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一種全差分e類功率放大器的制作方法

文檔序號:7526611閱讀:273來源:國知局

專利名稱::一種全差分e類功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
:本發(fā)明涉及射頻集成電路設(shè)計
技術(shù)領(lǐng)域
,特別是一種SiGeBiCMOS(鍺化硅雙極_互補金屬氧化物半導體)全差分E類功率放大器。
背景技術(shù)
:近年來,隨著射頻集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,日常生活中使用到了許多無線通信產(chǎn)品,而不斷增長的低功耗,低成本和便攜性要求對這些無線通信產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的標準。目前,利用CM0S(互補金屬氧化物半導體)工藝集成單芯片射頻收發(fā)機已經(jīng)有很多成功案例,但是在射頻收發(fā)機前端片上集成高性能功率放大器(PowerAmplifier,PA)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于功率放大器具有高輸出功率,在整個系統(tǒng)中占據(jù)功耗的絕大部分,故功率放大器的功率效率就顯得尤為關(guān)鍵,是系統(tǒng)性能的重要指標。而采用CMOS技術(shù)單片集成高效率功率放大器,又受到器件較低的擊穿電壓、較小的電流驅(qū)動能力和較高襯底損耗的影響,很難達到。功率放大器在類型上分為許多種,其中A、B、AB、C類功放為傳統(tǒng)功放,在工作時晶體管處于放大狀態(tài),可等效為電流源,但效率一般較低;而D類、E類、F類功放為非線性功放,其中E類功放工作時晶體管可以等效為開關(guān),且理論上具有100%的效率,可廣泛應(yīng)用于恒包絡(luò)調(diào)制信號放大,如FM及GMSK等通信系統(tǒng)信號。典型的單端E類功率放大器結(jié)構(gòu)如圖l所示,該結(jié)構(gòu)可工作在較低電源電壓下。這種功率放大器調(diào)諧到利用高階電抗網(wǎng)絡(luò)來改變開關(guān)電壓的波形,使其在開關(guān)導通時電壓值和斜率均為零,從而減少功率損耗,提高功率效率。但是這種傳統(tǒng)的一級單端結(jié)構(gòu)沒有辦法很好地抑制二次諧波,會帶來比較嚴重的諧波失真和耦合失真,另外一級功率放大結(jié)構(gòu)的輸入信號過大,從而降低功率效率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目是提供一種SiGeBiCMOS(鍺化硅雙極_互補金屬氧化物半導體)全差分E類功率放大器,該功率放大器結(jié)合了Bipolar(雙極型)器件和CMOS器件兩者的特點,利用了SiGeBiCMOS技術(shù)的器件功率優(yōu)勢,具有高功率效率,低諧波失真,低電源電壓,結(jié)構(gòu)簡單、工作速度快、功耗低等優(yōu)點。本發(fā)明所述的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器是由Bipolar器件、CM0S器件和無源器件相結(jié)合組成的電路,即差分輸入對是Bipolar器件,交叉耦合對是N型M0S管,提供小偏置電流,旨在提高功率放大器的工作速度。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的—種SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器,含INI端、IN2端、0UT1端、0UT2端、BIAS1端、BIAS2端、BIAS3端、BIAS4端、VDD端和地線GND端,INI端和IN2端是所述SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器的差分信號輸入端,OUTl端和0UT2端是所述SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器的差分信號輸出端;本發(fā)明的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器還含第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第一M0S管