[发明专利]功率放大器及控制功率放大器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于微波波段和毫米波段的功率放大器。

背景技术

近年来，在越来越广的应用中已经采用使用宽带毫米波(30GHz-300GHz)的无线装置。具体地，期望将使用毫米波的无线技术应用到高清晰度图像的无线通信以及千兆比特级别的高速无线数据通信。

此外，已经期望毫米波WPAN(无线个人局域网)作为高速无线通信网络。利用天线的方向性的毫米波WPAN采用涉及相对少的多路(multipath)的视距(LOS)通信和涉及相对多的多路的非视距(NLOS)通信。

IEEE802.15.3c建立了毫米波WPAN的标准，希望将前者的LOS通信应用于超高速下载。在该应用中，例如利用简单的二位调制(binarymodulation)或者QPSK(四相移键控)之类的四位调制(quaternarymodulation)，采用单个载波(单载波调制)来执行传输，以限制功耗，并且期望能够在下载目的地处进行电池驱动的操作。

此外，IEEE802.15.3c希望将后者的NLOS通信应用于未压缩视频流等，其中设想即使个人穿过传输路径进入NLOS环境通信也仍然可用。在该应用中，期望通过采用多载波执行传输(多载波调制)来实现高的多路抗扰性(multipath immunity)，例如采用OFDM(正交频分复用)等作为二次调制。

在这方面，与微米波波段相比，在低频下使用微波波段的无线LAN(2.4GHz/5GHz波段)预期是具有富多路(rich multi-paths)的绕射和反射无线电波，使得没有想到可以按照LOS环境和NLOS环境切换调制方案。然而，在某些情形下，按照传播环境从BPSK(二相移键控)、QPSK、16QAM(正交幅度调制)或64QAM中选择一个调制方案。

在应用于如上所述的应用中的无线装置中，在无线装置内的发射机中配备的功率放大器是关键的技术。尽管对于常规的功率放大器已经采用化合物半导体，在适合于批量制造的硅半导体的小型化的发展的帮助下，进一步发展了甚至可以在毫米波波段工作的基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的功率放大器，这些CMOS可以实现成本降低。

在非专利文件1中，使用130nm技术的CMOS，对于60-GHz波段已经在功率放大器中产生了2dBm的输出功率。

然而，在主要用于发射机前端的功率放大器中对于提高输出的挑战还未解决。

例如，假定在功率放大器中使用在CMOS工艺中形成的n沟道MOS(nMOS)。

在功率放大器中，随着nMOS持续小型化，与更高频率的趋势相关，nMOS的栅氧化物膜必须厚度减小，使得击穿电压更低，并且必须向其施加更低的电源电压。

另一方面，在多级放大器配置的功率放大器中，在放大器最后一级必须采取大电压幅度或电流幅度，以提高输出。在功率放大器中即使nMOS的小型化有进展，电流也不会减少多少，但是因为如上所述电源电压必须减小，因此不能保证足够的电压幅度。

在非专利文件2中，使用90nm技术的CMOS，对于60-GHz波段已经在功率放大器中产生了9.3dBm的输出功率。

然而，在非专利文件2中，电源电压超过了通常使用的电源电压(1.0-1.2V)，并且没有考虑实际应用中要求的可靠性。

主要通过MOS晶体管中的热载流子的退化，确定功率放大器中出现问题的可靠性。热载流子退化指的是以下现象：由沟道内的高电场加速的高能载流子被栅氧化物膜俘获，导致阈值电压和跨导的改变。热载流子退化的程度可以通过MOS晶体管的衬底电流(Isub)来监测。

根据专利文件1，MOS晶体管的热载流子退化的累积年龄(accumulationAge)由下面的等式(1)来表示。在这方面，等式(1)的倒数是MOS晶体管的归一化寿命。此外，等式(2)-(4)是计算等式(1)时使用的等式。

[等式1]