CN107093988A - 一种7模式增益和输出功率可控的k波段功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及毫米波无线通信技术，具体涉及一种7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，包含电源，控制电源，Vdd端，Vb端，控制端Vc1、Vc2、Vc3，输入端，输出端和地线，Vdd端和地线跨接在电源的正负端，Vb端与偏置电压相连，控制端Vc1、Vc2和Vc3分别与控制电源的正端连接，还包括依次连接的第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路，第一驱动电路、第二驱动电路，级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路和第二巴伦；第一巴伦、第二巴伦分别连接输入端和输出端。该放大器具有7模式功率和增益伪数字可控、高功率增益、高输出功率等特点。传输损耗低、相位误差小、回波损耗低、端口隔离度高。
Description
技术领域
本发明属于毫米波无线通信技术领域，尤其涉及一种7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器。
背景技术
随着智能交通的迅速发展，雷达传感器在汽车驾驶辅助***中的运用越来越广泛，24GHz雷达传感器以其波束角度小、灵敏度高、体积小巧等优势迅速成为汽车驾驶辅助***中应用最为广泛的雷达传感器，24GHz功率放大器作为24GHz雷达传感器的关键部件，作为传感器中发射机的最后一级放大，其性能的好坏直接影响着整个***的信号传输范围和信号抗干扰能力等。 硅基CMOS工艺作为半导体工艺中兼容性最好的工艺，但是其有限的工艺局限导致了硅基CMOS功率放大器的研究发展缓慢，高增益、高输出功率、高效率的硅基CMOS功率放大器的研究成为了技术难题。同时，24GHz雷达传感器为了保证其应用的广泛性本身需要信号传输范围可控，导致***的复杂度增强，而7模式增益和输出功率可控功率放大器具有降低***复杂度的潜能。电感元件作为***中占据比例较大的无源部分中的重要器件，其过大的面积一直制约着芯片小型化发展的进程，用单个尺寸较小的变压器代替冗余的电感将精简***结构，减小损耗。设计新型的增益和输出功率可控功率放大器，将有效拓展应用背景，对于现代汽车雷达传感器***的发展具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过控制电压实现7种不同增益模式，同时能有效提高放大器线性度和输出功率的功率放大器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，包含电源，控制电源，Vdd端，Vb端，控制端Vc1、Vc2、Vc3，输入端，输出端和地线，Vdd端和地线跨接在电源的正负端，Vb端与偏置电压相连，控制端Vc1、Vc2和Vc3分别与控制电源的正端连接，还包括依次连接的第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路，第一驱动电路、第二驱动电路，级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路和第二巴伦；第一巴伦、第二巴伦分别连接输入端和输出端。
在上述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中，
第一输入匹配电路包括电感L 1 、电容C 1 、C 2 连接的T型匹配电路；第二输入匹配电路包括电感L 2 、电容C 3 、C 4 连接的T型匹配电路；
第一驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M 1 和M 2 ，MOS晶体管M 2 栅极上连接偏置电阻R 1 ，第二驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M 3 和M 4 ，MOS晶体管M 3 栅极上连接偏置电阻R 2 ；
级间匹配电路包括第一级间匹配电路和第二级间匹配电路，第一级间匹配电路包括连接成L型的电感L 3 和电容C 5 ，第二级间匹配电路包括连接成L型的电感L 4 和电容C 6 ；
增益控制级包括第一增益控制电路和第二增益控制电路，第一增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M 5 和M 6 、MOS晶体管M 7 和M 8 、MOS晶体管M 9 和M 10 ，MOS晶体管M 6 栅极上连接偏置电阻R 3 ，第二增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M 11 和M 12 ，MOS晶体管M 13 和M 14 ，MOS晶体管M 15 和M 16 ；MOS晶体管M 11 栅极上连接偏置电阻R 4 ；
