本發(fā)明涉及一種線性功率放大器。特別是涉及一種覆蓋IEEE 802.11通訊頻段應(yīng)用的CMOS工藝2400MHz線性功率放大器。

背景技術(shù)：

手機(jī)、無(wú)繩電話、射頻標(biāo)簽(RFID)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等無(wú)線通信市場(chǎng)的快速發(fā)展，不斷推動(dòng)射頻前端收發(fā)器向高集成、低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的方向發(fā)展。越來(lái)越多的單片射頻收發(fā)通信系統(tǒng)采用價(jià)格低廉且相對(duì)成熟可靠的CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，這就要求越來(lái)越多的通信系統(tǒng)子模塊在保證高性能的同時(shí)務(wù)必采用CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高度集成、成本低廉、性能可靠的單片射頻通信系統(tǒng)。

功率放大器(簡(jiǎn)稱功放，英文縮寫PA)是無(wú)線發(fā)射器中必不可少的子模塊，具有較高的輸出功率，也是整個(gè)發(fā)射機(jī)中耗能最多的部件。長(zhǎng)久以來(lái)，商業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于功率放大器的工作頻率、帶寬、負(fù)載、輸出功率、輸出效率、線性度和成本都有很高的要求，這些參數(shù)的互相折中，使得功率放大器的設(shè)計(jì)具有較高難度。

現(xiàn)代通信技術(shù)為了提高頻譜利用率，普遍采用同時(shí)調(diào)幅調(diào)相的技術(shù)，具有大容量、多載波、高帶寬和較高的峰均比的特點(diǎn)，這些對(duì)射頻功率放大器的線性度提出了非常高的要求。而通信的移動(dòng)特性要求功放的功率效率盡可能地高。在大部分情況下，功率放大器工作在飽和區(qū)的狀態(tài)下，晶體管本身會(huì)產(chǎn)生很大的非線性特性，而現(xiàn)有的提高線性度的方法通常集中在功率回退及系統(tǒng)級(jí)功放的設(shè)計(jì)，前者會(huì)降低放大器的輸出功率從而大幅度降低放大器的功率效率，而后者通常需要較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

因此總的來(lái)說(shuō)目前基于CMOS工藝的線性化功率放大器面對(duì)的問(wèn)題如下：

1、使用功率回退方法會(huì)使得放大器的效率大幅度降低，從而消耗多余的能量；

2、使用系統(tǒng)級(jí)線性化功率放大器設(shè)計(jì)方法對(duì)放大器線性度有較大改觀，但設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高，使用器件較多，多用于基站功率放大器設(shè)計(jì)，在移動(dòng)端較難應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種不僅可以得到穩(wěn)定電壓，更加可以獲得電容補(bǔ)償，提高輸出信號(hào)線性度的CMOS工藝2400MHz線性功率放大器。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器，包括有依次串聯(lián)連接的高通T型匹配結(jié)構(gòu)的輸入匹配電路、cascode結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)電路和共源放大器結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)電路，其中，所述輸入匹配電路的輸入端連接外部射頻輸入信號(hào)，所述輸出級(jí)電路的輸出端連接負(fù)載，所述輸入級(jí)電路的輸入端和輸出級(jí)電路的輸入端分別各連接一個(gè)具有有源偏置結(jié)構(gòu)的線性化柵極偏置電路。

所述的輸入匹配電路包括相串聯(lián)的第一隔直電容和第四電感，其中，所述第一隔直電容的輸入端連接接外部射頻輸入信號(hào)，所述第一隔直電容的輸出端和第四電感的輸入端共同通過(guò)第一到地電容接地，所述第四電感的輸出端連接輸入級(jí)電路的輸入端。

所述輸入級(jí)電路的輸入端和輸出級(jí)電路的輸入端分別連接的線性化柵極偏置電路結(jié)構(gòu)相同，均包括有第一NMOS晶體管和第二NMOS晶體管，其中，所述第一NMOS晶體管的源極接地，柵極與漏極相連并共同通過(guò)第一電阻連接直流供電電源，所述的柵極和漏極還通過(guò)第二電阻連接第二NMOS晶體管的柵極，所述第二NMOS晶體管的漏極通過(guò)第三電阻與柵極相連構(gòu)成二極管結(jié)構(gòu)，所述第二NMOS晶體管的源極連接輸入級(jí)電路或輸出級(jí)電路的輸入端，提供柵極偏置電壓。

所述的輸入級(jí)電路包括有第三NMOS晶體管和第四NMOS晶體管，其中，所述的第三NMOS晶體管的源級(jí)接地，柵極分別連接線性化柵極偏置電路中第二NMOS晶體管源極和輸入匹配電路中第四電感的輸出端，漏極連接第四NMOS晶體管的源極，所述第四NMOS晶體管的柵極分別通過(guò)第三到地電容接地以及通過(guò)第四電阻連接第四NMOS晶體管的漏極，所述的漏極還通過(guò)第一電感連接直流供電電源，以及構(gòu)成輸出端通過(guò)第二隔直電容連接輸出級(jí)電路和輸入端。