M1、第二M0S管M2、第三M0S管M3、第四M0S管M4、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第五電感L5、第六電感L6、第一電阻Rl、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6,第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3和第四晶體管Q4是SiGeNPN管,第一M0S管Ml、第二M0S管M2、第三M0S管M3和第四M0S管M4是NM0S管,具體連接方式是第一晶體管Ql的基極與IN1端連接,發(fā)射極與地線GND連接,集電極與第三晶體管Q3的基極連接,第二晶體管Q2的基極與IN2端連接,發(fā)射極與地線GND連接,集電極與第四晶體管Q4的基極連接,第三晶體管Q3的基極與第一晶體管Q1的集電極連接,發(fā)射極與地線GND連接,集電極與第三M0S管M3的漏極連接,第四晶體管Q4的基極與第二晶體管Q2的集電極連接,發(fā)射極與地線GND連接,集電極與第四M0S管M4的漏極連接,第一M0S管Ml的柵極與第二晶體管Q2的集電極連接,源級與地線GND連接,漏極與第一晶體管Q1的集電極連接,第二M0S管M2的柵極與第一晶體管Q1的集電極連接,源級與地線GND連接,漏極與第二晶體管Q2的集電極連接,第三M0S管M3的柵極與第四晶體管Q4的集電極連接,源級與地線GND連接,漏極與第三晶體管Q3的集電極連接,第四MOS管M4的柵極與第三晶體管Q3的集電極連接,源級與地線GND連接,漏極與第四晶體管Q4的集電極連接,第一電感Ll跨接在VDD端和第一晶體管Ql的集電極之間,第二電感L2跨接在VDD端和第二晶體管Q2的集電極之間,第三電感L3跨接在VDD端和第三晶體管Q3的集電極之間,第四電感L4跨接在VDD端和第四晶體管Q4的集電極之間,第五電感L5跨接在第一電容Cl和第三電容C3之間,第六電感L6跨接在第二電容C2和第四電容C4之間,第一電阻Rl跨接在BIAS1端和IN1端之間,第二電阻R2跨接在BIAS2端和IN2端之間,第三電阻R3跨接在BIAS3端和第三晶體管Q3的基極之間,第四電阻R4跨接在BIAS4端和第四晶體管Q4的基極之間,第一電容Cl跨接在第三電感L3和地線GND之間,第二電容C2跨接在第四電感L4和地線GND之間,第三電容C3跨接在第五電感L5和0UT1端之間,第四電容C4跨接在第六電感L6和OUT2端之間,第五電容C5跨接在0UT1端和地線GND之間,第六電容C6跨接在0UT2端和地線GND之間。本發(fā)明能夠通過簡單的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對差分輸入信號的二級功率放大。工作在射頻頻段的E類功率放大器,由于功率放大級晶體管可以等效為高速開關(guān),若只是單純的一級放大,為了使開關(guān)晶體管快速開關(guān)切換,輸入信號擺幅必須足夠大,導致輸入功率相應(yīng)增大,則功率放大器的重要指標——功率附加效率(PowerAddedEfficiency,PAE)就會因此降低,如(I)所示,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>所以,本發(fā)明采用兩級結(jié)構(gòu),充分利用E類功放的高效率特性。第一級預(yù)放大級對輸入恒包絡(luò)調(diào)制信號進行預(yù)處理,使其能夠滿足第二級功率放大級輸入端的快速開關(guān)要求,在每一級中都加入交叉耦合對結(jié)構(gòu),進一步加快開關(guān)速度,滿足高頻應(yīng)用,并降低主開關(guān)管的寬長比。同時,差分輸入也避免了二次諧波對襯底的影響,充分濾除二次及高階偶次諧波,消除襯底耦合,使器件不易被擊穿。與CMOS工藝相比,SiGeBiCM0S工藝具有更高的特征頻率,典型的0.35umSiGeBiCM0S工藝具有45GHz以上的特征頻率,從而能有效減少噪聲。另外,SiGeBiCM0S技術(shù)能充分改善Bipolar器件的大信號性能,提高器件擊穿電壓,通過增加柵氧厚度和延展漏區(qū)也可以提高相應(yīng)M0S器件的性能,從而特別適合于功率放大器的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的E類功放器相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于現(xiàn)以采用0.18iimSiGeBiCMOS工藝設(shè)計的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器為例說明之。