级间变压器包括第一变压器和第二变压器；
功率级电路包括第一功率级和第二功率级，第一功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M 17 和M 18 ，MOS晶体管M 17 栅极上连接偏置电阻R 5 ，MOS晶体管M 18 栅极上连接偏置电阻R 6 ；第二功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M 19 和M 20 ；MOS晶体管M 19 栅极上连接偏置电阻R 7 ，MOS晶体管M 20 栅极上连接偏置电阻R 8 ；
第一变压器连接在增益控制级和第一功率级之间，第二变压器连接在第一功率级和第二功率级之间；第一变压器和第一功率级之间连接有耦合电容C 7 和C 8 ；第二变压器和第二功率级之间连接有耦合电容C 9 和C 10 ；
第一输出匹配电路包括电感L 5 、L 7 电容C 11 、C 12 连接的匹配电路，第二输出匹配电路包括电感L 6 、L 8 电容C 13 、C 14 连接的匹配电路。
在上述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中，第一变压器、第二变压器均采用基于0.13um CMOS 工艺设计，工艺中最顶层金属作为变压器线圈a，金属厚度为2.5um，工艺中次顶层金属作为变压器线圈b，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um, 工艺中最底层金属作为变压器地金属层，变压器线圈a上包含2个对称的射频输入端口变压器端口I、变压器端口II，还包含2个对称的DC端口变压器直流端口、变压器直流端口；射频输入端口位于变压器正上方，DC端口位于变压器两侧，变压器线圈a中点处金属线引出；变压器线圈b上包含2个对称的射频输出端口变压器端口、变压器端口，位于变压器的正下方，变压器线圈b中点处通过通孔与变压器地金属层连接。
在上述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中，第一巴伦、第二巴伦均选用具有阻抗匹配和功率合成作用的变巴伦，并采用基于0.13um CMOS 工艺设计，工艺中最顶层金属作为巴伦顶层金属线圈，金属厚度为2.5um,工艺中次顶层金属作为巴伦次顶层金属线圈，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um；每个巴伦上均有3个端口，巴伦端口、巴伦端口、巴伦端口，巴伦端口作为射频输入端口，巴伦端口、巴伦端口作为射频输出端口，输出端口所在的线圈中点处与巴伦地金属层相连。
在上述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中，电感L 1 、L 2 、L 3 、L 4 、L 5 、L 6 、L 7 、L 8 均采用0.13um CMOS工艺单层八角环形电感，利用工艺中最顶层金属作为电感顶层金属线圈，次顶层金属作为电感次顶层金属线圈，最底层金属作为电感地金属层；电感顶层金属线圈上设置电感端口，电感次顶层金属线圈上设置电感端口，位于电感正下方的电感地金属层挖有与电感***等尺寸的变形槽子。
在上述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中，电感参数分别为：L 1 = 165 pH，L 2 = 165 pH，L 3 = 120 pH，L 4 =120 pH，L 5 = 100 pH，L 6 =100 pH，L 7 = 70 pH，L 8 = 70 pH；
电容参数分别为： C 1 =100 fF，C 2 =300 fF，C 3 =100 fF，C 4 =300 fF，C 5 =300 fF，C 6 =300 fF，C 7 = 300 fF，C 8 = 300 fF，C 9 = 300 fF，C 10 = 300 fF，C 11 = 300 fF，C 12 = 300fF，C 13 = 300 fF，C 14 = 300 fF；
MOS晶体管参数分别为：MOS晶体管长度L= 130nm， 宽度为：W1= 2um x 46 ，W2= 2um x46，W3= 2um x 46，W4=2um x 46，W5=2um x 15，W6= 2um x 15，W7= 2um x 30，W8= 2um x 30，W9= 2um x 45，W10= 2um x 45，W11= 2um x 15，W12= 2um x 15，W13= 2um x 30，W14= 2um x30，W15= 2um x 45，W16= 2um x 45，W17=2um x 42 x2，W18= 2um x 42 x2，W19= 2um x 42x2，W20= 2um x 42 x2；
