阅读说明：本技术 适用于射频功放的八路功率合成谐波控制功率放大电路 (The eight road power combing harmonic controling power amplification circuits suitable for RF power amplification ) 是由 蔡禾嘉 洪志良 于 2019-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于集成电路设计技术领域,具体为一种适用于射频功率放大器的八路功率合成谐波控制电路。本发明的射频功率放大器由第一级功率预放大电路、第二级功率预放大电路和输出级主功率放大电路构成；主功率放大电路由功率放大电路、8路电流-电压模式的功率合成1：2片上变压器以及谐波控制电路构成,功率放大电路由隔直电容、偏置电阻、NMOS功率管组成；所述变压器能够在不改变最优负载阻抗的情况下,增加多个高输出功率放大电路,缓解寄生电容带来的影响,并显著提高输出功率,达到CMOS技术非常难以达到的高输出功率。本发明方案由多个功率放大级连接,有助于显著提高输出功率,可以作为射频功率放大器,也可以应用于诸多具备功率放大功能的设备中。(The invention belongs to IC design technical field, specially a kind of eight road power combing harmonic controling circuits suitable for radio-frequency power amplifier.Radio-frequency power amplifier of the invention is made of first order power pre-amplification circuit, second level power pre-amplification circuit and the main power amplification circuit of output stage；Main power amplification circuit is made of power amplification circuit, the power combing 1:2 on-chip transformer of 8 road current-voltage modes and harmonic controling circuit, and power amplification circuit is made of capacitance, biasing resistor, NMOS power tube；The transformer can increase multiple high-output power amplifying circuits in the case where not changing optimal load impedance, and alleviating parasitic capacitance bring influences, and significantly improves output power, reach the high-output power that CMOS technology is very difficult to reach.The present invention program is connected by multiple power-amplifier stages, helps to significantly improve output power, can be used as radio-frequency power amplifier, also can be applied in many equipment for having power amplification function.)

适用于射频功放的八路功率合成谐波控制功率放大电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适用于射频功率放大器的八路功率合成谐波控制功率放大电路。

背景技术

近年来无线通信产业发生了巨大的变化，无线通信技术大大提高了人们的生活质量，全球无线通信技术的快速持续发展成为了21世纪工业发展的核心之一。随着无线通信的快速增长，无线终端的生产厂商们提高收益的最主要方法之一即是减少终端的成本。在射频功率放大器的设计中，由于其对输出功率，线性度的要求，现如今主流的功率放大器大多使用GaAs或者SiGe来进行设计，如果要进一步减少成本，那么集成度高、相对廉价的CMOS工艺成为了必然的选择，但是由于CMOS工艺的一些缺点——片上无源器件Q值较低、衬底损耗较大、有源器件击穿电压过低等问题的存在，使得用CMOS工艺下的射频应用具有非常大的挑战性，因此，各种技术应运而生。而八路功率合成谐波控制功率放大电路便是针对CMOS工艺下各种问题提出的技术。

由于CMOS工艺下，有源器件击穿电压较低，非耐压的情况下的电源电压往往低于2V，如果要输出非常大的功率的话，那么管子的尺寸必然会取得非常大，这便会导致两个严重的问题，一个是管子的寄生电容较大，使得在较高频率的时候，功率放大的增益变得非常低，使得非线性变得非常强烈，二是如此大的电流，给版图设计带来了非常大的困难，而且如此大的电流，也会使得寄生电阻带来的损耗异常明显，降低功率放大器的效率，同时也给散热带来了严峻的考验，这样的问题就使得设计大功率的CMOS射频功率放大器非常困难，而功率合成技术就可以很好地缓解这个问题，而如果要获得2W以上的输出功率的话，使用八路功率合成几乎可以说是必然的。另一方面，大多数的射频功率放大器，由于考虑到输出的线性度和效率的折中，大多数会偏置在AB类，AB类的功率放大器有一个特征，就是在输出功率较大的时候，会产生非常明显的增益衰减，而且由于功率放大器工作在大信号的状态，因此栅电容对其线性度的影响非常大（栅电容会根据栅电压而变化），因此加入辅助功率放大有助于进一步地提高线性度和效率。在射频功率放大器的阻抗匹配中，电容是必不可少的元件，合理利用版图面积，利用电容实现高阶的谐波控制，有利于衰减二次和三次谐波，在不影响现有电路的基础上，进一步提高整体电路的线性度。

本发明针对适用射频功率放大器的八路功率合成谐波控制功率放大电路，通过八路功率合成和谐波控制电路，来提高射频功率放大器的输出功率和线性度，实现一般技术下无法达到的高输出功率高线性度的射频功率放大器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出功率和线性度高的适用射频功率放大器的八路功率合成谐波控制功率放大电路。

本发明提供的适用于射频功率放大器的八路功率合成谐波控制功率放大电路，通过八路功率合成和谐波控制电路，来提高射频功率放大器的输出功率和线性度，实现一般技术下无法达到的高输出功率高线性度的射频功率放大器。本发明的射频功率放大电路由如下三部分构成：第一级功率预放大电路，第二级功率预放大电路，以及输出级主功率放大电路，如图1所示。其中：

