專利名稱：一種高增益高功率的毫米波功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率放大器，具體涉及一種亞微米CMOS工藝高增益高功率的毫米波功率放大器。但需要說明的是，該發(fā)明所涉及的功率放大器可在其他工藝中實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
目前，由于CMOS工藝的功率放大器具有集成度高，易與基帶結(jié)合的特點受到越來越多的重視。但是CMOS工藝的功率放大器具有幾大挑戰(zhàn)。首先是在高頻，米勒電容的存在影響了晶體管的穩(wěn)定性。為了使晶體管滿足穩(wěn)定條件，現(xiàn)有的技術(shù)一般是采用:a)阻容反饋電路；b)輸入串聯(lián)電阻或者并聯(lián)電阻。但是這兩種技術(shù)的缺陷是會降低晶體管的最大可用功率增益。其次是有限的擊穿電壓。CMOS工藝的擊穿電壓通常較低，因此要輸出足夠大的功率，需要采用合適的功率合成的方法?，F(xiàn)有的片內(nèi)功率合成技術(shù)通常是采用:a)電流疊加功率合成技術(shù)；b) wilkinson功率合成。第一方案的缺陷是晶體管的尺寸會很大,導致輸入輸出的阻抗很低，匹配困難；第二種技術(shù)的缺陷是功率合成電路會非常大，增加了成本。再次是毫米波段的匹配網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的技術(shù)有:a)微帶線匹配；b)傳輸線和變壓器結(jié)合。第一種方案的缺陷是損耗大和面積大；第二種方案能夠降低面積，可是損耗仍然很大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種高增益高功率的毫米波功率放大器。技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高增益高功率的毫米波功率放大器，包括輸入功率分配器、四路三級偽差分共源放大器、級間匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出功率合成器，其連接關(guān)系如下:輸入功率分配器的輸入端連接信號源或功率源，輸入功率分配器的輸出端連接第一級偽差分共源放大器的輸入端，第一級偽差分共源放大器的輸出端接第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端，第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接第二級偽差分共源放大器的輸入端，第二級偽差分共源放大器的輸出端接第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入，第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接第三級偽差分共源放大器的輸入，第三級偽差分共源放大器的輸出端接輸出功率合成器的輸入端，輸出功率合成器的輸出端接負載。所述輸入功率分配器為二端口輸入，輸入信號是差分信號或是單端信號，輸出為四端口，為兩路差分信號或是單端信號。所述第一級偽差分共源放大器、第二級偽差分共源放大器、第三級偽差分共源放大器的結(jié)構(gòu)一樣，每一個偽差分共源放大器分別包括第一晶體管Ml、第二晶體管M2、第一電容Cl、第二電容C2，所述第一晶體管Ml和第二晶體管M2的源極連接在一起，所述第一電容Cl跨接在第二晶體管M2的柵極和第一晶體管Ml的漏極，第二電容C2跨接在第一晶體管Ml的柵極和第二晶體管M2的漏極，信號從第一晶體管Ml和第二晶體管M2的柵極輸入，從第一晶體管Ml和第二晶體管M2的漏極輸出。所述第一晶體管Ml和第二晶體管M2的參數(shù)一樣，所述第一電容Cl、第二電容C2
的容值一樣。所述第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)、第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一樣，每一個級間匹配網(wǎng)絡(luò)分別包括第一傳輸線TLl、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、變壓器TO和電感LO ;第一傳輸線TLl首先連接到電感LO，然后串接第二傳輸線TL2，再接變壓器TO，最后接第三傳輸線TL3 ;第一傳輸線TLl所在端口為輸出端口，第三傳輸線TL3所在端口為輸入端口。所述輸出功率合成器輸入為四端口，接兩路差分信號或單端信號；輸出為二端口，為單端或者差分輸出。有益效果:相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點有:1.輸出功率大。由于本發(fā)明采用變壓器實現(xiàn)四路功率合成，相比于單路功率放大器，輸出功率能夠增加約6dB。2.功率增益高。由于本發(fā)明采用電容中和技術(shù),引入電容Cl和C2，能夠提高差分放大器的功率增益；同時由于本發(fā)明在匹配網(wǎng)絡(luò)中加入并聯(lián)電感L0，能夠極大地降低級間匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗。3.電路穩(wěn)定性高，隔離度好。由于本發(fā)明采用電容中和技術(shù)，引入電容Cl和C2，能夠有效的克服米勒效應帶來的不穩(wěn)定的問題。4.電路面積小，易于集成。