(1)、工作效率高本發(fā)明的工作效率理論值是100%,實際仿真表明,由于開關(guān)管損耗、天線非線性阻抗和電路寄生效應(yīng)的影響,工作效率仍然能夠達到60%,遠遠高于A/B/AB/C類等線性功率放大器,也高于一般的CMOSD/E/F類非線性功率放大器。(2)、功耗低本發(fā)明的低功耗特性用以下指標表征本發(fā)明的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器的供電電壓為1.8V,低于傳統(tǒng)CMOS功率放大器的3.3V/5V供電。(3)、抑制二次諧波,減少襯底耦合本發(fā)明采用全差分結(jié)構(gòu),充分抑制了二次諧波對襯底的干擾,仿真表明,二次諧波抑制能力是傳統(tǒng)單端E類功放的10倍。圖1為現(xiàn)有的單端E類功率放大器電路圖圖2為本發(fā)明的全差分E類功率放大器電路圖圖3為本發(fā)明的全差分E類功率放大器輸出功率特性曲線圖圖4為本發(fā)明的全差分E類功率放大器功率附加效率(Power-addedEfficiency,PAE)指標仿真特性曲線圖具體實施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案就是具體的實施例,這里就不再贅述實施例。下面詳盡描述本發(fā)明工作過程。參閱圖2,BIAS1端和BIAS2端偏置在1.2V,BIAS3端和BIAS4端偏置在800mV,通過合理調(diào)整偏置電阻使預(yù)放大級和功率放大級中晶體管分別偏置在放大區(qū)和飽和區(qū)邊界,恒包絡(luò)輸入信號通過IN1端和IN2端差分輸入,經(jīng)過預(yù)放大后從第一晶體管Ql的集電極和第二晶體管Q2的集電極輸出,形成快速開關(guān)的近似尖峰脈沖信號,驅(qū)動功率放大級的差分輸入端,并經(jīng)過功率放大后從0UT1端和0UT2端輸出到天線。在預(yù)放大級工作時,第一晶體管Ql和第二晶體管Q2可等效為開關(guān),當開關(guān)斷開時,集電極電流為0,開關(guān)閉合時,晶體管可等效為導通電阻Ron,IN1端為正時,IN2端反相為負,第一晶體管Q1導通,第二晶體管Q2關(guān)閉,同時由于第二晶體管Q2集電極為高電平,所以第一MOS管Ml導通,第二MOS管M2截止,這樣加速了第一晶體管Ql進入放大區(qū),反之同理,交叉耦合對第一MOS管Ml和第二M0S管M2提高了開關(guān)速度,進一步降低了器件尺寸。在功率放大級工作時,第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第三M0S管M3、第四MOS管M4工作原理類似預(yù)放大級Ll中的第一晶體管Ql、第二晶體管Q2、第一M0S管Ml、第二M0S管M2,第三M0S管M3和第四M0S管M4組成交叉耦合對,第一電容Cl、第三電容C2和第五電感L5的一部分組成0UT1端前的E類功率放大器諧振主電路,第二電容C2、第四電容C4和第六電感L6的一部分組成0UT2端前的E類功率放大器諧振主電路,它們的值可以根據(jù)經(jīng)典公式推導<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中Q為負載值,R為優(yōu)化負載電阻值。第五電容C5和第五電感L5的一部分將0UT1端的天線負載下變換到優(yōu)化負載電阻值,第六電容C6和第六電感L6的一部分將0UT2端的天線負載下變換到優(yōu)化負載電阻值,最終在OUTl端和0UT2端輸出差分功率信號。本發(fā)明的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器的兩級輸出功率特性曲線見圖3,可以看出,輸出功率ldB壓縮點高達25dBm。輸出端功率附件增益PAE隨振蕩頻率變化曲線見圖4。整個設(shè)計的所有器件尺寸見表1。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在整個SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器中,充分利用了SiGeBiCMOS的技術(shù)特點用BipolarNPN管作為輸入管代替了傳統(tǒng)MOS管作為輸入級,用NMOS管作為差分耦合對,減小了器件尺寸,節(jié)省了芯片面積。