一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器及功率控制方法

摘要

本发明公开了一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器及功率控制方法，属于射频集成电路技术领域，包括第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元、第四放大单元、第五放大单元，功率分配网络、功率合成网络、偏置开关控制单元。本发明通过控制单级放大单元特定MOS管工作或者不工作来调节输出功率，具体到某个MOS管来说，只有工作与不工作两种状态，通过提高多个可控通断的晶体管的数量，实现多档位可调；在最高输出功率档位时，功率放大器工作的晶体管全部工作，此时工作电流最大，输出功率降低，功率放大器工作的晶体管数目随之减少，功耗也随之降低；相比于基于衰减器的功率控制方式，低输出功率工作时功耗更低，效率更高。

说明书

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，具体涉及一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器及功率控制方法。

背景技术

毫米波为波长1-10mm的电磁波，相比频谱资源紧张的微波频段，毫米波具有更大的带宽，对于系统应用来说，意味着更大的数据率或更高的精度。因此毫米波技术在通信、雷达、遥感等领域有广阔的应用前景。

功率放大器是毫米波发射机中必不可少的电路，早期的毫米波功率放大器多用III-V族半导体工艺实现，随着CMOS工艺的发展，CMOS工艺器件射频性能显著提升，基于CMOS工艺的毫米波功率放大器是可行的。由于CMOS工艺具有低成本、高集成度的优点，越来越多的毫米波收发机系统基于CMOS工艺实现。

由于雷达、无线通信等系统，不同应用场景下对于功率放大器的输出功率要求有所不同。单芯片满足不同场景应用需求，实现多模应用是目前发展趋势，这就要求功率放大器要做到发射功率可根据具体需求灵活配置。

常规功率放大器功率控制主要包括以下两类：

第一类是通过调节模拟偏置电压方式实现功率控制，即通过调节改变电路的等效跨导的方式改变增益，实现放大器的功率控制，这种方法主要存在以下几个问题：

1)、在晶体管工作在饱和区的情况下，调节模拟偏置电压，由于电压可调范围有限，对增益的改变范围有限，尤其是且当偏置电压增加到一定值时，在增加偏置电压，增益几乎不变，却带来了功耗增加。

2)、当晶体管偏置在阈值电压附近时，尽管可以使其增益改变明显，但在此情况下，增益对偏置电压的波动十分敏感，对偏置电压精度要求较高。而且由于晶体管的阈值电压会随温度而发生变化，这会造成增益随温度波动明显。

3)、在特定工艺角下，如采用比较低的偏置电压，有进入亚阈值区的可能，降低电路的鲁棒性。

第二类是基于衰减器的功率控制，即功率放大器输出端串联衰减器实现功率控制，这种方法尽管可以实现大动态范围并实现线性功率控制，但这种功率控制方案缺点在于，无论输出功率在何种模式下，功率放大器本身输出功率始终不变，衰减器工作在衰减态时直接降低了发射机系统的效率。

上述问题亟待解决，为此，提出一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器及功率控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决常规功率放大器功率控制中存在的技术问题，并保证放大器的功耗随着输出功率降低而减小，从而保持相对较高的效率，提供了一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器，该功率放大器通过多位数字码控制放大单元内晶体管的通断数量，实现放大器输出功率控制。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元、第四放大单元、第五放大单元、功率分配网络、功率合成网络、偏置开关控制单元；所述第一放大单元通过所述功率分配网络输出两路信号，分别与所述第二放大单元、所述第四放大单元连接，所述第二放大单元与所述第三放大单元连接，所述第四放大单元与所述第五放大单元连接，所述第四放大单元、所述第五放大单元通过所述功率合成网络输出合成一路输出信号，所述偏置开关控制单元分别与所述第四放大单元、所述第五放大单元连接；所述第二放大单元与第四放大单元均连接第一控制信号，所述第三放大单元与第五放大单元均连接第二控制信号和第三控制信号，所述第四放大单元与第五放大单元均还连接第四控制信号，通过控制第一、第二、第三、第四控制信号的数字码，实现对功率放大器的功率控制。

