一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器

本发明属于射频集成电路设计，尤其涉及一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器核心电路。

背景技术：

1、在无线通信技术需求的推动下，应用于高数据传输速率的毫米波通信系统中的收发机快速发展。实现高数据传输速率通常需要采用高阶调制方案(例如64-qam，256-qam)，然而这些方案都具有较大的峰均功率比(papr)，这对毫米波功率放大器的线性度和功率附加效率提出了严格的设计要求，尤其是大信号下的幅度-幅度失真(am-am)和幅度-相位(am-pm)失真。

2、为了提高功率附加效率，毫米波功率放大器通常偏置在深ab类或b类状态。这种方法通常以牺牲am-am为代价来提高效率，从而导致功率放大器具有较差的误差向量幅度(evm)和邻道功率比(acpr)，给设计带来了挑战。

3、此外，与传统射频工艺gaas和sige工艺相比，cmos工艺具有高集成度、低成本、低功耗等优势。然而，以硅基工艺制成的晶体管在毫米波频段增益低、损耗大等缺点，以及硅基工艺下高损耗衬底限制无源元件品质因数，也对射频前端的设计带来了诸多的挑战。

4、因此，未来的毫米波放大器设计除了要满足相控阵或大规模mimo应用所需的输出功率和尺寸限制外，还需要提供高线性度和高效率。根据文献检索，目前很多功率放大器尚不能满足上述要求。

技术实现思路

1、技术问题：本发明目的在于提供一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，以满足高阶调制方案下毫米波功率放大器的线性度和功率附加效率要求，同时解决深ab类工作状态下线性度较差的问题。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，包括共源级差分对第一晶体管、第二晶体管和共栅级差分对第三晶体管、第四晶体管构成共源共栅功率放大器的信号输入端，

3、其中，第一晶体管和第二晶体管栅极分别为差分输入端in+和in-，源极接地，漏极通过串联第一电感和第二电感连接至第三晶体管和第四晶体管的源极；

4、第三晶体管和第四晶体管漏极分别为差分输出端out+和out-，源极通过串联第一电感和第二电感连接至第一晶体管和第二晶体管的漏极，栅极通过串联第三电感和第四电感相连，在第三电感和第四电感的中间节点连接第一电容到地，同时在中间节点连接第一电阻馈电，提高共模稳定性。

5、所述的第一电感和第三电感互相耦合，耦合系数为k1；第二电感和第四电感互相耦合，耦合系数为k2；第一电感和第二电感感值相同，第三电感和第四电感感值相同，两耦合系数值相同。

6、所述的第二晶体管栅极和第一晶体管漏极之间连接第二电容，第一晶体管栅极和第二晶体管漏极之间连接第三电容，第二电容和第三电容容值相同，以此补偿晶体管寄生栅漏电容引入的密勒效应，提高放大器增益和隔离度。

7、所述第三晶体管源极和第四晶体管漏极之间连接第四电容，第四晶体管源极和第三晶体管漏极之间连接第五电容，第四电容和第五电容容值相同，以解决跨导提升技术带来的稳定性问题。

8、所述第一晶体管、第二晶体管漏极之间串联连接第五电感和第六电感，第五电感和第六电感感值相同，在第五电感和第六电感的中间节点连接第六电容到地。

9、所述第三电感、第四电感和第一电容为一个谐振器，第五电感、第六电感和第六电容为一个谐振器，在二次谐波频率附近选取两个设定的谐振频率，实现宽带的陷波网络，在宽带内抑制二次谐波，从而减轻am-pm失真，提升线性度。

10、使用的所有晶体管均为nmos晶体管。

11、所述的第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感和第六电感为高层厚金属平面电感器。

12、有益效果：本发明的一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其有益效果如下：

13、1、采用共源共栅结构提高放大器输出功率，同时提高了输出阻抗，有利于与50ω的天线进行匹配；

14、2、通过在共栅级引入跨导提升技术提高了放大器的增益和效率；

15、3、通过在共源级引入交叉栅漏电容中和技术提高了共源级放大器的增益和隔离度；

16、4、通过在共栅级引入交叉漏源电容中和技术进一步提高了整体放大器的稳定性，同时有利于实现最佳阻抗匹配和输出共轭匹配的兼容；

17、5、通过在共源级和共栅级中间节点和共栅级栅极分别引入一个二次谐波陷波网络，并在二次谐波频率附近选取两个合适的谐振频率以实现宽带的陷波网络，从而在宽带内抑制二次谐波，从而减轻am-pm失真。

技术特征：

1.一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，包括共源级差分对第一晶体管(m1)、第二晶体管(m2)和共栅级差分对第三晶体管(m3)、第四晶体管(m4)构成共源共栅功率放大器，

2.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述的第一电感(l1)和第三电感(l3)互相耦合，耦合系数为k1；第二电感(l2)和第四电感(l4)互相耦合，耦合系数为k2；第一电感(l1)和第二电感(l2)感值相同，第三电感(l3)和第四电感(l4)感值相同，两耦合系数值相同。

3.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述的第二晶体管(m2)栅极和第一晶体管(m1)漏极之间连接第二电容(c2)，第一晶体管(m1)栅极和第二晶体管(m2)漏极之间连接第三电容(c3)，第二电容(c2)和第三电容(c3)容值相同，以此补偿晶体管寄生栅漏电容引入的密勒效应，提高放大器增益和隔离度。

4.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述第三晶体管(m3)源极和第四晶体管(m4)漏极之间连接第四电容(c4)，第四晶体管(m4)源极和第三晶体管(m3)漏极之间连接第五电容(c5)，第四电容(c4)和第五电容(c5)容值相同，以解决跨导提升技术带来的稳定性问题。

5.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述第一晶体管(m1)、第二晶体管(m2)漏极之间串联连接第五电感(l5)和第六电感(l6)，第五电感(l5)和第六电感(l6)感值相同，在第五电感(l5)和第六电感(l6)的中间节点连接第六电容(c6)到地。

6.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述第三电感(l3)、第四电感(l4)和第一电容(c1)为一个谐振器，第五电感(l5)、第六电感(l6)和第六电容(c6)为一个谐振器，在二次谐波频率附近选取两个设定的谐振频率，实现宽带的陷波网络，在宽带内抑制二次谐波，从而减轻am-pm失真，提升线性度。

7.根据权利要求1所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，使用的所有晶体管均为nmos晶体管。

8.根据权利要求1、5所述的增强稳定性的跨导提升线性功率放大器，其特征在于，所述的第一电感(l1)、第二电感(l2)、第三电感(l3)、第四电感(l4)、第五电感(l5)和第六电感(l6)为高层厚金属平面电感器。

技术总结本发明公开了一种增强稳定性的跨导提升线性功率放大器。该功率放大器采用共源共栅结构，在共源级的栅极和漏极引入交叉电容中和技术提高增益和隔离度，在共栅级的栅极和源极引入跨导提升技术进一步提高增益和功率附加效率。为了解决跨导提升技术带来的稳定性问题，提出了一种漏源电容中和技术，有效地提高了整体放大器的稳定性。此外，在共源级、共栅级的中间节点和共栅级的栅极各自引入一个“电感‑电容‑电感”型的二次谐波陷波网络以抑制二次谐波，在宽带内有效地减轻了AM‑PM失真，提高了线性度。技术研发人员：李旭伟,万玺,冯景,王浩翔,陈秦,杨宣宣,梁宇辰,王东明,李连鸣受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9