CN117833842B - 一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波射频集成电路技术领域，特别涉及一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器。包括：有源放大电路，采用差分共射共基结构，将输入的差分信号进行放大；巴伦电路，将所述有源放大电路输出的差分信号进行双端转单端，实现功率合成；直流偏置电路，为所述有源放大电路中各个双极晶体管提供具有温度补偿的偏置电位；其中，所述直流偏置电路由四个偏置模块构成，其中每个所述偏置模块包括：第一三极管、第二三极管、MOS管、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电流源。本发明在8~16GHz的频带范围内，增益大于26dB，电路性能稳定，+2.8V电源工作电流为45mA，实现了锗硅放大器高性能、小型化的设计要求。

Description

一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器
技术领域
本发明涉及微波射频集成电路技术领域，特别涉及一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器。
背景技术
随着现代无线通信技术和微波集成电路技术的快速发展，系统对于射频收发系统的要求越来越高，工作在射频、微波高频段的电路及器件应用越来越广泛，开发宽频带、高集成度、小型化的射频器件成为了未来发展的必然趋势。另一方面，在5G通信、物联网以及工业互联网等新型产业应用需求的牵引下，使得电子通信系统中的射频模块的功能集成都日趋增加，对驱动放大器的带宽、线性度等提出更高的要求。
作为无线通信系统发射机中“承前启后”的核心部件，驱动放大器(driveramplifier，DA)主要功能是将发射机中前级包括衰减器、移相器、混频器、开关、滤波器等无源电路所产生的功率损耗予以补偿并提高到足以驱动发射机末级大功率放大器饱和输出。
无线通讯系统需要满足在-40℃到125℃环境中正常工作的能力。根据晶体管的热效应可知，当温度每增加一度，晶体管的导通电压会降低2mV~2.5mV，从而导致晶体管的基级电流和集电极电流增大。因此射频放大器高低温性能差别很大，通常同一频点高低温增益温漂大于3dB，非常不易于当今的无线通讯系统。
鉴于上述情况，研究如何在更小的空间内实现高性能、尺寸小、并具有增益温度补偿的射频放大器有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有增益温度补偿的差分cascode（共射共基）结构射频驱动放大器，以提供一种适用于8GHz~16GHz射频超宽带频率范围的放大器，同时实现高性能、小型化的设计要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，包括：
有源放大电路，采用差分共射共基结构，将输入的差分信号进行放大；
巴伦电路，将所述有源放大电路输出的差分信号进行双端转单端，实现功率合成；
直流偏置电路，为所述有源放大电路中各个双极晶体管提供具有温度补偿的偏置电位；
其中，所述直流偏置电路由四个偏置模块构成，其中每个所述偏置模块包括：第一三极管、第二三极管、MOS管、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电流源；所述电流源的一端连接电源，电流源的另一端流入第一三极管的集电极，并与MOS管的栅极和第一电容的一端连接，第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极连接第一电阻的一端，第二电阻的一端连接电源，第二电阻的另一端连接MOS管的源极和第二三极管的基极，MOS管的漏极接地，第二三极管的集电极连接电源，第三电阻的一端接地，第三电阻的另一端与第二三极管的发射极、第一电容的另一端和第一电阻的另一端共同连接，并形成偏置电压的输出端口。
优选的，所述有源放大电路包括：
第一级放大单元，包括第一差分cascode电路、第一负反馈电路和电源电路；差分射频信号输入正端和差分射频信号输入负端分别与两路所述第一负反馈电路的一端相连，两路所述第一负反馈电路的另一端分别与所述第一差分cascode电路的第一端和第二端相连，并与所述电源电路相连，所述第一差分cascode电路的第三端和第四端接地；
