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管之间，以形成stack结构功率放大器。

在一个优选例中，所述第五晶体管的栅极和第六晶体管的栅极耦合到偏置电压，所述第五晶体管的源极耦合到第一晶体管的漏极，所述第五晶体管的漏极耦合到第三晶体管的源极，所述第六晶体管的源极耦合到第二晶体管的漏极，所述第六晶体管的漏极耦合到第四晶体管的源极。

在一个优选例中，所述射频放大器还包含变压器和功率放大器，所述变压器的一个输入端耦合到所述第三晶体管的漏极，另一个输入端耦合到所述第四晶体管的漏极，所述变压器的两个输出端分别耦合到所述功率放大器的两个输入端，所述功率放大器的两个输出端分别耦合到所述输出匹配电路的两个输入端。

在一个优选例中，所述第一电容器和/或第二电容器用MOM电容或者MOS管电容栅氧实现。

本申请还公开了一种无线终端所述无线终端能够经由无线电接入网络与另一个实体如另一个接收器或服务器进行语音或数据通信，包括如前文描述的射频放大器。

在一个优选例中，所述无线终端是以下之一：移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑、具有无线能力的膝上型电脑、计算机包括的或车载的移动设备。

本申请实施方式中，在Cascode差分对之间增加了漏、源节点的交叉电容。输出信号通过晶体管自身寄生电容Cds和晶体管漏源金属连线寄生电容Cpar,在Cascode晶体管源极产生同向的耦合电压；通过交叉电容在源极产生相位相反的耦合电压。当两者幅度相等时会发生抵消，使得线性度得以改善。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是现有技术中的射频放大器的结构示意图；

图2是根据本申请的技术方案的射频放大器的结构示意图；

图3是根据本申请第一实施方式的射频放大器的结构示意图；

图4是根据本申请第二实施方式的射频放大器的结构示意图；

图5是根据本申请第三实施方式的射频放大器的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

下面概要说明本申请的部分创新点：

本申请的发明人经过多年的研究发现，功率放大器(PA)或者前置功率放大器(PPA)为了发射大功率信号，晶体管面积较大，因此晶体管节点间寄生电容较大。当工作频率较高时，Cascode结构(共源共栅结构)放大器的线性度随Cascode晶体管漏源寄生电容增大而降低。其原因为漏极输出信号通过寄生电容耦合至源极，导致线性度恶化。

目前的解决方式仍存在一些问题，例如，若通过版图优化，减小Cascode晶体管寄生电容Cpar的方法来解决上述问题，则版图对寄生电容的优化存在极限。电路优化只能依靠减小器件尺寸来减小寄生电容Cds,但寄生电容Cds与器件跨导gm均正比于W/L，器件减小器件跨导gm也会减小，增益和线性度因而变差。

对于上述问题，本申请的发明人创造性地提出了一种解决方案，根据该解决方案，在Cascode差分对之间增加了漏、源节点的交叉电容。输出信号通过晶体管自身寄生电容Cds和晶体管漏源金属连线寄生电容Cpar，在Cascode晶体管源极产生同向的耦合电压；通过交叉电容在源极产生相位相反的耦合电压。当两者幅度相等时会发生抵消，使得线性度得以改善。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

图2示出了本发明的射频放大器的结构示意图，图3示出了本发明的第一实施方式涉及的射频放大器。图2和图3所示的射频放大器可以用于任何能够在无线通信系统(有时也称为作为蜂窝无线电系统)中无线通信的长期演进(Long Term Evolution，LTE)中的用户设备(UserEquipment，UE)、移动台(mobile station，MS)、无线终端或移动终端。所述UE可以进一步被称为移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑或具有无线能力的膝上型电脑。在本上下文中，所述UE可以是例如手提的、便携式的、手持式的，计算机包括的或车载的移动设备，其能够经由无线电接入网络与另一个实体如另一个接收器或服务器进行语音或数据通信。

总体来说，根据图3所示的射频放大器，该射频放大器为差分cascode结构，输出端耦合到匹配电路(Output Matching)，差分信号传输至后级模块或天线。Cascode第三晶体管NM2p源极和第四晶体管NM2n漏极通过第一电容器Ccp耦合，第四晶体管NM2n源极和第三晶体管NM2p漏极通过第二电容器Ccn耦合。从小到大扫描电容取值，使得放大器线性度IMD3最优。电容取值影响差分输出端谐振点，因此需要同时调整匹配电路感值。

如图3所示，本实施方式的射频放大器包括：第一晶体管NM1p、第二晶体管NM1n、第三晶体管NM2p、第四晶体管NM2n、第一电容器Ccp、第二电容器Ccn，以及输出匹配电路

