專利名稱：交叉耦合型c類射頻功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交叉耦合結(jié)構(gòu)的C類射頻功率放大器。
背景技術(shù)：
工作于免執(zhí)照的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻帶(ISM)的低功耗，低成本，短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)正在急劇發(fā)展。不僅IEEE802.11和藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)日益為流行，同時(shí)一系列專用目的的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也引起了人們的高度關(guān)注，他們包括住宅自動(dòng)化、遙控?zé)o鑰門(mén)禁、消費(fèi)電子、家庭自動(dòng)化、語(yǔ)音通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)抄表、健康監(jiān)測(cè)、供應(yīng)鏈管理等。這些應(yīng)用都需要采用非常低功耗、低成本的短距離通信器件(SRD)。
因?yàn)榈凸氖荢RD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于這種SRD，發(fā)送器的功率放大器是功耗的一個(gè)最主要部分，因此他們都采用比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低功耗。同時(shí)還常采用非常低的發(fā)送工作時(shí)間。另外，出于低功耗考慮，SRD的功率放大器都設(shè)計(jì)為工作在恒幅度的C類工作區(qū)。
射頻用的功率放大器需要有大的輸出功率能力，同時(shí)還必須工作在射頻頻率。對(duì)于一定的CMOS射頻工藝，其器件的最大工作頻率ft一定。射頻頻率越高，功率放大器的效率就會(huì)越低。因此一般采用特征尺寸越小的CMOS射頻工藝，效果越好。
但對(duì)電路設(shè)計(jì)者，由于成本，技術(shù)條件等限制，可用的工藝有限，因此需要采用各種設(shè)計(jì)技術(shù)，提高電路的高頻帶寬，將電路的性能最優(yōu)化。
常用的帶寬擴(kuò)展方法是采用電感調(diào)諧。如R.S.Narayanaswami，“RF CMOS Class CPower Amplifier for Wireless Communications，”P(pán)h.D Thesis，University of California，Berkeley，2001.但是，電感需要占用比較大的面積，特別是對(duì)全差分結(jié)構(gòu)，電感的面積更大。同時(shí)，電感的使用會(huì)使器件的漏極電壓有很大的增加，從而降低器件的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能夠減小電路芯片面積，提高電路器件可靠性的C類射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的C類射頻功率放大器，由三級(jí)組成。如圖1所示，第一級(jí)、第二級(jí)為射頻功率放大器的預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，他們將芯片內(nèi)產(chǎn)生的射頻信號(hào)逐級(jí)放大，用于驅(qū)動(dòng)第三級(jí)——輸出級(jí)；輸出級(jí)將信號(hào)通過(guò)芯片的PAD送到片外，并通過(guò)片外的匹配網(wǎng)絡(luò)與天線相連，通過(guò)天線將射頻信號(hào)發(fā)送出去。其中，第一級(jí)和第二級(jí)中負(fù)載采用PMOS管的交叉耦合結(jié)構(gòu)形式，來(lái)取代原來(lái)的電感負(fù)載；各級(jí)之間通過(guò)電容耦合的方法進(jìn)行傳送。這樣可以避免各級(jí)之間的偏置干擾問(wèn)題。耦合電容的大小根據(jù)各級(jí)負(fù)載來(lái)確定，負(fù)載越大，耦合電容也需要相應(yīng)地增加，以防射頻信號(hào)增益衰減。
本發(fā)明提出的交叉耦合型C類射頻功率放大器，由于采用交叉耦合結(jié)構(gòu)取代電感負(fù)載。因此，大大減少了電路芯片面積，提高了電路器件的可靠性。


圖1顯示射頻功率放大器的總體框圖。
圖2顯示第一級(jí)、第二級(jí)的示意圖。
圖3顯示輸出級(jí)的示意圖電路圖示。
圖4顯示射頻功率放大器的一種應(yīng)用框圖。
圖5顯示射頻功率放大器的另一種應(yīng)用框圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
圖2是本發(fā)明射頻放功率大器第一級(jí)、第二級(jí)的電路框圖。由射頻輸入放大管NMOS管nm1和nm2，負(fù)載PMOS管pm1、pm2、pm3和pm4經(jīng)電路連接組成。電路采用全差分結(jié)構(gòu)，NMOS管nm1和nm2為射頻輸入放大管，電阻R1和R2分別為nm1和nm2提供直流偏置電位，同時(shí)隔離射頻信號(hào)。在傳統(tǒng)的射頻放大器中，nm1和nm2的負(fù)載是由電感提供。在本發(fā)明中，PMOS管pm1和pm3組合為NMOS管nm1提供負(fù)載；PMOS管pm2和pm4組合為NMOS管nm2提供負(fù)載。其中pm1和pm2分別通過(guò)電阻R3和R4接成二極管電阻負(fù)載形式，為放大器提供正常負(fù)載，電阻R3和R4的加入是為pm1和pm2的柵極提供直流偏置，同時(shí)可以隔離pm1和pm2柵極的寄生電容影響。PMOS管Pm3和pm4接成交叉耦合結(jié)構(gòu)，此交叉耦合結(jié)構(gòu)工作時(shí)提供交流負(fù)阻抗，從而降低射頻放大器的總體交流阻抗，使輸出節(jié)點(diǎn)的有效極點(diǎn)大大提高，從而提高了放大器的高頻響應(yīng)特性，提高了放大器的射頻增益特性。這個(gè)負(fù)載結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電感負(fù)載結(jié)構(gòu)相比，芯片面積大大減小。同時(shí)射頻輸入放大管nm1和nm2漏極的輸出電壓也更低，這樣可以使其可靠性能大大提高。
射頻放大器的第二級(jí)電路結(jié)構(gòu)與第一級(jí)相同。其與第一級(jí)的主要差別是驅(qū)動(dòng)能力比第一級(jí)大，因此其射頻輸入放大管的尺寸也更大。
