CN102684616A - 采用cmos工艺实现的射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，包括三个CMOS晶体管和三个级联的反向器；晶体管一源极接晶体管二漏极，晶体管二源极接晶体管三漏极，晶体管二源极接地。晶体管一、晶体管二栅极分别接直流电压源。反向器三输出端与晶体管三的栅极连接，用于驱动晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器输入端连接射频信号。CMOS晶体管一漏极作为功率放大器输出端，该端通过电感接直流电压VDD。本发明采用全CMOS工艺实现手机射频前端功放电路，在保证性能的前提下，使手机射频前端芯片的成本降低50%以上；并提高射频前端功放芯片的可集成度，利于实现手机射频收发器和射频前端功放合一的架构，大大节省手机电路板面积。
Description
技术领域
本发明涉及应用于移动设备的射频模块集成技术，特别涉及射频前端功放的集成技术。
背景技术
对传统手机所用的半导体芯片而言，一块终端主板需要由射频前端、射频收发器、电源管理、闪存、基带处理、触摸屏控制等多块芯片组成。基带处理芯片负责将语音和文本信号进行编码和解码形成数字信号。射频收发器负责以数字信号对高频载波进行调制和解调，而射频前端则负责将被调制的射频载波信号放大发射出去或接受有基站发射的射频信号送至射频收发器。目前所有的手机半导体芯片除去射频前端以外均由标准的CMOS工艺实现。由于射频前端需要对射频信号进行功率放大，而CMOS工艺在高速高功率方面难以满足射频前端的要求，一直以来射频前端的主流工艺都是砷化镓工艺，这样大大降低了手机芯片的集成度，不利于降低成本，同时也不利于减小手机电路的体积。
由于传统射频芯片几乎要占去手机电路板的一半空间，这无疑限制了更多功能的加入，并且人们对低成本的手机芯片解决方案的追求始终不会停止，这就需要不断的提高手机芯片的集成度。采用CMOS工艺，通过复杂的电路设计实现射频前端并使其与射频收发器集成是降低手机芯片***成本的一条路径。对于CMOS射频前端，要提高效率，需要较小的晶体管；而要增大功率，又需要较大的晶体管，这是一个难以调和的矛盾。为了保证CMOS器件能工作在手机频段，所选的CMOS器件一般都具备很小的尺寸，这样一来器件的耐压性能会大大降低。但是为了输出较大的功率，器件又必须能够承受较大的电压。这一矛盾成为了阻碍射频前端与其他手机芯片集成的障碍。
本发明提出一种采用标准CMOS工艺实现高性能2G手机射频前端功率放大器的方法，并提出将射频前端功放芯片与射频收发器集成在一颗晶圆的架构。
发明内容
本发明需解决的问题是采用CMOS工艺实现射频前端功率放大器。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，包括：
源极、漏极依次相连的CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三，晶体管三源极接地；
三个级联的反向器，所述反向器三输出端与CMOS晶体管三的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器输入端接入射频信号；
CMOS晶体管一、CMOS晶体管二栅极分别接直流电压源；
CMOS晶体管一漏极作为功率放大器输出端，该端通过电感接直流电压VDD，该电感用于为放大器的输出端提供直流偏置；
基于上述基本方案的一种优选方案为：所述CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三的衬底与源极之间分别通过电阻连接。该电阻可以减小各个CMOS晶体管的衬底电流，使CMOS晶体管电流主要由源极流出。
基于上述基本方案的另一种优选方案为：所述功率放大器输入端串接有滤波电容，射频信号通过滤波电容输入反向器一。
本发明还提供一种如下采用差分方式实现的具有两个输入端和两个输出端的射频功率放大器的技术方案：
一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，包括：
由两个CMOS晶体管组组成的差分放大电路及分别用于驱动两个CMOS晶体管组的两个反向器级联电路；
每个CMOS晶体管组包括源极、漏极依次相连的CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三；每个反向器级联电路包括三个级联的反向器一、反向器二、反向器三；一个反向器级联电路对应驱动一个CMOS晶体管组；
在由一个反向器级联电路和一个CMOS晶体管组组成的驱动组内，所述反向器三输出端与CMOS晶体管三的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器的一个输入端接入射频信号；
CMOS晶体管一、CMOS晶体管二栅极分别接直流电压源，晶体管三源极接地；
CMOS晶体管一漏极作为功率放大器一个输出端，该端通过直流偏置电感接直流电压VDD。
上述基于差分方式的基本技术方案的优选方案为：所述CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三的衬底与源极之间分别通过电阻连接。
上述基于差分方式的基本技术方案的另一优选方案为：所述功率放大器输入端串接有滤波电容，射频信号通过滤波电容输入反向器一。
与以往技术相比，本发明具有以下优点：
1）本发明采用全CMOS工艺实现手机射频前端功放电路，在保证性能的前提下，使手机射频前端芯片的成本比普通解决方案降低了50%以上；
2）由于本发明采用全CMOS工艺实现手机射频前端功放电路，提高了射频前端功放芯片的可集成度，利于实现手机射频收发器和射频前端功放合一的架构，大大节省手机印刷电路板的面积，为手机实现更多功能提供了可能。
附图说明
图1为所述的CMOS工艺实现的射频前端功率放大器实施例一电路原理示意图；
图2为所述的CMOS射频前端功率放大器实施例二差分电路原理示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例中所揭示的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3和三个级联的反向器inv1、inv2、inv3，在每个反相器的输入与输出端之间接有偏压电阻，令反相器工作在线性区域而成为高增益的反相放大器，晶体管T3由三个级联的反向器驱动。其中，三个晶体管均采用CMOS晶体管。晶体管T1源极接晶体管T2漏极，晶体管T2源极接晶体管T3漏极，晶体管T3源极接地。晶体管T1、晶体管T2栅极分别接5V、1.8V直流电压源。所述反向器inv3输出端与CMOS晶体管T3的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管T3；反向器inv1的输入端作为功率放大器输入端通过串接的滤波电容连接射频信号。CMOS晶体管T1漏极作为功率放大器输出端，该端通过电感接直流电压VDD。