如图3所示，上述元件之间的具体连接关系如下：

第一晶体管NM1p的栅极和第二晶体管NM1n的栅极分别耦合到正输入端INp和负输入端INn，第一晶体管NM1p的源极和第二晶体管NM1n的源极分别接地，第一晶体管NM1p的漏极和第二晶体管NM1n的漏极分别耦合到第三晶体管NM2p的源极和第四晶体管NM2n的源极，第三晶体管NM2p的栅极和第四晶体管NM2n的栅极耦合到偏置电压Vc_1，第三晶体管NM2p的漏极和第四晶体管NM2n的漏极分别耦合到输出匹配电路的两个输入端，并且，第一电容器Ccp的一端和第二电容器Ccn的一端分别耦合到第二晶体管NM1n的漏极与第四晶体管NM2的源极之间的节点以及第一晶体管NM1p的漏极与第三晶体管NM2p的源极之间的节点，另一端分别耦合到第三晶体管NM2p的漏极与输出匹配电路之间的连接点以及第四晶体管NM2n的漏极与输出匹配电路之间的连接点。

优选的，偏置电压Vc_1可以是恒定的，或者是可以变化的。

本实施方式的关键点包括(关键协作配合方式、关键元件的具体作用)：

首先，第一晶体管NM1p和第二晶体管NM1n为差分放大器的共源晶体管，将输入电压转化为电流信号。第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n为差分放大器的共栅晶体管。第一晶体管NM1p和第二晶体管NM1n产生的电流信号流入第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n源极，从漏极输出。第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n能提高放大器输出阻抗，改善放大器反向隔离度，并且提高放大器可承受的输出电压摆幅。第一电容器Ccp和第二电容器Ccn分别交叉连接至第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n的漏极和源极，用于改善放大器线性度。匹配电路把第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n输出的差分信号传输至后级模块或天线。

进一步的，第一电容器Ccp和第二电容器Ccn的取值要根据第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n的尺寸和漏源寄生电容的大小来确定。随第一电容器Ccp和第二电容器Ccn的增大，三阶交调三阶互调失真(IMD3)逐渐改善。当其值增加到一定程度后，IMD3的改善收益趋于0，同时第一电容器Ccp和第二电容器Ccn由于负反馈效应对增益的影响更为显著。因此第一电容器Ccp和第二电容器Ccn的取值存在最优的区间。

更具体的，本实施方式的工作原理如下：

本发明的关键技术点为，差分Cascode结构放大器中，在共栅晶体管的漏、源级加入差分耦合电容对，来改善放大器的线性度。

共源晶体管NM1p和NM1n产生电流信号，经过共栅晶体管NM2p和NM2n后，输出至匹配电路的初级线圈。匹配电路把天线阻抗变换至适当的阻抗值，作为放大器的负载阻抗。电流信号流经负载阻抗后产生较大的电压摆幅，在功率放大器或者驱动放大器中该摆幅可以达到电源电压值的1-2倍。当信号频率较高时，输出电压信号的基波和各次谐波、交调成分，通过第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n的漏源寄生电容耦合至其源端，发生二次混频，恶化了放大器的线性度。

第一电容器Ccp和第二电容器Ccn将第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n漏级信号耦合至第四晶体管NM2n和第三晶体管NM2p源极，与漏源寄生电容所耦合信号发生抵消，从而减轻漏源寄生电容带来的影响，提高了线性度。

本实施方式具有以下技术效果：

在双音信号交调仿真实验中，第一电容Ccp和第二电容Ccn交叉耦合电容使得相同输出功率下的三阶交调值(IMD3)有显著改善。因此，本实施方式通过差分放大器漏源端交叉耦合的电容，抵消漏源电容带来的影响，射频放大器线性度IMD3得到5dB以上的提升，由此产生了显著的技术效果。

可选的，交叉电容，即，第一电容器Ccp和/或第二电容器Ccn可以用MOM电容或者MOS管电容栅氧实现。

第二实施例

参见图4，本实施例的射频放大器与上述实施例基本相同，不再赘述，区别在于，采用三级叠层stack结构来提高输出电压摆幅的承受能力。交叉耦合电容置于顶层差分晶体管来改善电路的线性度，本实施例与第一实施例的具体如下：

本实施例的射频放大器还包含第五晶体管NM3p和第六晶体管NM3n，第五晶体管NM3p的栅极和第六晶体管NM3n的栅极耦合到偏置电压Vg_2，第五晶体管NM3p的源极耦合到第一晶体管NM1p的漏极，第五晶体管NM3p的漏极耦合到第三晶体管NM2p的源极，第六晶体管NM3n的源极耦合到第二晶体管NM1n的漏极，第六晶体管NM3n的漏极耦合到第四晶体管NM2n的源极。

本实施例中第五晶体管NM3p和第六晶体管NM3n串联接入第一晶体管NM1p、第二晶体管NM1n、第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n之间形成stack结构功率放大器PA，能够承受更高的电源电压和信号摆幅，从而获得更高的效率。第一电容器Ccp和第二电容器Ccn将第三晶体管NM2p和第四晶体管NM2n漏级信号耦合至第四晶体管NM2n和第三晶体管NM2p源极，与漏源寄生电容所耦合信号发生抵消，减轻漏源寄生电容带来的影响，提高了线性度。

上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

第三实施例

参见图5，本实施例的射频放大器与上述实施例基本相同，不再赘述，区别在于，本实施例采用交叉耦合电容的差分cascode放大器可以用作PA的驱动放大器，本实施例与第一实施例的具体区别如下：