电阻参数分别为：R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 5 = R 6 = R 7 = R 8 = 5Kohm；
工作电压Vdd为 1.5V；
偏置端Vb电压为0.95V。
本发明的有益效果是：具有7模式功率和增益伪数字可控、高功率增益、高输出功率等特点。各端口的50欧姆匹配特性良好，能够很好地实现***的兼容和搭建。并且传输损耗低、相位误差小、回波损耗低、端口隔离度高。
附图说明
图1为本发明一个实施例电路模块示意图；
图2为本发明一个实施例电路图；
图3为本发明一个实施例的电感3D模型示意图；
其中，31-电感端口、32-电感端口、33-电感顶层金属线圈、34-电感次顶层金属线圈、35-电感地金属层；
图4为本发明一个实施例的变压器3D模型示意图；
其中，41-变压器端口I、42-变压器端口II、43-变压器端口、44-变压器端口、45-变压器直流端口、46-变压器直流端口、47-变压器线圈a、48-变压器线圈b、49-变压器地金属层 ；
图5为本发明一个实施例的巴伦3D模型示意图；
其中，51-巴伦端口、52-巴伦端口、53-巴伦端口、54-巴伦顶层金属线圈、55-巴伦次顶层金属线圈、56-巴伦地金属层；
图6为本发明一个实施例高增益、高输出功率模式S参数仿真曲线；
图7为本发明一个实施例低增益、低输出功率模式S参数仿真曲线；
图8为本发明一个实施例高增益、高输出功率模式线性度仿真曲线；
图9为本发明一个实施例低增益、低输出功率模式线性度仿真曲线；
图10为本发明一个实施例不同电压组合下的7中工作模式的功率增益仿真曲线；
图11为本发明一个实施例不同电压组合下的7中工作模式的线性度仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例采用以下方案实现，一种7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，包含电源，控制电源，Vdd端，Vb端，控制端Vc1、Vc2、Vc3，输入端，输出端和地线，Vdd端和地线跨接在电源的正负端，Vb端与偏置电压相连，控制端Vc1、Vc2和Vc3分别与控制电源的正端连接，还包括依次连接的第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路，第一驱动电路、第二驱动电路，级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路和第二巴伦；第一巴伦、第二巴伦分别连接输入端和输出端。
进一步，第一输入匹配电路包括电感L 1 、电容C 1 、C 2 连接的T型匹配电路；第二输入匹配电路包括电感L 2 、电容C 3 、C 4 连接的T型匹配电路；
第一驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M 1 和M 2 ，MOS晶体管M 2 栅极上连接偏置电阻R 1 ，第二驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M 3 和M 4 ，MOS晶体管M 3 栅极上连接偏置电阻R 2 ；
级间匹配电路包括第一级间匹配电路和第二级间匹配电路，第一级间匹配电路包括连接成L型的电感L 3 和电容C 5 ，第二级间匹配电路包括连接成L型的电感L 4 和电容C 6 ；
增益控制级包括第一增益控制电路和第二增益控制电路，第一增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M 5 和M 6 、MOS晶体管M 7 和M 8 、MOS晶体管M 9 和M 10 ，MOS晶体管M 6 栅极上连接偏置电阻R 3 ，第二增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M 11 和M 12 ，MOS晶体管M 13 和M 14 ，MOS晶体管M 15 和M 16 ；MOS晶体管M 11 栅极上连接偏置电阻R 4 ；
级间变压器包括第一变压器和第二变压器；
功率级电路包括第一功率级和第二功率级，第一功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M 17 和M 18 ，MOS晶体管M 17 栅极上连接偏置电阻R 5 ，MOS晶体管M 18 栅极上连接偏置电阻R 6 ；第二功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M 19 和M 20 ；MOS晶体管M 19 栅极上连接偏置电阻R 7 ，MOS晶体管M 20 栅极上连接偏置电阻R 8 ；
