一种高线性度的CMOS功率放大器制造技术

本申请公开了一种高线性度的CMOS功率放大器，包括放大器单元以及包络检测单元。放大器单元包括一个或多个功率晶体管，对输入信号进行功率放大后得到输出信号。包络检测单元检测各个功率晶体管的输入信号并产生包络信号作为相应功率晶体管的衬底偏置电压。本申请是采用功率晶体管的输入信号的包络信号来调节功率晶体管的衬底电压，可以有效地改善功率放大器的线性度，比采用包络信号来调节功率晶体管的栅极电压或电源电压的现有技术对线性度的改善更有效。本申请还对提高功率放大器的效率具有一定作用。

A high linearity CMOS power amplifier

The present invention discloses a CMOS power amplifier with high linearity, comprising an amplifier unit and an envelope detection unit. The amplifier unit includes one or more power transistors to gain an output signal after power amplification of the input signal. The envelope detection unit detects an input signal of each power transistor and generates an envelope signal as the substrate bias voltage of the respective power transistor. This application is a substrate voltage envelope signal input signal using power transistors to regulate power transistors, can effectively improve the linearity of the power amplifier, the existing technology is more effective than the gate voltage and source voltage envelope signal to adjust the power transistor to improve linearity. The application also plays a role in improving the efficiency of the power amplifier.

【技术实现步骤摘要】
一种高线性度的CMOS功率放大器
本申请涉及一种CMOS功率放大器，特别是涉及一种衬底偏压的CMOS功率放大器。
技术介绍
采用标准CMOS工艺设计功率放大器在许多性能指标上面临挑战，其中为了提升CMOS功率放大器的线性度已有一些方案被提出。2013年12月的《IEEE微波理论与技术汇刊》(IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES)第61卷第12期上有一篇文章《通过自适应偏置控制实现的CMOS共源共栅功率放大器的线性化》(LinearizationofCMOSCascodePowerAmplifiersThroughAdaptiveBiasControl)，这篇文章记载了使用自适应偏置电路的共源共栅功率放大器的线性化技术，如图1所示。首先由一个共源放大器M1和一个共栅放大器M2级联组成一路共源共栅放大器，再由两路共源共栅放大器形成差分结构，然后由包络检测器Env_detection、共源偏置电路CS_Bias、共栅偏置电路CG_Bias三部分组成一个自适应偏置电路。包络检测器Env_detection获取射频输入信号RFin的包络信号，该包络信号被送往共源偏置电路CS_Bias的栅极和共栅偏置电路CG_Bias的栅极。共源偏置电路CS_Bias为共源放大器M1提供漏极偏置电压Vcs，共栅偏置电路CG_Bias为共栅放大器M2提供栅极偏置电压Vcg，它们所提供的偏置都随着包络信号的变化而变化。当输入功率增大时，共栅偏置电路CG_Bias输出的栅极偏置电压Vcg减小，反之亦然。该方案是改变提供给共源共栅放大器的栅极偏置电压Vcg来改善功率放大器的线性度，虽然降低了射频输入信号RFin进入共源共栅放大器截止区的时间，但同时使得共源共栅放大器的增益改变，引入了非线性因素，所以对线性度改善有限。此外对共源共栅放大器实行动态栅极偏置只能用于改善电路的线性度，限制了其他方面的应用，如增益调节等。采用类似方案的还有申请公布号为CN105917579A、申请公布日为2016年8月31日的中国专利技术专利申请《放大器系统和方法》，缺点也相似。2013年2月的《IEEE微波理论与技术汇刊》第61卷第2期上有一篇文章《多级共源共栅拓扑的线性CMOS功率放大器的共源共栅反馈偏置技术》(ACascodeFeedbackBiasTechniqueforLinearCMOSPowerAmplifiersinaMultistageCascodeTopology)，这篇文章记载了共源共栅反馈偏置线性化技术，如图2所示。功率放大器包括驱动级和功率级，它们都是共源共栅结构。射频输入信号RFin依次通过输入匹配网络、驱动级的共源晶体管M1、驱动级的共栅晶体管M2、级间匹配网络、功率级的共源晶体管M3、功率级的共栅晶体管M4、输出匹配网络后变成射频输出信号RFout。在功率级和驱动级之间还具有反馈偏置网络，用来将功率级的共栅晶体管M4的栅极位置的射频泄露信号反馈回驱动级的共栅晶体管M2的栅极。这可以改变单位周期内驱动级和功率级的共栅晶体管M2、M4进入截止区和线性区的时间，从而改善功率放大器的线性度。然而该方案没有考虑驱动级和功率级的共源晶体管M1、M3对非线性的影响，对线性度的改善有限。并且该方案只能用于多级结构的功率放大器，限制了其适用范围。
技术实现思路
本申请所要解决的技术问题是提供一种高线性度的CMOS功率放大器，可以克服由于输入功率过大导致的非线性问题，还能克服由于输出功率控制电路带来的效率(PAE)问题。为解决上述技术问题，本申请提供了一种高线性度的CMOS功率放大器，包括放大器单元以及包络检测单元。放大器单元包括一个或多个功率晶体管，对输入信号进行功率放大后得到输出信号。包络检测单元检测各个功率晶体管的输入信号并产生包络信号作为相应功率晶体管的衬底偏置电压。在实施例一中，所述放大器单元为共源放大器一，共源放大器一对输入信号进行功率放大后得到输出信号。所述包络检测单元为包络检测器一，包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共源放大器一的衬底偏置电压。在实施例二中，所述放大器单元为共栅放大器一，共栅放大器一对输入信号进行功率放大后得到输出信号。所述包络检测单元为包络检测器一，包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共栅放大器一的衬底偏置电压。在实施例三中，所述放大器单元为共源共栅放大器，由共源放大器一和共栅放大器一级联组成。共源放大器一对输入信号进行功率放大后得到中间信号；共栅放大器一对中间信号进行功率放大后得到输出信号。所述包络检测单元包括包络检测器一和包络检测器二。包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共源放大器一的衬底偏置电压。包络检测器二检测中间信号的包络产生包络信号二，该包络信号二作为共栅放大器一的衬底偏置电压。以上各个实施例中的放大器单元或者为单端输入、单端输出的单端结构，或者为差分输入、差分输出的差分结构。本申请是采用功率晶体管的输入信号的包络信号来调节功率晶体管的衬底偏置电压，可以有效地改善功率放大器的线性度，比采用包络信号来调节功率晶体管的栅极电压和/或电源电压的现有技术对线性度的改善更有效。本申请还对提高功率放大器的效率具有一定作用。附图说明图1是一种现有的使用自适应偏置电路的共源共栅功率放大器的示意图。图2是一种现有的使用反馈偏置线性化技术的共源共栅功率放大器的示意图。图3是本申请提供的高线性度的CMOS功率放大器的实施例一(共源放大器)的示意图。图4是本申请的实施例一改为差分结构的示意图。图5是本申请提供的高线性度的CMOS功率放大器的实施例二(共栅放大器)的示意图。图6是本申请的实施例二改为差分结构的示意图。图7是本申请提供的高线性度的CMOS功率放大器的实施例三(共源共栅放大器)的示意图。图8是本申请的实施例三改为差分结构的示意图。图9是本申请提供的CMOS功率放大器与传统的CMOS功率放大器在线性度指标上的仿真示意图。图中附图标记说明：M1、M3、CS1、CS2为共源放大器；M2、M4、CG1、CG2为共栅放大器；Env_detection、EvDt1、EvDt2为包络检测器；CS_Bias为共源偏置电路；CG_Bias为共栅偏置电路；R为电阻；C为电容；L为电感；Z为阻抗；T为变压器；RFin为射频输入信号；RFout为射频输出信号；in为输入信号；mid为中间信号；out为输出信号；VDD为电源电压；Vcs为共源放大器的漏极偏置电压；Vg1为共源放大器的栅极偏置电压；Vcg、Vg2为共栅放大器的栅极偏置电压；Ev1为包络信号一(共源放大器的衬底偏置电压)；Ev2为包络信号二(共栅放大器的衬底偏置电压)。具体实施方式本申请提供的高线性度的CMOS功率放大器用来对输入信号in进行功率放大，得到输出信号out。所述功率放大器的输入信号in可以是射频信号或基带信号等。请参阅图3，这是本申请提供的高线性度的CMOS功率放大器的实施例一。该实施例一包括共源放大器一CS1以及包络检测器一EvDt1。共源放大器一CS1接收输入信号in，对其进行功率放大后输出输出信号out。共源放大器一CS1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，包括放大器单元以及包络检测单元；放大器单元包括一个或多个功率晶体管，对输入信号进行功率放大后得到输出信号；包络检测单元检测各个功率晶体管的输入信号并产生包络信号作为相应功率晶体管的衬底偏置电压。