第二级放大单元，包括第二差分cascode电路和第二负反馈电路；所述第二差分cascode电路的第一端和第二端接入所述巴伦电路，并分别与两路所述第二负反馈电路的一端相连，两路所述第二负反馈电路的另一端与所述电源电路相连，所述第二差分cascode电路的第三端和第四端接地。
优选的，所述第一差分cascode电路和所述第二差分cascode电路均包括第一双极晶体管和第二双极晶体管；两个所述第一双极晶体管的发射极分别通过串联一个电感接地，两个所述第一双极晶体管的基极之间串联有两个电阻，并在该两个电阻之间形成有偏置电压，两个所述第一双极晶体管的集电极分别与两个所述第二双极晶体管的发射极相连，两个所述第二双极晶体管的基极之间串联有两个电阻，并在该两个电阻之间形成有偏置电压，且该所述偏置电压通过串联一个电容接地，两个所述第二双极晶体管的集电极分别串联有一个电感。
优选的，所述第一负反馈电路和所述第二负反馈电路均包括依次串联的两个电容和一个电阻；且在该两个电容之间接入所述第一双极晶体管的基极。
优选的，所述电源电路包括依次串联的四个电感，位于两端的两个电感分别与两路所述第一负反馈电路尾端的电阻相连，两路所述第一负反馈电路首端的电容分别与差分射频信号输入正端和差分射频信号输入负端相连；位于中间的两个电感之间接入电源；位于中间的两个电感的另一端分别与两路所述第二负反馈电路首端的电容相连，两路所述第二负反馈电路尾端的电阻与所述巴伦电路相连。
优选的，所述巴伦电路包括相互耦合的两组四分之一波长的传输线，每组所述传输线包括依次串联的第一传输线和第二传输线；
其中在第一组所述传输线中，所述第一传输线的端部与单端的开路端口相连，所述第二传输线的端部串联一个电容并接地；
在第二组所述传输线中，所述第一传输线和所述第二传输线的端部分别与两个差分端口相连，在该两个所述差分端口之间串联有两个电容，在该所述第一传输线和所述第二传输线之间接入电源。
优选的，该射频驱动放大器适用于对输入带宽8GHz~16GHz的射频差分信号进行放大。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明将有源放大电路、巴伦（balun）电路和带温度补偿的直流偏置电路（PAbias）三部分集成在同一片内。射频差分信号由RFin+和RFin-端口进入有源放大电路进行放大，差分输出信号通过巴伦电路实现阻抗匹配和差分单端转换，直流偏置电路为有源放大电路产生所需的带温度补偿偏置电压。有源放大电路采用了两级负反馈差分cascode结构，并加入了集电极匹配电感，有效地提高放大器的稳定性和端口驻波；巴伦电路采用的是无源同层平面螺旋间隔互绕式结构，创新之处在于开路端添加了接地尾电容Cr，有效地提高了单端信号端口的阻抗特性，两个差分端口之间的引入了隔离电容，可以调整差分信号端口间的相位差，优化幅相一致性；为满足无线通讯系统在-40℃到125℃环境中正常工作的需求，直流偏置电路的设计使用了温度补偿技术。本发明在8GHz~16GHz的频带范围内，增益大于26dB，输出1dB功率压缩点＞10dBm，饱和输出功率＞13dBm，端口回波损耗≤-10dB，-40℃到125℃范围内同频点增益浮动＜1.5 dBc。电路性能稳定，+2.8V电源工作电流为45mA。实现了锗硅放大器高性能、小型化的设计要求。
附图说明
图1是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器的结构示意图。
图2是本发明提供的有源放大电路的电路示意图。
图3是本发明提供的巴伦电路的电路示意图。
图4是本发明提供的带温度补偿的直流偏置电路的电路示意图。
图5是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器增益与回波损耗的结果分析图。
图6是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器高低温增益的结果分析图。
图7是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器输出P-1与输出饱和功率PSAT的结果分析图。
图8是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器三温稳定性Kf的结果分析图。