第一变压器连接在增益控制级和第一功率级之间，第二变压器连接在第一功率级和第二功率级之间；第一变压器和第一功率级之间连接有耦合电容C 7 和C 8 ；第二变压器和第二功率级之间连接有耦合电容C 9 和C 10 ；
第一输出匹配电路包括电感L 5 、L 7 电容C 11 、C 12 连接的匹配电路，第二输出匹配电路包括电感L 6 、L 8 电容C 13 、C 14 连接的匹配电路。
进一步，第一变压器、第二变压器均采用基于0.13um CMOS 工艺设计，工艺中最顶层金属作为变压器线圈a，金属厚度为2.5um，工艺中次顶层金属作为变压器线圈b，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um, 工艺中最底层金属作为变压器地金属层，变压器线圈a上包含2个对称的射频输入端口变压器端口I、变压器端口II，还包含2个对称的DC端口变压器直流端口、变压器直流端口；射频输入端口位于变压器正上方，DC端口位于变压器两侧，变压器线圈a中点处金属线引出；变压器线圈b上包含2个对称的射频输出端口变压器端口、变压器端口，位于变压器的正下方，变压器线圈b中点处通过通孔与变压器地金属层连接。
进一步，第一巴伦、第二巴伦均选用具有阻抗匹配和功率合成作用的变巴伦，并采用基于0.13um CMOS 工艺设计，工艺中最顶层金属作为巴伦顶层金属线圈，金属厚度为2.5um,工艺中次顶层金属作为巴伦次顶层金属线圈，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um；每个巴伦上均有3个端口，巴伦端口、巴伦端口、巴伦端口，巴伦端口作为射频输入端口，巴伦端口、巴伦端口作为射频输出端口，输出端口所在的线圈中点处与巴伦地金属层相连。
进一步，电感L 1 、L 2 、L 3 、L 4 、L 5 、L 6 、L 7 、L 8 均采用0.13um CMOS工艺单层八角环形电感，利用工艺中最顶层金属作为电感顶层金属线圈，次顶层金属作为电感次顶层金属线圈，最底层金属作为电感地金属层；电感顶层金属线圈上设置电感端口，电感次顶层金属线圈上设置电感端口，位于电感正下方的电感地金属层挖有与电感***等尺寸的变形槽子。
更进一步，电感参数分别为：L 1 = 165 pH，L 2 = 165 pH，L 3 = 120 pH，L 4 =120pH，L 5 = 100 pH，L 6 =100 pH，L 7 = 70 pH，L 8 = 70 pH；
电容参数分别为： C 1 =100 fF，C 2 =300 fF，C 3 =100 fF，C 4 =300 fF，C 5 =300 fF，C 6 =300 fF，C 7 = 300 fF，C 8 = 300 fF，C 9 = 300 fF，C 10 = 300 fF，C 11 = 300 fF，C 12 = 300fF，C 13 = 300 fF，C 14 = 300 fF；
MOS晶体管参数分别为：MOS晶体管长度L= 130nm， 宽度为：W1= 2um x 46 ，W2= 2um x46，W3= 2um x 46，W4=2um x 46，W5=2um x 15，W6= 2um x 15，W7= 2um x 30，W8= 2um x 30，W9= 2um x 45，W10= 2um x 45，W11= 2um x 15，W12= 2um x 15，W13= 2um x 30，W14= 2um x30，W15= 2um x 45，W16= 2um x 45，W17=2um x 42 x2，W18= 2um x 42 x2，W19= 2um x 42x2，W20= 2um x 42 x2；
电阻参数分别为：R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 5 = R 6 = R 7 = R 8 = 5Kohm；
工作电压Vdd为 1.5V；
偏置端Vb电压为0.95V。
具体实施时，7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器包括依次连接的输入端、第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路、第一驱动电路、第二驱动电路、级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路、第二巴伦、输出端。第一输入匹配电路为电感L 1 ，电容C 1 和C 2 组成的T型匹配电路，第二输入匹配电路为电感L 2 ，电容C 3 和C 4 组成的T型匹配电路；第一输入匹配电路、第二输入匹配电路和巴伦B1实现输入端50欧姆阻抗和驱动级输入阻抗的共轭匹配，保证信号的最大效率传输，减小损耗。