[发明专利]一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器

说明书

一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，输入巴伦、D类驱动级放大器电路、E类功率级放大器电路以及PCB上片上传输线变压器电路；该放大器通过应用在印刷电路板（PCB）上的传输线变压器，使其用作输出功率合成器和匹配电路。这种电路结构与在片上的传输线变压器相比，可以有效地克服硅衬底上的损耗，提高功率放大器的效率。

技术领域

本发明属于通信领域，尤其是射频功率放大器，尤其涉及一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器。

背景技术

无线通讯应用领域的收发架构和系统正逐渐向高集成度、低功耗、低成本的方向发展。射频功率放大器是无线通信系统中的重要模块之一，其性能的好坏直接影响整个通信系统能否正常工作并提供优质的服务。在许多移动通信发射机中，CMOS功率放大器(PA)可以方便地与各种数字控制电路集成，这对系统的小型化是十分有益的。

近些年来，随着CMOS制造工艺的快速发展，CMOS工艺的低功耗、低成本、高集成以及高灵活度等特点，使得CMOS有源器件的输出功率可以与砷化镓工艺相媲美，因此使用CMOS有源器件实现功率放大器已成为一种趋势。

随着无线射频技术的发展，通常将射频或微波无源器件集成在与CMOS工艺兼容的单片微波集成电路中。但是在低阻硅衬底上制备CPW、电感等元器件，随着频率的升高产生很大的损耗导致无法正常工作。为实现硅衬底上的低损耗特性，人们做出了很多努力，如用高阻硅衬底制备微波无源器件；在低阻硅上淀积二氧化硅厚膜绝缘层等。这些工艺不仅增加工艺复杂性，而且随着频率的升高，衬底存在的少量的电导率仍会引起信号导波模耦合进入衬底而产生较大的损耗。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，通过应用在印刷电路板（PCB）上的传输线变压器，使其用作输出功率合成器和匹配电路。这种电路结构与在片上的传输线变压器相比，可以有效地克服硅衬底上的损耗，提高功率放大器的效率。

本发明提出的应用片外变压器实现射频功率放大器的效率的方案原理图如图1所示。一种使用片外传输线路的CMOS射频功率放大器，主要有四个部分：输入巴伦、D类驱动级放大器电路、E类功率级放大器电路以及PCB上片上传输线变压器电路； D类驱动级是由经典的D类放大器串联组合而成，每一个D类放大器链包含3个相同的D类放大器；每个D类放大器的输入和输出通过反馈电阻器R_f连接，每一个D类放大器之间是通过隔直电容器C_B级联；两个D类放大器链的供电电压全部为VDD1；功率级的放大是采用两个差分的E类放大器，在每个E类放大器的输出端并联电容C_D，并且E类放大器的输出端与片外传输线变压器的输入端相连；每一个变压器由两条传输线组成，两个变压器串联在一起，可以实现功率组合的功能；其中，输入巴伦在输入端用于差分信号；驱动级由D类放大器链组成并给功率级提供方波信号；功率级采用差分E类放大器结构，以避免由于接地金属线和键合线而导致的增益降低；片外传输线变压器作为功率合成器和阻抗匹配；另外，利用片外传输线变压器的寄生电感和电容，以及附加的并联电容C_D，可以调整每个功率晶体管的负载阻抗匹配。通过调节并联电容C_D和变压器的长度和宽度，达到需要的输出功率。

RF信号输入到单输入双输出的输入巴伦，输入巴伦将信号差分为两部分信号；差分的信号分别输入到后面的两路D类驱动级放大器链，该驱动级将输入信号放大为方波信号提供给功率级放大器；E类功率级放大器的M2晶体管是作为开关管工作的，并且供电电压是由变压器的主要部件的VDD2提供，通过V_BIAS控制偏置电压实现对接收到的驱动级的功率进行放大；片外传输线变压器的结构如图2所示，功率级中每个E类放大器的输出端与片外传输线变压器的主要部分的输入端相连，片外传输线变压器将功率级的输出功率组合并输出到负载上。