所述第一级功率预放大电路由一个输入匹配变压器、一个主要提供增益和保证线性度的预放大功率电路以及一个电流模式功率分配变压器构成，用以为后面的电路提供足够的输入功率；输入匹配变压器的原边是射频信号的输入，次边和预防大功率电路的栅极相接，预防大功率电路的输出漏极和电流模式功率分配变压器的原边相接，电流模式功率分配变压器的次边和第二级功率预防大电路中的预放大功率电路的栅极相接。射频信号从输入匹配变压器的原边进入，经过变压器的耦合，从次边出来，接着进入预放大功率电路的栅极，经过放大之后，从预放大功率电路的漏极出来，进入电流模式功率分配变压器的原边，经过耦合，从次边出来，进入第二级功率预放大电路中预放大功率电路的栅极；

所述第二级功率预放大电路由一个级间匹配变压器、一个预放大功率电路构成，由于最后主功率放大级的输出功率较大，电路的寄生电容较大，增益较低，因此预放大功率电路的线性输出功率也会较高；预放大功率电路的栅极和第一级功率预防大电路中的电流模式功率分配变压器的次边相接，输出漏极和级间匹配变压器的原边相接，次边和输出级主功率放大电路的二阶谐波控制电路的输入相接。二阶谐波控制电路的输入和第二级功率预放大电路的级间匹配变压器的次边相接，输出和主功率放大电路的栅极相接，主功率放大电路的输出漏极和 8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器的原边相接，次边和三阶谐波控制电路的输入相接，三阶谐波控制电路的输出和天线相接，是射频信号的输出，来自第一级功率预放大电路的信号从预放大功率电路的栅极进入，经过放大之后，从漏极出来，进入级间匹配变压器的原边，经过耦合，从次边出来，进入输出级主功率放大电路中的谐波控制电路中；

所述输出级主功率放大电路由功率放大电路、8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器、二阶以及三阶谐波控制电路构成，其结构如图2所示。功率放大电路分为两部分：主功率放大部分和辅助放大部分，每个部分由隔直电容、偏置电阻、NMOS功率管组成；谐波控制电路由相互谐振的电感和电容组成，8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器由两个电流模式的4路功率合成变压器串联而成；来自第二级功率预防大电路的信号从谐波控制电路中进入，经过滤波之后，再进入主功率放大电路的栅极，经过放大之后，从漏极出来，进入8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器的原边，经过耦合，从次边输出，再经过谐波控制电路，最终输出到天线。

本发明中，所述第一级功率放大电路中，射频信号从输入匹配变压器的原边进入，经过耦合，从次边出来，接着进入预放大功率电路的栅极，经过放大之后，从预放大功率电路的漏极出来，进入电流模式功率分配变压器的原边，经过变压器的耦合，从次边出来，进入到第二级功率预防大电路中的预防大功率电路的栅极，经过放大，从漏极出来，第二级功率预放大电路的输出端，与八路功率合成谐波控制放大电路的输入端相连接，射频信号从VIN_N+、VIN_N-、VIN_P+、VIN_P-进入八路功率合成谐波控制功率放大电路，经过二阶谐波控制电路，对输入信号中的二阶谐波分量进行衰减之后，进入到了输出级主功率放大电路中，在功率放大单元中，从VIN_N和VIN_P进入，同时经过主功率放大和辅助功率放大，这两个部分分别对信号进行放大，并且相辅相成，可抑制二次谐波和三次谐波的产生，同时弥补主功率放大在高输出功率时候产生的增益衰减，减少AM-AM失真，稳定输入输出电容，减少AM-PM失真，最后信号从VOUT_N和VOUT_P两端输出，进入到8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器中，在经过功率合成之后，出来的信号最后经过三阶谐波控制电路，对信号中的三阶谐波分量进行衰减之后，最终输出。

本发明提供的八路功率合成谐波控制功率放大电路，具有如下优越性：

（1）在不改变最优负载阻抗的情况下，通过变压器，增加多个高输出功率放大电路，缓解寄生电容带来的影响，提高电路整体增益，并显著提高输出功率，达到一般情况下CMOS技术非常难以达到的高输出功率；

（2）将原本用于阻抗匹配的电容，用在基波处等效的电感电容串联网络代替，形成对高次谐波的低阻路径，这样使得变压器在完成功率合成、阻抗匹配的同时，对高次谐波进行滤波，减少了输出的非线性；

（3）功率放大单元中存在主功率放大支路和辅助功率放大支路，两者相辅相成，一定程度上抑制二次谐波和三次谐波的产生，同时弥补主功率放大在高输出功率时候产生的增益衰减，减少AM-AM失真，稳定输入输出电容，减少AM-PM失真。