第一输出匹配电路为电感L 5 和L 7 ，电容C 11 和C 12 组成的输出匹配电路，第二输出匹配电路为电感L 6 和L 8 ，电容C 13 和C 14 组成的输出匹配电路；第一输出匹配电路、第二输出匹配电路和巴伦B2 实现功率级最佳负载阻抗和输出端50欧姆阻抗间的阻抗匹配，实现输出端功率的最大输出，其中，巴伦B1、B2均选择具有阻抗匹配和功率合成作用的巴伦，基于0.13um CMOS 工艺设计，巴伦顶层金属线圈采用工艺中最顶层金属设计，金属厚度为2.5um, 巴伦次顶层金属线圈采用工艺中次顶层金属设计，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um，双端口输入的射频信号经巴伦顶层金属线圈耦合到巴伦次顶层金属线圈, 实现信号的双端到单端的变换和功率合成。由MOS晶体管M 1 和M 2 按共源共栅方式连接组成第一驱动电路，MOS晶体管M 3 和M 4 按共源共栅方式连接组成第二驱动电路，能保证功率放大器具有足够大的增益。级间匹配电路分别由电感L 3 和电容C 5 、电感L 4 和电容C 6 组成的L型匹配网络实现匹配，完成驱动级输出阻抗到增益控制级输入阻抗的共轭匹配，保证功率的最大化传输。增益控制级和功率级电路及两功率级间的阻抗匹配利用特定的变压器实现，保证功率的最大传输，其中变压器具有阻抗匹配、信号耦合和射频扼流圈的作用；其包含传统变压器和连接在射频输入端的电感组成，该变压器基于0.13um CMOS 工艺设计，变压器线圈a采用工艺中最顶层金属设计，金属厚度为2.5um, 变压器线圈b采用工艺中次顶层金属设计，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um, 最底层金属作为变压器地金属层，在中心频率附近传输损耗低、相位误差小、回波损耗低、端口隔离度高，在电感的辅助下很好地实现级间的信号耦合和阻抗匹配，有效降低损耗。第一、第二增益控制电路分别由共源共栅结构的MOS晶体管M 5 和M 6 、MOS晶体管M 7 和M 8 、MOS晶体管M 9 和M 10 、MOS晶体管M 11 和M 12 ,、MOS晶体管M 13 和M 14 ,、MOS晶体管M 15 和M 16 组成，通过改变MOS晶体管M 5 ，M 7 ，M 9 ，和MOS晶体管M 12 ，M 14 ，M 16 栅极的偏置电压，选择导通的支路，完成增益控制级的跨导的控制，达到增益和输出功率控制的目的，其中在保证本实施例的放大器可以工作的情况下，Vc1、Vc2 和Vc3可以实现7种电压组合方式，Vc1=1.5V、Vc2=1.5V和Vc3=1.5V；Vc1=1.5V、Vc2=1.5V和Vc3=0V；Vc1=1.5V、Vc2=0V和Vc3=1.5V；Vc1=0V、Vc2=1.5V和Vc3=1.5V；Vc1=0V、Vc2=0V和Vc3=1.5V；Vc1=1.5V、Vc2=0V和Vc3=10V；Vc1=0V、Vc2=1.5V和Vc3=0V；最终实现功率放大器7模式增益和功率的工作模式。
以下结合附图详细描述本实施例的实施，如图1所示，本实施例7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器电路框架图，包含Vdd端、Vb端、Vc1、Vc2、Vc3、Input端、Output端和地线，Vdd端和地线跨接在电源的正负端，Vb与偏置电压相连，控制端Vc1、Vc2和Vc3分别与控制电源的正端连接，Input端和Output端分别是放大器的射频信号输入和射频信号输出端，第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路、第一驱动级电路、第二驱动级电路、级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路、输出端。信号由输入端进入功率放大器，通过第一巴伦和第一、第二输入匹配电路，单路信号转换为双路，并且最大效率的传输至驱动级，实现功率的前期放大；放大后的信号经级间匹配电路进入增益控制级，在增益控制电压的操作下进一步完成特定倍数的功率放大；放大后的信号经级间变压器进入功率级电路，功率级电路可以有效保证信号的电压摆幅强度，并实现微弱的功率增益效果，最终功率级输出的大信号经第一、第二输出匹配电路和第二巴伦由输出端输出。实现高增益、高线性度、高抗干扰能力的高功率输出。