更进一步地，所述第一放大单元输入为单端信号，输出为差分信号，所述第二放大单元、第三放大单元、第四放大单元、第五放大单元的输入及输出均为差分信号。

更进一步地，所述毫米波功率放大器还包括第一变压器、第二变压器，所述第二放大单元输出连接所述第一变压器的初级线圈，所述第一变压器的次级线圈连接增益可变的第三放大单元，所述第四放大单元输出连接所述第二变压器的初级线圈，所述第二变压器的次级线圈连接增益可变的第五放大单元。

更进一步地，所述第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元、第四放大单元、第五放大单元电路结构均采用基于交叉耦电容的共源差分放大器结构。

更进一步地，所述第二放大单元、第四放大单元所使用的晶体管尺寸相同，所述第三放大单元、第五放大单元所使用的晶体管尺寸相同。

更进一步地，所述第二放大单元、第四放大单元中两路均包括两个尺寸相同的晶体管，每路中一个晶体管的源级接地，另外一个晶体管的源级串联一个开关管，通过第一控制信号控制所述开关管栅极，使对应晶体管导通或关断。

更进一步地，所述第三放大单元、第五放大单元中两路均包括三个尺寸相同的晶体管，每路中一个晶体管的源级接地，另外两个晶体管的源级分别串联一个开关管，两个开关管分别通过第二控制信号、第三控制信号控制开关管的栅极，使对应晶体管导通或关断。

更进一步地，所述第三放大单元、第五放大单元通过第四控制信号，控制所述第三放大单元、第五放大单元偏置电压为0或工作电压，控制第三放大单元、第五放大单元的导通或关断。

更进一步地，第一、第二、第三、第四控制信号为数字输入信号，高电平为1，低电平为0，高电平时对应控制的晶体管或放大单元工作，低电平时对应控制的晶体管或放大单元不工作。

本发明还提供了一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器的功率控制方法，用于对上述的毫米波功率放大器进行功率控制，包括以下步骤：

S1：通过控制电压改变第一、第二、第三、第四控制信号的电平高低；

S2：根据功率控制需求选定控制码对整个功率放大器输出功率进行控制。

更进一步地，在所述步骤S2中，当第一、第二、第三、第四控制信号依次为1111时，功率放大器工作在输出功率为最大档位；第一、第二、第三、第四控制信号依次为0000时，功率放大器输出功率最小；在此外的其他控制码下，功率放大器输出功率在最大输出功率和最小输出功率之间，具有梯度间隔。

本发明相比现有技术具有以下优点：该基于CMOS工艺的毫米波功率放大器，通过控制单级放大单元特定MOS管工作或者不工作来调节输出功率，具体到某个MOS管来说，只有工作与不工作两种状态，通过提高多个可控通断的晶体管的数量，实现多档位可调，相比于调节偏置电压值的功率控制方式，调节范围更大，且减小了工艺角、温度变化对电路的影响；在最高输出功率档位时，功率放大器工作的晶体管全部工作，此时工作电流最大，输出功率降低，功率放大器工作的晶体管数目随之减少，功耗也随之降低；相比于基于衰减器的功率控制方式，低输出功率工作时功耗更低，效率更高；本发明在放大单元内晶体管源级串联开关管实现功率控制，相比于其他功率控制方式，降低了芯片面积和成本，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例中的整体架构示意图；

图2是本发明实施例中第一放大单元的电路原理图；

图3是本发明实施例中第二/第四放大单元的电路原理图；

图4是本发明实施例中第三/第五放大单元的电路原理图；

图5是本发明实施例中第三放大单元和第五放大单元的偏置开关控制原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～5所示，本实施例提供一种技术方案：一种基于CMOS工艺的毫米波功率放大器，包括第一放大单元11、第二放大单元12、第三放大单元13、第四放大单元14、第五放大单元15、功率分配网络、功率合成网络；