图9是本发明提供的差分cascode结构射频驱动放大器12GHz时增益随温度变化的结果分析图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明实施例提供了一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，包括有源放大电路、巴伦电路和带温度补偿的直流偏置电路部分，可以实现对输入带宽8GHz~16GHz的射频差分信号进行放大，并实现单端输出，放大的增益具有温度补偿的性能。有源放大电路对差分输入信号进行放大，输出的差分信号通过高性能的巴伦电路进行合成为单端输出，带温度补偿的直流偏置电路为有源放大管提供基级偏置电位。
如图2所示，有源放大电路包含双极晶体管Q1a~Q4a、双极晶体管Q1b~Q4b，电感L1a~L4a、电感L1b~L4b、电感Le1a、电感Le1b、电感Le2a、电感Le2b，电容Cina、电容Cinb、电容C1a、电容C1b、电容Cf1a、电容Cf1b、电容Cf2a、电容Cf2b、电容Cb2、电容Cb4，电阻Rb1a、电阻Rb2a、电阻Rf1a、电阻Rb1b、电阻Rb2b、电阻Rf1b、电阻Rb3a、电阻Rb4a、电阻Rf2a、电阻Rb3b、电阻Rb4b和电阻Rf2b，其中：
差分射频信号RFin+从隔直电容Cina进入晶体管Q1a的基级，晶体管Q1a的发射极连接接地的发射极退化电感Le1a，晶体管Q1a的基极通过电阻Rb1a连接到偏置电压Vb1，晶体管Q1a的集电极与晶体管Q2a的发射极相连，晶体管Q2a的基极通过电阻Rb2a连接到偏置电压Vb2，射频信号由晶体管Q2a的集电极输出流经匹配电感L3a、匹配电感L2a进入第二级放大单元的输入隔直电容C1a，经晶体管Q3a的基极，晶体管Q3a的发射极连接接地的发射极退化电感Le2a，晶体管Q3a的集电极与晶体管Q4a的发射极相连，射频信号由晶体管Q4a的集电极输出流经匹配电感L4a到有源放大电路的输出端口RFout+。其中匹配电感L3a、匹配电感L2a连接处引出负反馈电阻Rf1a和电容Cf1a，与晶体管Q1a的基极相连，形成第一级负反馈电路。输出端口RFout+处引出负反馈电阻Rf2a和电容Cf2a，与晶体管Q3a的基极相连，形成第二级负反馈电路。差分射频信号RFin-从隔直电容Cinb进入晶体管Q1b的基极，晶体管Q1b的发射极连接接地的发射极退化电感Le1b，晶体管Q1b的基极通过电阻Rb1b连接到偏置电压Vb1，晶体管Q1b的集电极与晶体管Q2b的发射极相连，晶体管Q2b的基极通过电阻Rb2b连接到偏置电压Vb2，射频信号由晶体管Q2b的集电极输出流经匹配电感L3b、匹配电感L2b进入第二级放大单元的输入隔直电容C1b，经晶体管Q3b的基极，晶体管Q3b的发射极连接接地的发射极退化电感Le2b，晶体管Q3b的集电极与晶体管Q4b的发射级相连，射频信号由晶体管Q4b的集电极输出流经匹配电感L4b到有源放大电路的输出端口RFout-。其中匹配电感L3b、匹配电感L2b连接处引出负反馈电阻Rf1b和电容Cf1b，与晶体管Q1b的基极相连，形成第一级负反馈电路。输出端口RFout-处引出负反馈电阻Rf2b和电容Cf2b，与晶体管Q3b的基极相连，形成第二级负反馈电路。
如图2所示，在上述有源放大电路第一级中，晶体管Q1a、晶体管Q2a以及晶体管Q1b、晶体管Q2b构成放大的cascode结构，Le1a、Le1b是发射级退化电感，L1a、L1b是加电端扼流电感，L2a、L3a、L2b、L3b是第一级输出匹配电感，电阻Rf1a、电容Cf1a以及电阻Rf1b、电容Cf1b构成第一级电路的负反馈网络，提高电路的稳定性。第二级中，晶体管Q3a、晶体管Q4a以及晶体管Q3b、晶体管Q4b构成放大的cascode结构，Le2a、Le2b是发射级退化电感，L1a、L1b是加电端扼流电感，L4a、L4b是第二级输出匹配电感，电阻Rf2a、电容Cf2a以及电阻Rf2b、电容Cf2b构成第二级电路的负反馈网络，提高电路的稳定性。第一级的差分输出通过隔直电容C1a、隔直电容C1b连接到第二级。Rb1a、Rb1b是偏置电压Vb1的偏置电阻，Rb2a、Rb2b是偏置电压Vb2的偏置电阻，Rb3a、Rb3b是偏置电压Vb3的偏置电阻，Rb4a、Rb4b是偏置电压Vb4的偏置电阻。差分cascode结构不但具有更强的对环境噪声抗干扰能力，还可以消除电路中的二次谐波，提高增益。
如图3所示，巴伦电路括四条四分之一波长的传输线、电容C3a、电容C3b和电容Cr。单端Port1的开路端口添加的接地尾电容Cr，能够调节单端信号端口的阻抗特性。两个差分端口Port2与Port3之间串联的隔离电容C3a与隔离电容C3b，可以调整差分信号端口间的相位差，优化幅相一致性。
如图4所示，带温度补偿的直流偏置电路包括三极管Qp1~Qp4、三极管Qq1~Qq4，MOS管M1~M4，电容Cp1~Cp4，电阻Rp1~Rp4、电阻Rq1~Rq4和电流源Iref1~Iref4，其中：