如图2所示，本实施例7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器的电路图，包含有20个MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、 M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20；14个电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14；8个电感L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8；8个电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8 。其中MOS晶体管M1和M2按共源共栅方式连接成第一驱动电路，MOS晶体管M3和M4按共源共栅方式连接成第二驱动电路；MOS晶体管M5和M6，MOS晶体管M7和M8，MOS晶体管M9和M10分别按共源共栅方式连接成第一增益控制电路，MOS晶体管M11和M12，MOS晶体管 M13和M14，MOS晶体管M15和M16分别按共源共栅方式连接成第二增益控制电路；MOS晶体管M17和M18分别按共源方式连接成第一功率级，MOS晶体管M19和M20分别按共源方式连接成第二功率级。其中，电感L1，电容C1和C2连接成的T型匹配电路作为第一输入匹配电路，位于输入端和第一驱动电路之间；电感L2，电容C3和C4连接成的T型匹配电路作为第二输入匹配电路，位于输入端和第二驱动电路之间；电感L3和电容C5组成第一级间匹配电路，电感L4和电容C6组成第二级间匹配电路；电容C7和电容C8作为级间耦合电容，位于增益控制级和第一功率级之间，电容C9和电容C10作为级间耦合电容，位于第一功率级和第二功率级之间；电感L5、L7，电容C11和C12组成第一输出匹配电路，电感L6、L8，电容C13和C14组成第二输出匹配电路。8个电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8在电路中作为偏置电阻，分别连接在MOS晶体管M2、M3、M6、M11、M17、M18、M19、M20的栅极上。本实施例功率放大器还包含有无源器件第一巴伦B1、第二巴伦B2，第一变压器T1、第二变压器T2，第一巴伦B1连接在输入端和第一、第二输入匹配电路之间，第二巴伦B2连接在第一、第二输出匹配电路和输出端之间，第一变压器T1连接在增益控制级和第一功率级之间，第二变压器T2连接在第一功率级和第二功率级之间。
本实施例功率放大器的元器件和电路参数如下：
电感参数为：L 1 = 165 pH，L 2 = 165 pH，L 3 = 120 pH，L 4 =120 pH ，L 5 = 100 pH，L 6 =100 pH ，L 7 = 70 pH，L 8 = 70 pH；
电容参数为：C 1 =100 fF ，C 2 =300 fF ，C 3 =100 fF ，C 4 =300 fF ，C 5 =300 fF，C 6 =300 fF，C 7 = 300 fF，C 8 = 300 fF，C 9 = 300 fF，C 10 = 300 fF，C 11 = 300 fF，C 12 = 300fF，C 13 = 300 fF，C 14 = 300 fF；
晶体管参数为：全部晶体管长度L= 130nm， 宽度为：W1= 2um x 46 ，W2= 2um x 46，W3=2um x 46，W4=2um x 46，W5=2um x 15，W6= 2um x 15，W7= 2um x 30，W8= 2um x 30，W9= 2umx 45，W10= 2um x 45，W11= 2um x 15，W12= 2um x 15，W13= 2um x 30，W14= 2um x 30，W15=2um x 45，W16= 2um x 45，W17=2um x 42 x2，W18= 2um x 42 x2，W19= 2um x 42 x2，W20=2um x 42 x2；
电阻参数：R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 5 = R 6 = R 7 = R 8 = 5Kohm；
电源电压Vdd为 1.5V；
偏置1端Vb电压为0.95V。
如图3所示，本实施例的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器电感的3D模型，在特定0.13um CMOS工艺下，利用专业3D电磁波全波仿真软件设计的单层八角环形电感，电感使用工艺中的最顶层金属作为电感顶层金属线圈33，电感顶层金属线圈33上设置电感端口32，次顶层金属作为电感次顶层金属线圈34，电感次顶层金属线圈34上设置电感端口31，电感地金属层35使用工艺中最底层金属，两层金属之间的距离在该工艺金属层之间距离中最大，能够有效地减小信号的耦合损失，位于电感正下方的地金属层挖掉和电感***等尺寸的变形槽子，可以有效减小电感的涡流效应，降低电感损耗，提高电感的品质因数。