射频输入信号经第一巴伦T1将单端信号转为差分信号后进入第一放大单元11，第一放大单元11输出一路差分信号连接到功率分配网络输出两路差分信号，两路差分信号的其中一路输出连接增益可变的第二放大单元12，所述第二放大单元12输出连接第一变压器T3的初级线圈，所述第一变压器T3的次级线圈连接增益可变的第三放大单元13；两路差分信号的另一路输出连接增益可变的第四放大单元14，所述第四放大单元14输出连接第二变压器T5的初级线圈，所述第二变压器T5的次级线圈连接增益可变的第五放大单元15，所述第三放大单元13差分输出和所述第五放大单元15差分输出连接功率合成网络，经所述功率合成网络输出一路输出信号；第二放大单元12和第四放大单元14连接第一控制信号VC1，第三放大单元13和第五放大单元15连接第二控制信号VC2和第三控制信号VC3，第四放大单元14和第五放大单元15还连接第四控制信号VC4，通过控制第一、第二、第三、第四控制信号的数字码，可实现功率放大器的功率控制。

在本实施例中，所述第一放大单元11输入为单端信号，输出为差分信号，所述第二、第三、第四、第四输入及输出均为差分信号。

在本实施例中，所述第一、第二、第三、第四、第五放大单元电路结构采用基于交叉耦电容的共源差分放大器结构。

在本实施例中，所述第二、第四放大单元所使用晶体管尺寸相同，所述第三、第五放大单元所使用晶体管尺寸相同。

在本实施例中，所述第二、第四放大单元所使用共源差分放大器每路用于信号放大的晶体管包括两个尺寸相同的晶体管M2、M3/晶体管M5、M6，其中晶体管M2/M5的源级接地，另外晶体管M3/M6的源级对应串联一个开关管M4/M7，开关管M4/M7通过外部控制信号Vctrl1(即控制信号VC1)控制开关管的栅极，使对应晶体管导通或关断。

在本实施例中，所述第三、第五放大单元所使用共源差分放大器每路用于信号放大的晶体管包括三个尺寸相同的晶体管M8、M9、M11/晶体管M13、M14、M16，其中晶体管M8/M13的源级接地，另外晶体管M9、M11/M14、M16的源级分别对应串联一个开关管M10、M12/M15、M17，分别通过外部控制信号Vctrl2(即控制信号VC2)和Vctrl3(即控制信号VC3)控制开关管栅极，使对应晶体管导通或关断。

在本实施例中，所述第三、第五放大单元，可通过外部控制信号Vctrl4(即控制信号VC4)，控制第三、第五放大器偏置电压为0或工作电压，进而控制第三、第五放大器的导通或关断。

本实施例中还提供了一种毫米波功率放大器的功率控制方法，包括以下步骤：

S1：通过控制电压Vctrl1、Vctrl2、Vctrl3、Vctrl4为数字输入信号，高电平为1，低电平为0，高电平时对应控制的晶体管或放大单元工作，低电平时对应控制的晶体管或放大单元不工作；

S2：当Vctrl1、Vctrl2、Vctrl3、Vctrl4依次为1111时，功率放大器工作在输出功率为最大档位；Vctrl1、Vctrl2、Vctrl3、Vctrl4依次为0000，功率放大器输出功率最小；在此外的其他控制码下，功率放大器输出功率在最大输出功率和最小输出功率之间，并且具有梯度间隔。

综上所述，上述实施例的基于CMOS工艺的毫米波功率放大器，通过控制单级放大单元特定MOS管工作或者不工作来调节输出功率，具体到某个MOS管来说，只有工作与不工作两种状态，通过提高多个可控通断的晶体管的数量，实现多档位可调，相比于调节偏置电压值的功率控制方式，调节范围更大，且减小了工艺角、温度变化对电路的影响；在最高输出功率档位时，功率放大器工作的晶体管全部工作，此时工作电流最大，输出功率降低，功率放大器工作的晶体管数目随之减少，功耗也随之降低；相比于基于衰减器的功率控制方式，低输出功率工作时功耗更低，效率更高；本发明在放大单元内晶体管源级串联开关管实现功率控制，相比于其他功率控制方式，降低了芯片面积和成本，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。