由于本發(fā)明采用多處使用變壓器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功率分配、功率合成和級間匹配，相比于傳統(tǒng)的微波放大器，面積能夠極大的縮小。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發(fā)明；圖1為本發(fā)明的電路框圖；圖2為本發(fā)明的級間匹配網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖；圖3為本發(fā)明的偽差分共源放大器的電路原理圖；圖4(a)為未使用并聯(lián)電感LO的級間匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配軌跡；(b)為本發(fā)明中級間匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配軌跡；圖5為未使用并聯(lián)電感LO的級間匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗；圖6為本發(fā)明的實施例的大信號測試結(jié)果；圖7為本發(fā)明的實施例的小信號測試結(jié)果。其中有:信號源或功率源Vs，輸入功率分配器Tin，第一級偽差分放大器Al、第二級偽差分放大器A2、第三級偽差分放大器A3，第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN12、第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)麗23，輸出功率合成器Tout。
具體實施例方式為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式
，進一步闡述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明的高增益高功率的毫米波功率放大器，包括輸入功率分配器Tin，第一級偽差分放大器Al、第二級偽差分放大器A2、第三級偽差分放大器A3，第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN1、第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN2，輸出功率合成器Tout。輸入功率分配器Tin輸入端連接信號源Vs，信號從輸入功率分配器Tin的輸入端口輸入，轉(zhuǎn)換成兩路差分信號輸出。輸入功率分配器Tin的輸出接第一級偽差分放大器Al的輸入端。第一級偽差分放大器Al的輸出端接第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)麗12的輸入端。第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)麗12的輸出端接第二級偽差分放大器A2的輸入端。第二級偽差分放大器A2的輸出端接第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN23的輸入端。第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN23的輸出端接第三級偽差分放大器A3的輸入端。第三級偽差分放大器A3的輸出端接輸出功率合成器Tout的輸入端。輸出功率合成器Tout的輸出端接負載RL。實施步驟如下:根據(jù)輸出功率的要求，選擇第一級偽差分放大器Al、第二級偽差分放大器A2、第三級偽差分放大器A3中第一晶體管Ml和第二晶體管M2的尺寸相同。選擇相同容量的第一電容Cl和第二電容C2。對第三級偽差分放大器A3做負載牽引仿真，確定需要的最佳負載范圍。改變輸出功率合成器Tout的尺寸，使得當功率合成器的輸出接負載RL的時候，在功率合成器的輸入端看到的輸入阻抗為第三級偽差分放大器A3所需要的最佳負載。調(diào)節(jié)第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN23中的第一傳輸線TL1、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、變壓器TO和電感LO的尺寸，以實現(xiàn)二、三級(即第二級偽差分放大器A2、第三級偽差分放大器A3)的級間共軛匹配(即使得第三級偽差分放大器A3的輸入阻抗Zin3等于第二級偽差分放大器A2的輸出阻抗Zrat2的共軛)。如附圖4所示，(a)為匹配網(wǎng)絡(luò)中不含LO的匹配軌跡，(b)為匹配網(wǎng)絡(luò)中含有LO的匹配軌跡。附圖5中為兩種匹配網(wǎng)絡(luò)損耗與頻率的變化關(guān)系，相比于普通的傳輸線加變壓器的匹配方式，本發(fā)明提供的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠極大的降低級間匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗。調(diào)節(jié)級間匹配網(wǎng)絡(luò)MN12中的第一傳輸線TL1、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、變壓器TO和電感LO的尺寸，以實現(xiàn)一、二級(即第一級偽差分放大器Al、第二級偽差分放大器A2)的級間共軛匹配。調(diào)節(jié)功率分配器Tin的尺寸，使得功率分配器的輸入端口看到的阻抗等于Rs。上述功率合成器為4:2的變壓器，其中輸入為四端口，輸出為二端口。輸入的四個端口接末級偽差分放大器的四路輸出，輸出的兩個端口連接到輸出負載。功率合成器同時完成功率合成和阻抗匹配的作用。上述負載可以是測試儀器的輸入阻抗或者天線，一般為50歐姆或者100歐姆。附圖6，附圖7給出了本實施例的測試結(jié)果，可以看出利用本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)，功率放大器在需要的頻段內(nèi)能夠獲得超過20dB的增益，最大增益達到24dB。同時利用本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)，該功率放大器輸出功率達到18dBm。
