[发明专利]微CMOS功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种输出变压器由多层结构的基板构成并与放大电路模块层叠而构成的微CMOS功率放大器。

背景技术

一般来说，无线终端所要求的事项包括低功率、低价格、小型化、高数据速率、SDR（软件定义无线电，支持多重标准功能）等。从功率放大器的设计方面来看，为了达到小型化和低价格，利用CMOS工艺而不是GaAs来减少外部SMT（表面安装）零件，并尽可能开发成内置于主流RF芯片中的方式。目前在功率放大器（PA）研究领域中，最成为争论点的是CMOS功率放大器。

CMOS功率放大器可通过RFIC（射频集成电路）的单一芯片来实现，而且还具有价格上的竞争力，因此可期待成为未来无线终端机用放大器。但是，为了设计成高传输率的发送端，要求功率放大器具有高线性，不幸的是CMOS功率放大器的线性比GaAs功率放大器差，因此需要用于对比进行补偿的发送端结构。

随着通信系统从GSM、CDMA、WCDMA等2G、3G发展成3GPP LTE、移动WiMAX等方式的3.5G、4G，需要传输的信号（主要是OFDM）逐渐变得更复杂。为此，无线终端的通信中，具有信号的频带变宽的特征，而且需要具有更高的峰均功率比（PAPR）。从而，要求终端机用的新一代功率发射器具有更高的线性和高效率。

被设计成线性CMOS功率放大器的芯片已被开发并在上市中，但还停留在低功率和中等功率范围内。作为低功率范围的放大器，代表性的是在蓝牙和超宽带通信（UWB）等中所使用的放大器。此外，作为中等功率范围的放大器，有用于代替在现有的WLAN中所使用的GaAs功率放大器的线性CMOS功率放大器（PA）等。

然而，迄今为止高输出范围的线性CMOS功率放大器没有常用化。其原因在于CMOS基板相比GaAs具有缺点而受到很多限制。

CMOS晶体管具有低击穿电压的特性，因此很难将CMOS功率放大器开发成高输出功率。因此，终端机用的功率放大器的最重要的因素中的一个即效率低，存在电池使用时间变短的缺点。这种缺点成为利用CMOS工艺的功率放大器常用化的绊脚石。

为了解决如上述的问题，作为克服CMOS晶体管的低击穿电压特性的技术，曾提出了应用共源共栅（cascode）方式及输出变压器的电压结合方式的方法。

特别是，利用变压器的差动结构，理想的是能够解决因接合线产生的晶体管的源极退化，因此能够获得更高的增益。

但是，为了作为手机用3G、4G功率放大器来使用，需要以1dB功率增益为基准输出30dBm以上。CMOS功率放大器即使将晶体管构成为两级的共源共栅，单端结构的功率放大器也只能输出以P1dB基准27dBm程度的最高输出。并且，由于没有背面通孔，所以源极没有接地，而造成性能降低严重。

此时如果使用双向（2-way）变压器，则能够形成源极的虚地（AC情况下的接地）。这种情况下，电流保持不变，但电压摆动增大2倍，输出功率提高到2倍（3dB），能够输出30dBm的功率。从而，为了提高CMOS功率放大器的输出，如上述的变压器的构成是必须具备的。

另一方面，上述变压器可以构成于CMOS芯片的内部或外部。构成于CMOS芯片外部的变压器称作片外变压器，构成于CMOS芯片内部的变压器称作片上变压器。

图1a为3G CMOS功率放大器的芯片照片。如图1a所示，将变压器构成于CMOS芯片内部而制成片上变压器方式的功率放大器。但是，变压器占芯片整个大小的50%。若减小变压器的大小，则效率和最大输出功率降低，因此不能减小。

而且，由于变压器构成于芯片内部，所以由硅介质使功率损失变大。一般来说，使用集总参数元件进行匹配时，因介质产生较大损失，但如果利用损失较小的板式电感器（slab inductor）方式的变压器，则能够减少很多该损失。

如图1b所示，片外变压器方式中，CMOS功率放大器和变压器分开构成。不能将CMOS芯片构成在变压器中央处的结构。构成于CMOS芯片外部的输出变压器方式能够克服功率损失较大的硅介质的缺点。

但是，如前所述，为了在CMOS功率放大器中提高输出，变压器的构成是必须具备的，但是变压器根据结构和材质而发生功率损失，并占功率放大器的整个芯片尺寸的接近50%的大小，因此成为常用化的绊脚石。

发明内容

本发明的目的在于解决如上述的问题，并提供一种输出变压器由多层结构的基板构成并与放大电路模块层叠而构成的微CMOS功率放大器。