本实施例的射频放大器还包含变压器和功率放大器，变压器的一个输入端耦合到第三晶体管NM2p的漏极，另一个输入端耦合到第四晶体管NM2n的漏极，变压器的两个输出端分别耦合到功率放大器的两个输入端，功率放大器的两个输出端分别耦合到匹配电路的两个输入端。

本实施例中差分放大器为PA驱动放大器。交叉耦合电容Ccp和Ccn连接于Cascode晶体管NM2p和NM2n，用于改善驱动放大器的IMD3，从而提高整体发射链路线性度。

上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

本发明实施例还提供一种无线终端，其可以包括本申请中的任意实施例所提供的功率放大器。该无线终端可以是移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑或具有无线能力的膝上型电脑。该无线终端也可以是手提的、便携式的、手持式的，计算机包括的或车载的移动设备，其能够经由无线电接入网络与另一个实体如另一个接收器或服务器进行语音或数据通信。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

本文使用词语“示例性”来意指“用作示例、实例或例证”。本文描述为“示例性”的任何细节不是必然被解释为相对于其他示例更优选或有利。类似地，术语“示例”不要求所有示例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。在本说明书中使用术语“在一个示例中”、“一种示例”、“在一个特征中”和/或“一种特征”不是必然指代相同的特征和/或示例。再者，特定特征和/或结构可以与一个或多个其他特征和/或结构组合。此外，于此描述的装置的至少一部分可以被配置为执行于此描述的方法的至少一部分。

本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并且不意图是对本公开的示例的限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。

应当注意，术语“连接”、“耦合”或它们的任何变体意指在元件之间的直接或间接的任何连接或耦合，并且可以涵盖两个元件之间的中间元件的存在，该两个元件经由中间元件“连接”或“耦合”在一起。元件之间的耦合和/或连接可以是物理的、逻辑的、或它们的组合。如本文所采用的，元件可以通过使用一个或多个电线、电缆、和/或印刷电连接、以及通过使用电磁能量而“连接”或“耦合”在一起。电磁能量可以具有在射频区域、微波区域和/或光(可见和不可见两者)区域中的波长。这些是若干非限制性和非穷举的示例。

本文对使用诸如“第一”、“第二”等的名称的元素的任何参考不限制这些元素的数量和/或顺序。更确切地，这些名称被用作区分两个或更多元素和/或元素实例的便利方法。因此，对第一和第二元素的参考不意味着仅两个元素可以被采用，或者第一元素必须必然在第二元素之前。此外，除非另有陈述，否则元素集合可以包括一个或多个元素。另外，本描述或权利要求中使用的形式为“A、B或C中的至少一个”的术语可以被解释为“A或B或C或这些元素的任何组合”。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种射频放大器，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电容器、第二电容器，以及输出匹配电路，其中：

所述第一晶体管和第二晶体管为差分放大器的共源晶体管；

所述第三晶体管和第四晶体管为差分放大器的共栅晶体管；

所述第一晶体管和第二晶体管产生的电流信号分别流入所述第三晶体管和第四晶体管的源极，从所述第三晶体管和第四晶体管的漏极输出，所述输出匹配电路把第三晶体管和第四晶体管输出的差分信号传输至后级模块或天线；并且，

所述第一电容器连接在所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的源极之间，所述第二电容器连接在所述第三晶体管的源极和所述第四晶体管的漏极之间，以在所述共栅晶体管的漏极与源极间加入差分耦合电容对。

2.如权利要求1所述的射频放大器，其特征在于，所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极耦合到偏置电压。

3.如权利要求2所述的射频放大器，其特征在于，所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极分别耦合到正输入端和负输入端，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极分别接地。

4.如权利要求3所述的射频放大器，其特征在于，所述射频放大器还包含第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管和第六晶体管串联接入所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管之间，以形成stack结构功率放大器。

5.如权利要求4所述的射频放大器，其特征在于，所述第五晶体管的栅极和第六晶体管的栅极耦合到偏置电压，所述第五晶体管的源极耦合到第一晶体管的漏极，所述第五晶体管的漏极耦合到第三晶体管的源极，所述第六晶体管的源极耦合到第二晶体管的漏极，所述第六晶体管的漏极耦合到第四晶体管的源极。

6.如权利要求3所述的射频放大器，其特征在于，所述射频放大器还包含变压器和功率放大器，所述变压器的一个输入端耦合到所述第三晶体管的漏极，另一个输入端耦合到所述第四晶体管的漏极，所述变压器的两个输出端分别耦合到所述功率放大器的两个输入端，所述功率放大器的两个输出端分别耦合到所述输出匹配电路的两个输入端。

7.如权利要求1至6任意一项所述的射频放大器，其特征在于，所述第一电容器和/或第二电容器用MOM电容或者MOS管电容栅氧实现。

8.一种无线终端，所述无线终端能够经由无线电接入网络与另一个实体如另一个接收器或服务器进行语音或数据通信，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的射频放大器。

9.如权利权要8所述的无线终端，其特征在于，所述无线终端是以下之一：移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑、具有无线能力的膝上型电脑、计算机包括的或车载的移动设备。