本实施例中，为了解决CMOS器件工作在高功率模式时的耐压问题，将3个耐压值分别为1.8V、1.8V和5V的CMOS晶体管层叠相连，并用3个级联的反相器来驱动晶体管T3的栅极。晶体管T2和T1的栅极分别连接到合适的直流电压上。当电路工作时，输入的射频信号由电容进入反相器inv1，经过3级反相器放大后用来驱动晶体管T3的栅极。当反相器的增益足够大时，晶体管T3的栅极电压呈现方波，当晶体管T3的栅极电压处于方波的正半周期时三个晶体管都导通，与晶体管T1的漏极相连的电感中建立起逐渐增大的电流。当晶体管T3的栅极电压处在方波信号负半周期时，三个晶体管都截止，此时晶体管T1的漏极电压就会升高到12V左右。普通的砷化镓晶体管的漏极可以承受12V以上的电压，因此采用砷化镓晶体管实现射频前端功率放大器时放大管的漏极可以直接与电感相连。由于CMOS晶体管的耐压通常只有5V，所以本发明通过将CMOS晶体管叠加起来使其耐压能力达到和砷化镓晶体管相同，从而能够在输出高功率的同时承受住高电压。另外，本实施例中，在CMOS晶体管T1、CMOS晶体管T2、CMOS晶体管T3的衬底与源极之间分别接有电阻。该电阻可以减小各个CMOS晶体管的衬底电流，使CMOS晶体管电流主要由源极流出。
与上述方案类似的，本发明还提供另外一种较优的解决方案,如图2所示。该实施例中，所述的射频功率放大器包括：由两个CMOS晶体管组组成的差分放大电路及分别用于驱动两个CMOS晶体管组的两个反向器级联电路。其中，每个CMOS晶体管组包括源极、漏极依次相连的CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三；每个反向器级联电路包括三个级联的反向器一、反向器二、反向器三，每个反相器的输入与输出端之间接有偏压电阻；一个反向器级联电路对应驱动一个CMOS晶体管组；在由一个反向器级联电路和一个CMOS晶体管组组成的驱动组内，所述反向器三输出端与CMOS晶体管三的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器的一个输入端接入射频信号；CMOS晶体管一、CMOS晶体管二栅极分别接直流电压源；CMOS晶体管一漏极作为功率放大器一个输出端，该端通过电感接直流电压VDD；CMOS晶体管三与三个级联的反向器的输出端相连。在本实施例中，所述的射频功率放大器具有两个输入端（RF_inp和RF_inn）及两个输出端（RF_outp、RF_outn）。
同样，在每一个驱动组中，CMOS晶体管一与CMOS晶体管二之间、CMOS晶体管二与CMOS晶体管三之间以及CMOS晶体管三与地之间分别接有电阻。所述功率放大器两个输入端RF_inp和RF_inn也分别串接有滤波电容，射频信号通过滤波电容输入反向器。
图2所示实施例的设计原理和工作原理与实施例一类似，在此不再赘述。
综上可知，采用本发明的电路架构设计的射频功率放大器，能够充分利用CMOS工艺的优点，且还可提高射频功率放大器的总体性能，降低了电路的面积，提高了集成度，有效的降低了成本。
本发明中未具体介绍的部分均可采用现有技术中的成熟功能电路，本领域的技术人员均可根据现有技术灵活选取。
以上仅为本发明较优选的实施例，需说明的是，在未脱离本发明构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于，包括：
源极、漏极依次相连的CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三，晶体管三源极接地；
三个级联的反向器，所述反向器三输出端与CMOS晶体管三的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器输入端接入射频信号；
CMOS晶体管一、CMOS晶体管二栅极分别接直流电压源；
CMOS晶体管一漏极作为功率放大器输出端，该端通过电感接直流电压VDD。
2.根据权利要求1所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于：所述CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三的衬底与源极之间分别通过电阻连接。
3.根据权利要求1所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于：在每个反相器的输入端与输出端之间接有偏压电阻。
4.根据权利要求1所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于，所述功率放大器输入端串接有滤波电容，射频信号通过滤波电容输入反向器一。
5.一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于，包括：
由两个CMOS晶体管组组成的差分放大电路及分别用于驱动两个CMOS晶体管组的两个反向器级联电路；
每个CMOS晶体管组包括源极、漏极依次相连的CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三；每个反向器级联电路包括三个级联的反向器一、反向器二、反向器三；一个反向器级联电路对应驱动一个CMOS晶体管组；
在由一个反向器级联电路和一个CMOS晶体管组组成的驱动组内，所述反向器三输出端与CMOS晶体管三的栅极连接，用于驱动CMOS晶体管三；反向器一的输入端作为功率放大器的一个输入端接入射频信号；
CMOS晶体管一、CMOS晶体管二栅极分别接直流电压源，晶体管三源极接地；
CMOS晶体管一漏极作为功率放大器一个输出端，该端通过电感接直流电压VDD。
6.根据权利要求5所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于：所述CMOS晶体管一、CMOS晶体管二、CMOS晶体管三的衬底与源极之间分别通过电阻连接。
7.根据权利要求5所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于：在每个反相器的输入端与输出端之间接有偏压电阻。
8.根据权利要求5所述的采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，其特征在于，所述功率放大器输入端串接有滤波电容，射频信号通过滤波电容输入反向器一。
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