电流源Iref1流入三极管Qp1的集电极，并与MOS管M1的栅极和电容Cp1的一端连接，三极管Qp1的发射极接地，三极管Qp1的基极连接电阻Rp1，电阻Rq1一端连接电源VCC，另一端连接MOS管M1的源极和三极管Qq1的基极，MOS管M1的漏极接地，三极管Qq1的集电极连接电源VCC，电阻Rs1一端接地，另一端连接三极管Qq1的发射极、电容Cp1的另一端和电阻Rp1的另一端，形成偏置电压输出端口Vb1。
电流源Iref2流入三极管Qp2的集电极，并与MOS管M2的栅极和电容Cp2的一端连接，三极管Qp2的发射极接地，三极管Qp2的基极连接电阻Rp2，电阻Rq2一端连接电源VCC，另一端连接MOS管M2的源极和三极管Qq2的基极，MOS管M2的漏极接地，三极管Qq2的集电极连接电源VCC，电阻Rs2一端接地，另一端连接三极管Qq2的发射极、电容Cp2的另一端和电阻Rp2的另一端，形成偏置电压输出端口Vb2。
电流源Iref3流入三极管Qp3的集电极，并与MOS管M3的栅极和电容Cp3的一端连接，三极管Qp3的发射极接地，三极管Qp3的基极连接电阻Rp3，电阻Rq3一端连接电源VCC，另一端连接MOS管M3的源极和三极管Qq3的基极，MOS管M3的漏极接地，三极管Qq3的集电极连接电源VCC，电阻Rs3一端接地，另一端连接三极管Qq3的发射极、电容Cp3的另一端和电阻Rp3的另一端，形成偏置电压输出端口Vb3。
电流源Iref4流入三极管Qp4的集电极，并与MOS管M4的栅极和电容Cp4的一端连接，三极管Qp4的发射极接地，三极管Qp4的基极连接电阻Rp4，电阻Rq4一端连接电源VCC，另一端连接MOS管M4的源极和三极管Qq4的基极，MOS管M4的漏极接地，三极管Qq4的集电极连接电源VCC，电阻Rs4一端接地，另一端连接三极管Qq4的发射极、电容Cp4的另一端和电阻Rp4的另一端，形成偏置电压输出端口Vb4。
带隙基准bandgap为偏置电路提供的基准电流Iref1~Iref4。当温度升高时，三极管Qp1~Qp4的导通电压降低，基极电流升高，基准电流Iref1~Iref4随之升高，使得电阻Rq1~Rq4上的压降增大，这会导致三极管Qq1~Qq4的基极电位降低，进一步使得输出偏置电压Vb1~Vb4降低，从而使得通过输出偏置电压Vb1~Vb4流经射频晶体管的基极电流减小，最终降低射频晶体管的集电极电流，实现温度补偿。
放大器的输入输出端口均采用标准50欧姆匹配的“地-信号-地”结构。芯片是对称的结构，对称的结构布局保证空间利用率和空间耦合达到平衡。该电路性能稳定，+2.8V电源工作电流为45mA。电路面积仅为0.50mm×0.58mm，实现了锗硅放大器高性能、小型化的设计要求。
放大器增益与输入输出回波损耗的结果如图5所示，工作频率范围为8GHz~16GHz，从图像可以看出，增益典型值为27dB，输入回波损耗典型值在-13dB，输出回波损耗典型值在-20dB。
放大器三温增益的结果如图6所示，从图像可以看出，增益在-40℃~125℃内，同频点增益浮动小于1.5dBc。
放大器输出P-1与输出饱和功率PSAT的结果如图7所示，工作频率范围为8GHz~16GHz，从图像可以看出，输出P-1典型值为11dBm，输出PSAT典型值为14dBm。
放大器三温稳定性Kf的结果如图8所示，从图像可以看出在-40℃~125℃内，稳定性Kf都远大于1，电路性能稳定。
放大器12GHz单频点增益随温度变化的结果如图9所示，从图像可以看出在-40℃~125℃内，增益浮动小于1.5dBc。
本发明提出的具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，适用于8GHz~16GHz射频输入超宽频率的高性能驱动放大器的设计，可基于现有成熟的SiGe工艺平台，实现宽频带、高增益、低芯片面积、且具有增益温度补偿的设计需求。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，包括：
有源放大电路，采用差分共射共基结构，将输入的差分信号进行放大；
巴伦电路，将所述有源放大电路输出的差分信号进行双端转单端，实现功率合成；
直流偏置电路，为所述有源放大电路中各个双极晶体管提供具有温度补偿的偏置电位；