本發(fā)明的SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器廣泛適于FM、GMSK信號調(diào)制,可以應(yīng)用于GSM系統(tǒng)及RFID系統(tǒng)等應(yīng)用。權(quán)利要求一種SiGeBiCMOS全差分E類功率放大器,含IN1端、IN2端、OUT1端、OUT2端、BIAS1端、BIAS2端、BIAS3端、BIAS4端、VDD端和地線GND端,IN1端和IN2端為差分信號輸入端,OUT1端和OUT2端為差分信號輸出端,其特征在于該功率放大器還含第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第五電感L5、第六電感L6、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5及第六電容C6;第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3和第四晶體管Q4是SiGeNPN管;第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4是NMOS管;其具體連接方式為第一晶體管Q1的基極與IN1端連接、發(fā)射極與地線GND連接、集電極與第三晶體管Q3的基極連接;第二晶體管Q2的基極與IN2端連接、發(fā)射極與地線GND連接、集電極與第四晶體管Q4的基極連接;第三晶體管Q3的基極與第一晶體管Q1的集電極連接、發(fā)射極與地線GND連接、集電極與第三MOS管M3的漏極連接;第四晶體管Q4的基極與第二晶體管Q2的集電極連接、發(fā)射極與地線GND連接、集電極與第四MOS管M4的漏極連接;第一MOS管M1的柵極與第二晶體管Q2的集電極連接、源級與地線GND連接、漏極與第一晶體管Q1的集電極連接;第二MOS管M2的柵極與第一晶體管Q1的集電極連接、源級與地線GND連接、漏極與第二晶體管Q2的集電極連接;第三MOS管M3的柵極與第四晶體管Q4的集電極連接、源級與地線GND連接、漏極與第三晶體管Q3的集電極連接;第四MOS管M4的柵極與第三晶體管Q3的集電極連接、源級與地線GND連接、漏極與第四晶體管Q4的集電極連接;第一電感L1跨接在VDD端和第一晶體管Q1的集電極之間,第二電感L2跨接在VDD端和第二晶體管Q2的集電極之間,第三電感L3跨接在VDD端和第三晶體管Q3的集電極之間,第四電感L4跨接在VDD端和第四晶體管Q4的集電極之間,第五電感L5跨接在第一電容C1和第三電容C3之間,第六電感L6跨接在第二電容C2和第四電容C4之間,第一電阻R1跨接在BIAS1端和IN1端之間,第二電阻R2跨接在BIAS2端和IN2端之間,第三電阻R3跨接在BIAS3端和第三晶體管Q3的基極之間,第四電阻R4跨接在BIAS4端和第四晶體管Q4的基極之間,第一電容C1跨接在第三電感L3和地線GND之間,第二電容C2跨接在第四電感L4和地線GND之間,第三電容C3跨接在第五電感L5和OUT1端之間,第四電容C4跨接在第六電感L6和OUT2端之間,第五電容C5跨接在OUT1端和地線GND之間,第六電容C6跨接在OUT2端和地線GND之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種全差分E類功率放大器,該放大器是由Bipolar器件、CMOS器件和無源器件相結(jié)合組成的電路,即差分輸入對是Bipolar器件,交叉耦合對是NMOS管,采用兩級結(jié)構(gòu),第一級預(yù)放大級對輸入恒包絡(luò)調(diào)制信號進行預(yù)處理,使其能夠滿足第二級功率放大級輸入端的快速開關(guān)要求,在每一級中都加入交叉耦合對結(jié)構(gòu),進一步加快開關(guān)速度,滿足高頻應(yīng)用,并降低主開關(guān)管的寬長比。同時,差分輸入也避免了二次諧波對襯底的影響,充分濾除二次及高階偶次諧波,消除襯底耦合,使器件不易被擊穿。本發(fā)明具有高功率效率,低諧波失真,低電源電壓,結(jié)構(gòu)簡單,工作速度快,功耗低等優(yōu)點。文檔編號H03F3/20GK101697478SQ200910197849公開日2010年4月21日申請日期2009年10月29日優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日發(fā)明者周進,崔建明,王超,田亮,賴宗聲,阮穎,陳磊,顧彬,馬和良,黃愛波申請人:華東師范大學;
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