【技术特征摘要】
1.一种高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，包括放大器单元以及包络检测单元；放大器单元包括一个或多个功率晶体管，对输入信号进行功率放大后得到输出信号；包络检测单元检测各个功率晶体管的输入信号并产生包络信号作为相应功率晶体管的衬底偏置电压。2.根据权利要求1所述的高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，所述放大器单元为共源放大器一，共源放大器一对输入信号进行功率放大后得到输出信号；所述包络检测单元为包络检测器一，包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共源放大器一的衬底偏置电压。3.根据权利要求2所述的高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，共源放大器一的栅极一方面通过电容一连接功率放大器的输入端，另一方面通过电阻一接受栅极偏置电压一；共源放大器一的漏极一方面通过电容二连接功率放大器的输出端，另一方面通过电感一接收电源电压；共源放大器一的源极接地。4.根据权利要求1所述的高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，所述放大器单元为共栅放大器一，共栅放大器一对输入信号进行功率放大后得到输出信号；所述包络检测单元为包络检测器一，包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共栅放大器一的衬底偏置电压。5.根据权利要求4所述的高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，共栅放大器一的源极通过电容一连接功率放大器的输入端；共栅放大器一的漏极一方面通过电容二连接功率放大器的输出端，另一方面通过电感一接收电源电压；共栅放大器一的栅极通过电阻一接受栅极偏置电压二。6.根据权利要求1所述的高线性度的CMOS功率放大器，其特征是，所述放大器单元为共源共栅放大器，由共源放大器一和共栅放大器一级联组成；共源放大器一对输入信号进行功率放大后得到中间信号；共栅放大器一对中间信号进行功率放大后得到输出信号；所述包络检测单元包络包络检测器一和包络检测器二；包络检测器一检测输入信号的包络产生包络信号一，该包络信号一作为共源放大器一的衬底偏置电压；包络检测器二检测中间信号的包络产生包络信号二，该包络信号二作为共栅放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：林甲富，刘冠山，郭天生，贾斌，
申请(专利权)人：锐迪科微电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31