如图4所示，本实施例7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中带有匹配功能的变压器3D模型，采用具有阻抗匹配作用的变压器，基于0.13um CMOS 工艺设计，采用工艺中最顶层金属作为变压器线圈a47，金属厚度为2.5um，采用工艺中次顶层金属作为变压器线圈b 48，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um, 最底层金属作为变压器地金属层49，变压器共有6个端口，变压器线圈a47包含2个对称的射频输入端口变压器端口I41、变压器端口II 42，还包含2个对称的DC端口变压器直流端口45、变压器直流端口46，其中射频端口位于变压器正上方，DC端口位于变压器两侧，变压器线圈a中点处金属线引出；变压器线圈b包含2个对称的射频输出端口变压器端口43、变压器端口44，位于变压器的正下方，变压器线圈b中点处通过通孔与变压器地金属层连接。
如图5所示，本实施例7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器中巴伦的3D模型，第一、第二巴伦均采用具有阻抗匹配和功率合成作用的变巴伦，基于0.13um CMOS 工艺设计，采用工艺中最顶层金属作为巴伦顶层金属线圈，金属厚度为2.5um, 采用工艺中次顶层金属作为巴伦次顶层金属线圈，厚度为0.534um, 两层金属间距0.9um，巴伦共有3个端口巴伦端口51、巴伦端口52、巴伦端口53，巴伦端口51作为射频输入端口，巴伦端口52、巴伦端口53作为射频输出端口，并且输出端口所在的线圈中点处与巴伦地金属层相连。
如图6所示，本实施例高增益、高输出功率模式S参数仿真曲线中S21为功率小信号增益，S11为输入端口回波损耗，S22为输出端口回波损耗。 由图可知，回波损耗S11、S22在中心频点附近均小于-10dB，工作频率25GHz处可以达到-15dB； 功率小信号增益S21的25dB带宽为22.5GHz-27.5GHz, 工作频率25GHz处可以达到30dB。
如图7所示，本实施例低增益、低输出功率模式S参数仿真曲线中S21为功率小信号增益，S11为输入端口回波损耗，S22为输出端口回波损耗。 由图可知，回波损耗S11、S22在中心频点附近均小于-10dB，工作频率25GHz处可以达到-15dB； 功率小信号增益S21的10dB带宽为22.5GHz-27.5GHz, 工作频率25GHz处可以达到14dB。
如图8所示，本实施例高增益、高输出功率模式线性度仿真曲线中输出功率P1dB压缩点为16.7 dBm,输出饱和功率Psat= 20.5 dBm。
如图9所示，本实施例低增益、低输出功率模式线性度仿真曲线中输出功率P1dB压缩点为8.7 dBm,输出饱和功率Psat= 12.5 dBm。
如图10所示，本实施例在不同电压组合下的7中工作模式的功率增益仿真曲线，功率放大器在控制电压Vc1、Vc2 、Vc3的不同组合下会有7中工作模式，由图可知，该7模式功率放大器功率增益范围为14dB - 30dB。
如图11所示，本实施例在不同电压组合下的7中工作模式的线性度仿真曲线，功率放大器在控制电压Vc1、Vc2 、Vc3的不同组合下会有7中工作模式，由图可知，该7模式功率放大器输出功率P1dB压缩点范围为8.7dBm – 16.7dBm, 输出饱和功率Psat范围为12.5dBm –20.5dBm。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，包含电源，控制电源，Vdd端，Vb端，控制端Vc1、Vc2、Vc3，输入端，输出端和地线，Vdd端和地线跨接在电源的正负端，Vb端与偏置电压相连，控制端Vc1、Vc2和Vc3分别与控制电源的正端连接，其特征是，还包括依次连接的第一巴伦、第一输入匹配电路、第二输入匹配电路，第一驱动电路、第二驱动电路，级间匹配电路、增益控制级、级间变压器、功率级电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路和第二巴伦；第一巴伦、第二巴伦分别连接输入端和输出端。
2.如权利要求1所述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，其特征是，
第一输入匹配电路包括电感L1、电容C1、C2连接的T型匹配电路；第二输入匹配电路包括电感L2、电容C3、C4连接的T型匹配电路；
第一驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M1和M2，MOS晶体管M2栅极上连接偏置电阻R1，第二驱动电路包括按共源共栅方式连接的MOS晶体管M3和M4，MOS晶体管M3栅极上连接偏置电阻R2；
级间匹配电路包括第一级间匹配电路和第二级间匹配电路，第一级间匹配电路包括连接成L型的电感L3和电容C5，第二级间匹配电路包括连接成L型的电感L4和电容C6；