圖3為輸出級(jí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。它由射頻輸出放大管(NMOS管)nm3和nm4，共柵放大器(NMOS管)nm5和nm6，可調(diào)偏置電路經(jīng)電路連接組成。nm3和nm4為輸出級(jí)的射頻輸入放大管，其尺寸的選取與最大輸出功率的要求有關(guān)。電阻R5和R6分別為nm3和nm4提供直流偏置電位，同時(shí)隔離射頻信號(hào)。NMOS管nm5和nm6為輸出級(jí)的共柵放大器，與輸入放大器形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以消除共源輸入放大器的米勒效應(yīng)，從而提供了輸出輸入端口之間的隔離，取得了更大的增益帶寬積。NMOS管nm5和nm6的柵極接到電源上，這樣可以降低其對(duì)輸出信號(hào)的擺幅限制。
功率放大器的輸出功率控制是通過(guò)輸出級(jí)的偏置部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？烧{(diào)偏置電路由NMOS管nm7、分壓電阻串R7、R8、R9和R19，模擬選擇開(kāi)關(guān)SW1組成。分壓電阻串抽頭提供不同的偏置電壓，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇，可以給放大器輸出級(jí)的輸入放大管提供不同的偏置，從而實(shí)現(xiàn)了不同輸出功率的調(diào)節(jié)。
圖4和圖5分別是射頻功率放大器的應(yīng)用框圖。圖4是采用環(huán)路天線的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，芯片外的電容與環(huán)路天線一起形成匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率最優(yōu)化，環(huán)路天線的中心抽頭接電源，為射頻功率放大器提供電源，同時(shí)需要加入到地的去耦濾波電容，提高電源的穩(wěn)定性。
圖5給出了用于與50Ohm射頻系統(tǒng)相連接的匹配應(yīng)用電路框圖。圖中的匹配網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能1)給功率放大器提供阻抗匹配；2)提供差分到單端的轉(zhuǎn)換；3)為功率放大器提供電源；4)實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出阻抗到50Ohm射頻系統(tǒng)的阻抗變換。
權(quán)利要求
1.一種交叉耦合型C類射頻功率放大器，其特征在于由三級(jí)組成，其中第一級(jí)和第二級(jí)為預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，他們將芯片內(nèi)產(chǎn)生的射頻信號(hào)逐級(jí)放大，用于驅(qū)動(dòng)第三級(jí)——輸出級(jí)；輸出級(jí)將信號(hào)通過(guò)芯片的PAD送到片外，并通過(guò)片外的匹配網(wǎng)絡(luò)與天線相連，通過(guò)天線將射頻信號(hào)發(fā)送出去；其中，第一級(jí)和第二級(jí)中負(fù)載采用PMOS管的交叉耦合結(jié)構(gòu)形式，來(lái)取代原來(lái)的電感負(fù)載；各級(jí)之間通過(guò)電容耦合的方法進(jìn)行傳送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉耦合型C類射頻功率放大器，其特征在于所述第一級(jí)和第二級(jí)電路由射頻輸入放大管NMOS管nm1和nm2，負(fù)載PMOS管pm1、pm2、pm3和pm4經(jīng)電路連接組成，電路采用全差分結(jié)構(gòu)，電阻R1和R2分別為nm1和nm2提供直流偏置電位，同時(shí)隔離射頻信號(hào)；PMOS管pm1和pm3組合為NMOS管nm1提供負(fù)載；PMOS管pm2和pm4組合為NMOS管nm2提供負(fù)載；pm1和pm2分別通過(guò)電阻R3和R4接成二極管電阻負(fù)載形式，為放大器提供正常負(fù)載，PMOS管Pm3和pm4接成交叉耦合結(jié)構(gòu)形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉耦合型C類射頻功率放大器，其特征在于所述的輸出級(jí)電路由射頻輸出放大管NMOS管nm3和nm4，NMOS管nm5和nm6和可調(diào)偏置電路經(jīng)電路連接組成，其中，nm3和nm4為輸出級(jí)的射頻輸入放大管，電阻R5和R6分別為nm3和nm4提供直流偏置電位，同時(shí)隔離射頻信號(hào)，NMOS管nm5和nm6為輸出級(jí)的共柵放大器，與輸入放大器形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，NMOS管nm5和nm6的柵極接到電源上，可調(diào)偏置電路由NMOS管nm7、分壓電阻串R7、R8、R9和R19，模擬選擇開(kāi)關(guān)SW1組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于通信器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種交叉耦合型C類射頻功率放大器結(jié)構(gòu)。該功率放大器由三級(jí)組成，其中第一級(jí)和第二級(jí)為預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級(jí)，他們將芯片內(nèi)產(chǎn)生的射頻信號(hào)逐級(jí)放大，用于驅(qū)動(dòng)第三級(jí)——輸出級(jí)；輸出級(jí)將信號(hào)通過(guò)芯片的PAD送到片外，并通過(guò)片外的匹配網(wǎng)絡(luò)與天線相連，通過(guò)天線將射頻信號(hào)發(fā)送出去；其中，第一級(jí)和第二級(jí)中負(fù)載采用PMOS管的交叉耦合結(jié)構(gòu)形式，來(lái)取代原來(lái)的電感負(fù)載；各級(jí)之間通過(guò)電容耦合的方法進(jìn)行傳送。本發(fā)明可大大減少電路芯片面積，提高電路器件的可靠性。
文檔編號(hào)H03F3/20GK1870421SQ20061002611
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者張海清 申請(qǐng)人:張海清