[发明专利]一种0.1～3GHzCMOS增益可调驱动功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)射频功率放大器和集成电领域，特别是覆盖面向行业专网频段应用的一种超宽带CMOS增益可调驱动功率放大器。

背景技术

手机、无绳电话、射频标签(RFID)、无线局域网(WLAN)等无线通信市场的快速发展，不断推动射频前端收发器向高集成、低功耗、结构紧凑、价格低廉的方向发展。越来越多的单片射频收发通信系统采用价格低廉且相对成熟可靠的CMOS工艺设计实现，这就要求越来越多的通信系统子模块在保证高性能的同时务必采用CMOS工艺进行设计，从而实现高度集成、成本低廉、性能可靠的单片射频通信系统。

功率放大器(简称功放，英文缩写PA)是无线发射器中必不可少的子模块，也是整个发射机中耗能最多的部件，输出功率一般比较大。驱动功率放大器则是末级功率放大器前端的重要模块，当发射机末级混频器输出信号功率较小，同时末级功率放大器需要驱动功率信号又较大时，驱动功率放大器发挥了重要的作用。同时，为防止驱动功放增益过高而使得末级功率放大器过饱和，一般驱动功率放大器具有增益可调功能。

现代通信技术为了提高频谱利用率，普遍采用同时调幅调相的技术，要求功放有很好的线性度；通信的移动特性要求功放的功率效率尽可能地高。由于扩频技术及通信系统高速收发速率的需要，超宽带射频功率放大器和超宽带增益可调射频驱动功率放大器的需求越来越高。

目前CMOS增益可调射频驱动功率放大器的设计难点在于超宽带条件下实现高增益动态范围，良好的平坦度，更小的芯片面积和更低的成本。堆叠式结构的晶体管纵向排列（series configuration），用以提高输出电压摆幅，最佳输出负载阻抗也得到了提升，使输出电路阻抗匹配更加容易实现，同时，输入电路阻抗维持恒定，从而避免了输入、输出匹配网络带来的功率损耗，提高了电路的效率。但是，传统的基于CMOS工艺的单级堆叠结构存在如下的问题：1）功率增益较低2）超宽带输入匹配难度较大3）高频增益衰退严重。同时，堆叠式结构的功率放大器无法实现增益控制功能。

目前，频率在0.1～1.2GHz范围内的宽带无线接入设备主要用于行业专网，但是行业专网的频点和带宽种类繁多，标准不统一。同时覆盖1.2GHz～5GHz用于商用及民用领域的通信系统种类更多。为了降低设计成本，提高电路通用性，超宽带功率放大器的需求越来越迫切，从而针对超宽带增益可调驱动功率放大器的需求也随之升温。然而，目前覆盖行业专网频段所用的射频前端芯片多数被国外公司所垄断，超宽带功率放大器电路（包括增益可调驱动功率放大器）也亦如此。行业专网核心器件应用国外芯片还存在诸多问题。

相对于其它无线收发组件，大功率、高线性、高效率是功率放大器的基本设计要求。目前很多商用功放使用GaAs器件，但是，GaAs器件比CMOS Si器件造价高，且混合工艺做成的系统体积比较大，而流行的片上系统要求功放能和其它射频前端组件、基带电路、DSP电路等用主流的CMOS工艺集成在同一芯片上，以减小体积、降低造价、增加系统可靠性。由于它的低成本、小面积、高集成度以及低功耗等优点，CMOS技术在超宽带功率放大器领域越来越受到人们的关注。在CMOS射频前端中，低噪声放大器、混频器、滤波器、放大器的研究和设计比较成熟，而宽带、高效率、高线性的深亚微米CMOS射频功率放大器仍然是CMOS片上系统最难实现的组件之一。

常见的增益可调驱动功率放大器的电路基本结构有很多，如增益可调共源极放大器等，要想同时满足各项参数的要求十分困难。

目前基于CMOS工艺的增益可调驱动功率放大器设计难点如下：

1.超宽带下的传统方法的芯片面积较大；

2.超宽带下的输入、输出匹配电路的难点加大；

3.超宽带条件下的可调增益平坦度难度较大。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种0.1～3GHz CMOS增益可调驱动功率放大器，是一种覆盖面向行业专网应用频段0.1～1.2GHz的超宽带增益可调驱动功率放大器电路结构，其设计频段可达0.1～3GHz，使其具有增益可调功能、良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。