所述的輸出級(jí)電路包括第五NMOS晶體管的源極接地，柵極分別連接第二隔直電容的輸出端以及線性化柵極偏置電路的輸出端，漏極通過(guò)第二電感連接直流供電電源，所述的漏極還分別連接第二到地電容的一端和第三隔直電容的一端，所述第四到地電容的另一端接地，第三隔直電容的另一端通過(guò)第三電感接地以及構(gòu)成輸出端連接負(fù)載。

本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器，通過(guò)新的電路結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，有集成度高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還克服了常用線性化電路過(guò)于復(fù)雜的缺點(diǎn)，使用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)優(yōu)化了功率放大器的輸出線性度。與現(xiàn)有CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的功率放大器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、通過(guò)在放大器的第一級(jí)和第二級(jí)的柵極偏置中加入等效為二極管的CMOS結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償了輸入電容值在不同輸入功率下的變化趨勢(shì)，使得整體電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并具有優(yōu)異的線性化特性，相比較傳統(tǒng)的無(wú)源偏置提高了線性度，而相較于其它線性化方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約了版圖面積。

2、通過(guò)在第一級(jí)電路中使用cascode結(jié)構(gòu)，提高了第一級(jí)放大器的增益能力，從而使整體電路的增益水平增高。

綜上所述，本發(fā)明提出的功率放大器結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器的構(gòu)成框圖；

圖2是本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器的電路原理圖。

圖中

1：輸入匹配電路 2：線性化柵極偏置電路

3：輸入級(jí)電路 4：線性化柵極偏置電路

5：輸出級(jí)電路

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器做出詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器，是一種兩級(jí)的用于2400MHz頻率下的線性化功率放大器，采用CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。輸出級(jí)電路采用共源級(jí)結(jié)構(gòu)，漏極使用電感進(jìn)行偏置，使用串聯(lián)電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電感構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)，在濾除直流分量的同時(shí)對(duì)輸出阻抗進(jìn)行了匹配；輸入級(jí)電路采用cascode結(jié)構(gòu)對(duì)晶體管進(jìn)行連接，提高了電路的增益，共柵極管漏極采用電感進(jìn)行無(wú)源偏置，并通過(guò)連接電阻到柵極形成負(fù)反饋并提供偏置電壓，同時(shí)漏極的輸出通過(guò)大電容耦合方式與下一極電路相連；輸入級(jí)匹配電路采用高通T型匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)減小低頻增益提高了電路的穩(wěn)定性，具體包括一個(gè)隔直電容、一個(gè)濾波電容和一個(gè)電感構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)；線性化柵極偏置電路包括一個(gè)有源偏置結(jié)構(gòu)及一個(gè)二極管連接方式的NMOS晶體管，有源偏置結(jié)構(gòu)通過(guò)連接?xùn)艠O和漏極保持晶體管的工作狀態(tài)，通過(guò)電阻反饋減小外界變化及工藝條件波動(dòng)對(duì)偏置電壓的影響，二極管連接方式通過(guò)對(duì)NMOS晶體管反型層形成的抑制，使NMOS管的柵極與源極之間得到類似于二極管的輸入輸出特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大輸入功率條件下主路上晶體管電容變化的補(bǔ)償，提高了放大器的線性度。

對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，C_gs(柵源電容)和g_m(跨導(dǎo))是造成非線性的主要兩個(gè)因素。所以如果只考慮C_gs，并且忽略柵極的電阻，放大器的輸入阻抗可以近似為

A為放大器的電壓增益，可以知道V_gs與V_in的關(guān)系

V_gs與V_in成一定的關(guān)系，但是在大信號(hào)情況下中，Z_in不是一個(gè)恒定的值，所以V_gs與V_in為非線性關(guān)系，這也是產(chǎn)生非線性的關(guān)鍵因素。二極管線性化電路能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。我們采用工作在飽和區(qū)的CMOS晶體管形成二極管連接。這里線性化柵極偏置電路包括一個(gè)有源偏置結(jié)構(gòu)及一個(gè)二極管連接方式的CMOS晶體管，有源偏置結(jié)構(gòu)通過(guò)連接?xùn)艠O和漏極保持晶體管的工作狀態(tài)，通過(guò)電阻反饋減小外界變化及工藝條件波動(dòng)對(duì)偏置電壓的影響，二極管連接方式通過(guò)對(duì)CMOS反型層形成的抑制，使CMOS管的柵極與源極之間得到類似于二極管的輸入輸出特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大輸入功率條件下主路上晶體管電容變化的補(bǔ)償，提高了放大器的線性度。

如圖1所示，本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器，包括有依次串聯(lián)連接的高通T型匹配結(jié)構(gòu)的輸入匹配電路1、cascode結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)電路3和共源放大器結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)電路5，其中，所述輸入匹配電路1的輸入端連接外部射頻輸入信號(hào)RFin，所述輸出級(jí)電路5的輸出端連接負(fù)載R_L，所述輸入級(jí)電路3的輸入端和輸出級(jí)電路5的輸入端分別各連接一個(gè)具有有源偏置結(jié)構(gòu)的線性化柵極偏置電路2、4。