增益控制级包括第一增益控制电路和第二增益控制电路，第一增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M5和M6、MOS晶体管M7和M8、MOS晶体管M9和M10，MOS晶体管M6栅极上连接偏置电阻R3，第二增益控制电路包括共源共栅连接的MOS晶体管M11和M12，MOS晶体管M13和M14，MOS晶体管M15和M16；MOS晶体管M11栅极上连接偏置电阻R4；
级间变压器包括第一变压器和第二变压器；
功率级电路包括第一功率级和第二功率级，第一功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M17和M18，MOS晶体管M17栅极上连接偏置电阻R5，MOS晶体管M18栅极上连接偏置电阻R6；第二功率级包括分别以共源方式连接的MOS晶体管M19和M20；MOS晶体管M19栅极上连接偏置电阻R7，MOS晶体管M20栅极上连接偏置电阻R8；
第一变压器连接在增益控制级和第一功率级之间，第二变压器连接在第一功率级和第二功率级之间；第一变压器和第一功率级之间连接有耦合电容C7和C8；第二变压器和第二功率级之间连接有耦合电容C9和C10；
第一输出匹配电路包括电感L5、L7电容C11、C12连接的匹配电路，第二输出匹配电路包括电感L6、L8电容C13、C14连接的匹配电路。
3.如权利要求2所述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，其特征是，第一变压器、第二变压器均采用基于0.13um CMOS工艺设计，工艺中最顶层金属作为变压器线圈a，金属厚度为2.5um，工艺中次顶层金属作为变压器线圈b，厚度为0.534um,两层金属间距0.9um,工艺中最底层金属作为变压器地金属层，变压器线圈a上包含2个对称的射频输入端口变压器端口I、变压器端口II，还包含2个对称的DC端口变压器直流端口I、变压器直流端口II；射频输入端口位于变压器正上方，DC端口位于变压器两侧，变压器线圈a中点处金属线引出；变压器线圈b上包含2个对称的射频输出端口变压器端口III、变压器端口IV，位于变压器的正下方，变压器线圈b中点处通过通孔与变压器地金属层连接。
4.如权利要求1所述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，其特征是，第一巴伦、第二巴伦均选用具有阻抗匹配和功率合成作用的变巴伦，并采用基于0.13um CMOS工艺设计，工艺中最顶层金属作为巴伦顶层金属线圈，金属厚度为2.5um，工艺中次顶层金属作为巴伦次顶层金属线圈，厚度为0.534um,两层金属间距0.9um；每个巴伦上均有3个端口，巴伦端口I、巴伦端口II、巴伦端口III，巴伦端口I作为射频输入端口，巴伦端口II、巴伦端口III作为射频输出端口，输出端口所在的线圈中点处与巴伦地金属层相连。
5.如权利要求2所述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，其特征是，电感L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8均采用0.13um CMOS工艺单层八角环形电感，利用工艺中最顶层金属作为电感顶层金属线圈，次顶层金属作为电感次顶层金属线圈，最底层金属作为电感地金属层；电感顶层金属线圈上设置电感端口II，电感次顶层金属线圈上设置电感端口I，位于电感正下方的电感地金属层挖有与电感***等尺寸的变形槽子。
6.如权利要求2所述的7模式增益和输出功率可控的K波段功率放大器，其特征是，电感参数分别为：L1＝165pH，L2＝165pH，L3＝120pH，L4＝120pH，L5＝100pH，L6＝100pH，L7＝70pH，L8＝70pH；
电容参数分别为：C1＝100fF，C2＝300fF，C3＝100fF，C4＝300fF，C5＝300fF，C6＝300fF，C7＝300fF，C8＝300fF，C9＝300fF，C10＝300fF，C11＝300fF，C12＝300fF，C13＝300fF，C14＝300fF；
MOS晶体管参数分别为：MOS晶体管长度L＝130nm，宽度为：W1＝2umx46，W2＝2umx46，W3＝2umx46，W4＝2umx46，W5＝2umx15，W6＝2umx15，W7＝2umx30，W8＝2umx30，W9＝2umx45，W10＝2umx45，W11＝2umx15，W12＝2umx15，W13＝2umx30，W14＝2umx30，W15＝2umx45，W16＝2umx45，W17＝2umx42x2，W18＝2umx42x2，W19＝2umx42x2，W20＝2umx42x2；电阻参数分别为：R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝R8＝5Kohm；
工作电压Vdd为1.5V；
偏置端Vb电压为0.95V。
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