權(quán)利要求
1.一種高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于該功率放大器包括輸入功率分配器、四路三級偽差分共源放大器、級間匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出功率合成器，其連接關(guān)系如下: 輸入功率分配器(Tin)的輸入端連接信號源或功率源(Vs)，輸入功率分配器(Tin)的輸出端連接第一級偽差分共源放大器(Al)的輸入端,第一級偽差分共源放大器(Al)的輸出端接第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(MN12)的輸入端，第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(MN12)的輸出端接第二級偽差分共源放大器(A2)的輸入端，第二級偽差分共源放大器(A2)的輸出端接第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(麗23)的輸入，第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(麗23)的輸出端接第三級偽差分共源放大器(A3)的輸入，第三級偽差分共源放大器(A3)的輸出端接輸出功率合成器(Tout)的輸入端，輸出功率合成器(Tout)的輸出端接負載(RU。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述輸入功率分配器(Tin)為二端口輸入，輸入信號是差分信號或是單端信號，輸出為四端口，為兩路差分信號或是單端信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一級偽差分共源放大器(Al)、第二級偽差分共源放大器(A2)、第三級偽差分共源放大器(A3)的結(jié)構(gòu)一樣，每一個偽差分共源放大器分別包括第一晶體管Ml、第二晶體管M2、第一電容Cl、第二電容C2，所述第一晶體管Ml和第二晶體管M2的源極連接在一起，所述第一電容Cl跨接在第二晶體管M2的柵極和第一晶體管Ml的漏極，第二電容C2跨接在第一晶體管Ml的柵極和第二晶體管M2的漏極，信號從第一晶體管Ml和第二晶體管M2的柵極輸入，從第一晶體管Ml和第二晶體管M2的漏極輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一晶體管Ml和第二晶體管M2的參數(shù)一樣，所述第一電容Cl、第二電容C2的容值一樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(MN12)、第二級級間匹配網(wǎng)絡(luò)(MN23)的結(jié)構(gòu)一樣，每一個級間匹配網(wǎng)絡(luò)分別包括第一傳輸線TLl、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、變壓器TO和電感LO ;第一傳輸線TLl首先連接到電感L0，然后串接第二傳輸線TL2，再接變壓器T0，最后接第三傳輸線TL3 ；第一傳輸線TLl所在端口為輸出端口，第三傳輸線TL3所在端口為輸入端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益高功率的毫米波功率放大器，其特征在于，所述輸出功率合成器(Tout)輸入為四端口，接兩路差分信號或是單端信號；輸出為二端口，為單端或者差分輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高增益高功率的毫米波功率放大器，包括四路三級偽差分放大器；偽差分放大器采用電容中和技術(shù)；輸入輸出電路采用2:4的變壓器完成功率分配和功率合成，放大器級與級之間采用變壓器、傳輸線和并聯(lián)電感進行阻抗匹配。本發(fā)明利用電容中和技術(shù)，提高電路的穩(wěn)定性和增益。本發(fā)明通過在普通傳輸線加變壓器的匹配網(wǎng)絡(luò)中增加一個并聯(lián)電感，能夠降低級間匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗。本發(fā)明利用2:4的變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)四路功率合成和阻抗匹配，極大的提高了輸出功率，同時減少了面積。
文檔編號H03F3/45GK103095230SQ20121059148
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者李連鳴, 崔鐵軍, 陳林輝 申請人:東南大學