如圖2所示：

本發(fā)明所述的輸入匹配電路1包括相串聯(lián)的第一隔直電容C1和第四電感L4，其中，所述第一隔直電容C1的輸入端連接接外部射頻輸入信號(hào)RFin，所述第一隔直電容C1的輸出端和第四電感L4的輸入端共同通過(guò)第一到地電容C2接地，所述第四電感L4的輸出端連接輸入級(jí)電路3的輸入端。本發(fā)明所述的輸入匹配電路1，采用了T型結(jié)構(gòu)，輸入端連接第一隔直電容C1，并由相并聯(lián)的第一到地電容C2和相串聯(lián)的第四電感L4完成濾波工作，信號(hào)通過(guò)第四電感L4進(jìn)入輸入級(jí)電路。

本發(fā)明所述輸入級(jí)電路3的輸入端和輸出級(jí)電路5的輸入端分別連接的線性化柵極偏置電路2、4結(jié)構(gòu)相同，均包括有第一NMOS晶體管M3/M5和第二NMOS晶體管M4/M6，其中，所述第一NMOS晶體管M3/M5的源極接地，柵極與漏極相連并共同通過(guò)第一電阻R1/R4連接直流供電電源，所述的柵極和漏極還通過(guò)第二電阻R2/R5連接第二NMOS晶體管M4/M6的柵極，所述第二NMOS晶體管M4/M6的漏極通過(guò)第三電阻R3/R6與柵極相連構(gòu)成二極管結(jié)構(gòu)，所述第二NMOS晶體管M4/M6的源極連接輸入級(jí)電路3或輸出級(jí)電路5的輸入端，提供柵極偏置電壓。

如上所述，可以看出本發(fā)明的線性化柵極偏置電路2、4是由有源偏置電路部分和二極管電路部分構(gòu)成。本發(fā)明采用有源偏置電路，調(diào)節(jié)第一電阻R1/R4和第二電阻R2/R5的大小可以得到電路需要的偏置電壓，此偏置電路最大的優(yōu)點(diǎn)就是交直流穩(wěn)定。具體為NMOS晶體管的源極接地，柵極與漏極相連并通過(guò)第一電阻R1/R4連接直流供電電源，通過(guò)第二電阻R2/R5連接外部電路從而達(dá)到控制外部電壓輸出的目的。本發(fā)明采用二極管電路，第二NMOS晶體管M4/M6的柵極和漏極通過(guò)第三電阻R3/R6相連，形成二極管的連接方式。柵極之前通過(guò)第二電阻R2/R5與有源偏置電路相連，第二NMOS晶體管M4/M6的源極部分則與輸入級(jí)電路3或輸出級(jí)電路5中的NMOS管的柵極部分相連，形成柵極偏置。Ma的柵極電容變化的趨勢(shì)和Mb的柵極總電容變化的趨勢(shì)隨V_in的變化相反，所以總的輸入電容可以保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)，進(jìn)而可以有效的改善放大器的增益壓縮。

本發(fā)明所述的輸入級(jí)電路3包括有第三NMOS晶體管M1和第四NMOS晶體管M2構(gòu)成的cascode結(jié)構(gòu)，其中，所述的第三NMOS晶體管M1的源級(jí)接地，柵極分別連接線性化柵極偏置電路2中第二NMOS晶體管M4源極和輸入匹配電路1中第四電感L4的輸出端，漏極連接第四NMOS晶體管M2的源極，所述第四NMOS晶體管M2的柵極分別通過(guò)第三到地電容C6接地以及通過(guò)第四電阻R7連接第四NMOS晶體管M2的漏極，構(gòu)成負(fù)反饋，提高了整體電路的交流穩(wěn)定性，所述的漏極還通過(guò)第一電感L1連接直流供電電源，以及構(gòu)成輸出端通過(guò)第二隔直電容C3連接輸出級(jí)電路5和輸入端，濾除直流，保證交流信號(hào)的傳輸。

本發(fā)明所述的輸出級(jí)電路5包括第五NMOS晶體管M7的源極接地，柵極分別連接第二隔直電容C3的輸出端以及線性化柵極偏置電路4的輸出端，漏極通過(guò)第二電感L2連接直流供電電源，所述的漏極還分別連接第二到地電容C4的一端和第三隔直電容C5的一端，所述第四到地電容C4的另一端接地，第三隔直電容C5的另一端通過(guò)第三電感L3接地以及構(gòu)成輸出端連接負(fù)載R_L。

本發(fā)明的一種CMOS工藝2400MHz線性功率放大器，射頻輸入信號(hào)RFin進(jìn)入電路，通過(guò)第一隔直電容C1，第四電感L4，從第三NMOS晶體管M1的柵極進(jìn)入第一級(jí)放大電路，經(jīng)過(guò)功率放大后，從第四NMOS晶體管M2的漏極輸出，經(jīng)過(guò)第二隔直電容C3后從第五NMOS晶體管M7的柵極進(jìn)入第二級(jí)放大電路經(jīng)過(guò)功率放大后，從第五NMOS晶體管M7的漏極輸出，通過(guò)第三隔直電容C5后到達(dá)輸出端R_L，完成功率放大。