附图说明

图1是采用八路功率合成谐波控制的射频功率放大电路结构。

图2是本发明设计的八路功率合成谐波控制电路。

图3是8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器具体结构。

图4是采用八路功率合成谐波控制的射频功率放大电路输出功率和效率曲线。

具体实施方式

以下根据附图及设计实例对本发明进行详细说明。

本发明提供的适用于射频功率放大器的八路功率合成谐波控制功率放大电路，由三部分构成，如图1所示，分别是第一级功率预放大电路，第二级功率预放大电路，以及输出级主功率放大电路，即八路功率合成谐波控制功率放大电路。其中第一级功率预放大电路由一个输入匹配变压器、一个主要提供增益和保证线性度的预放大功率电路以及一个电流模式功率分配变压器构成，输入匹配变压器的原边是射频信号的输入，次边和预防大功率电路的栅极相接，预防大功率电路的输出漏极和电流模式功率分配变压器的原边相接，电流模式功率分配变压器的次边和第二级功率预防大电路中的预放大功率电路的栅极相接。在本实例中，这一级预放大级提供约15dB增益，同时输出功率具有180度相位差，同时根据第二级功率预放大电路的需求，调整宽长比，使得能为第二级功率预防大电路提供足够的线性功率输入，同时输入匹配变压器在设计的时候，尽可能地在减小面积的同时，减小***损耗，增大输入散射系数S11的带宽，而电流模式功率分配变压器则要尽可能保持输出相位差的稳定，同时减少插损；第二级功率预放大电路由一个级间匹配变压器、一个预放大功率电路构成，预放大功率电路的栅极和第一级功率预防大电路中的电流模式功率分配变压器的次边相接，输出漏极和级间匹配变压器的原边相接，次边和输出级主功率放大电路的二阶谐波控制电路的输入相接。在本实例中，这一级预放大级可以提供15dB增益，同时在实施的过程中，也会根据最后输出级主放大功率电路的需求，不断调整宽长比，使得能为输出级主功率放大电路提供足够的线性功率输入，由于最后主功率放大级的输出功率较大，电路的寄生电容较大，增益较低，因此预放大功率电路的线性输出功率也会较高。输出级主功率放大电路，即八路功率合成谐波控制功率放大电路由功率放大电路、8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器、二阶以及三阶谐波控制电路构成。二阶谐波控制电路的输入和第二级功率预放大电路的级间匹配变压器的次边相接，输出和主功率放大电路的栅极相接，主功率放大电路的输出漏极和 8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器的原边相接，次边和三阶谐波控制电路的输入相接，三阶谐波控制电路的输出和天线相接，是射频信号的输出。

图2是八路功率合成谐波控制功率放大电路的具体结构图，来自第二级功率预放大电路的信号分别从VIN_N+、VIN_N-、VIN_P+、VIN_P-进入，经过二阶谐波控制电路，二阶谐波控制电路由一个在二阶谐波处谐振、在基波处进行匹配的电容电感串联网络构成，不仅起到了阻抗匹配的作用，与第二级功率预放大电路的级间匹配变压器的次边电感形成谐振网络，同时也对高阶谐波进行了滤波，接着信号进入了功率放大单元中，此时信号分为两支，同时进入主放大支路，和辅助放大支路，在本次实例中，为了解决增益压缩的问题，将两个支路偏置在不同的类型，同时对宽长比不断进行调整，使得从VIN_N、VIN_P看进去的等效输入电容也会在大信号的情况下变得相对稳定，使得电路的非线性得以减少，接着从功率放大单元出来的信号，进入了8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器中。

图3是8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器具体结构图，其中，变压器的线宽，间距，内径都是经过不断调整，以求在基波处的***损耗最小，使得功率合成的效率最高，8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器的四个原边（P_1、P_2、P_3、P_4）分别连接四个功率放大单元，功率放大单元的差分输出，直接流入8路电流-电压模式的功率合成1：2变压器，然后通过次边S_1最终输出，可以看到原边P_1和P_2、原边P_3和P_4两组线圈是相互耦合的，这样的耦合并不会影响到输出功率，因为所有的功率单元，从一开始都是处于开启状态的，线圈与线圈之间的电流并不会有阻碍，反而有利于提高原边线圈的感值，增大与次边的耦合系数，而P_1与P_3、P_2与P_4这样相邻的，磁感线相反的线圈，则由于相互之间的距离较远，并不会对彼此产生较大的影响。而且，变压器是1:2匝数比的，在次边的电流会远小于在原边的电流，这样就能在减少功率信号在次边的衰减；由于是先电压模式，再电流模式的缘故，分配到每个功率放大单元的等效负载阻抗都是几乎是和1：1的变压器等效的，差距仅仅在耦合系数上，这样就对每个功率放大单元来说，阻抗匹配的难度就大大降低了，同时也使得输出功率能得到非常大的提升。最后，P_1、P_2、P_3、P_4四个线圈的功率信号，耦合到S_1上，再经过图2中的一个三阶谐波控制单元，输出到负载天线端去。

图4采用八路功率合成谐波控制CMOS功率放大电路的射频功率放大器的谐波仿真图。其中，横轴代表的是输入功率的大小，红色曲线代表的是输出功率的大小，蓝色曲线代表的是此时对应的漏级附加效率的大小。可以看到，P1dB的输出功率有34.7dBm，漏级附加效率有41.3%，峰值输出功率有36.31dBm，此时的漏级附加效率有47.2%，八路功率合成谐波控制功率放大电路产生了非常高的线性输出功率和最高输出功率，同时效率也相当高。