其中，所述直流偏置电路由四个偏置模块构成，其中每个所述偏置模块包括：第一三极管、第二三极管、MOS管、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电流源；所述电流源的一端连接电源，电流源的另一端流入第一三极管的集电极，并与MOS管的栅极和第一电容的一端连接，第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极连接第一电阻的一端，第二电阻的一端连接电源，第二电阻的另一端连接MOS管的源极和第二三极管的基极，MOS管的漏极接地，第二三极管的集电极连接电源，第三电阻的一端接地，第三电阻的另一端与第二三极管的发射极、第一电容的另一端和第一电阻的另一端共同连接，并形成偏置电压的输出端口；
所述有源放大电路包括：
第一级放大单元，包括第一差分cascode电路、第一负反馈电路和电源电路；差分射频信号输入正端和差分射频信号输入负端分别与两路所述第一负反馈电路的电容端相连，两路所述第一负反馈电路的电阻端分别与所述第一差分cascode电路中共基极的双极晶体管的集电极相连，并与所述电源电路相连，所述第一差分cascode电路中共发射极的双极晶体管的发射极接地；
第二级放大单元，包括第二差分cascode电路和第二负反馈电路；所述第二差分cascode电路中共基极的双极晶体管的集电级接入所述巴伦电路，并分别与两路所述第二负反馈电路的电阻端相连，两路所述第二负反馈电路的电容端与所述电源电路相连，所述第二差分cascode电路中的共发射极的双极晶体管的发射极接地；
所述第一差分cascode电路与所述第二差分cascode电路之间通过共用一个所述电源电路相连，所述第一差分cascode电路中共基极的双极晶体管的集电极与所述第二差分cascode电路中的共发射极的双极晶体管的基极相连；
通过四个所述偏置模块分别为所述有源放大电路中的第一差分cascode电路的共发射极的双极晶体管的基极提供偏置电压Vb1、为所述有源放大电路中第一差分cascode电路的共基极的双极晶体管的基极提供偏置电压Vb2、为所述有源放大电路中第二差分cascode电路的共发射极的双极晶体管的基极提供偏置电压Vb3和为所述有源放大电路中第二差分cascode电路的共基极的双极晶体管的基极提供偏置电压Vb4。
2.如权利要求1所述的一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，所述第一差分cascode电路和所述第二差分cascode电路均包括第一双极晶体管和第二双极晶体管；两个所述第一双极晶体管的发射极分别通过串联一个电感接地，两个所述第一双极晶体管的基极之间串联有两个电阻，并在该两个电阻之间形成有偏置电压，两个所述第一双极晶体管的集电极分别与两个所述第二双极晶体管的发射极相连，两个所述第二双极晶体管的基极之间串联有两个电阻，并在该两个电阻之间形成有偏置电压，且该所述偏置电压通过串联一个电容接地，两个所述第二双极晶体管的集电极分别串联有一个电感。
3.如权利要求2所述的一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，所述第一负反馈电路和所述第二负反馈电路均包括依次串联的两个电容和一个电阻；且在该两个电容之间接入所述第一双极晶体管的基极。
4.如权利要求3所述的一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，所述电源电路包括依次串联的四个电感，位于两端的两个电感分别与两路所述第一负反馈电路尾端的电阻相连，两路所述第一负反馈电路首端的电容分别与差分射频信号输入正端和差分射频信号输入负端相连；位于中间的两个电感之间接入电源；位于中间的两个电感的另一端分别与两路所述第二负反馈电路首端的电容相连，两路所述第二负反馈电路尾端的电阻与所述巴伦电路相连。
5.如权利要求4所述的一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，所述巴伦电路包括相互耦合的两组四分之一波长的传输线，每组所述传输线包括依次串联的第一传输线和第二传输线；
其中在第一组所述传输线中，所述第一传输线的端部与单端的开路端口相连，所述第二传输线的端部串联一个电容并接地；
在第二组所述传输线中，所述第一传输线和所述第二传输线的端部分别与两个差分端口相连，在该两个所述差分端口之间串联有两个电容，在该所述第一传输线和所述第二传输线之间接入电源。
6.如权利要求1~5任一项所述的一种具有增益温度补偿的差分cascode结构射频驱动放大器，其特征在于，该射频驱动放大器适用于对输入带宽8GHz~16GHz的射频差分信号进行放大。
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