本發(fā)明涉及電路技術領域，特別是涉及一種單片集成的毫米波開關模式功率放大器電路。

背景技術：

由于毫米波頻段有著較高的可用帶寬，同時其探測精度也較高，因此毫米波芯片在無線通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學和電子對抗等多方面有著廣泛應用。近年來，隨著毫米波頻段的陸續(xù)開放，毫米波芯片成為了熱點。其中毫米波射頻前端作為關鍵技術很大程上決定了系統(tǒng)的性能、成本、尺寸等。

近年來隨著市場對于毫米波芯片需求的增長，對其成本、集成度、功耗要求日益提高。集成電路工藝尤其是cmos工藝的進步，使得實現(xiàn)毫米波頻段的單片集成的功率放大器（pa）成為可能。功率放大電路作為將經(jīng)過調(diào)制的毫米波信號放大到所需功率并傳輸給天線的電路，對于整個毫米波收發(fā)機的整體性能起到了決定性作用。現(xiàn)有的毫米波pa，多采用sige和gaas工藝，成本高昂；且其多為a類、ab類、b類工作模式，其最大輸出功率和pae都不同程度的存在改善和提升的空間。開關模式特別是e類pa在毫米波頻段的工作時，其pae明顯優(yōu)于前述的幾類工作模式，通過良好的選擇短路（shunt）電容和中和電容，并對輸入匹配電路作精心設計之后，可以得到優(yōu)秀的輸出功率、pae及良好的電路穩(wěn)定性。而采用cmos工藝進行設計，可以使成本極大的降低。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中的不足，提供一種占據(jù)芯片面積小，且pae更高，因而功耗更低且電路穩(wěn)定性優(yōu)良的單片集成的毫米波開關模式功率放大器電路。

技術方案：本發(fā)明所述的一種單片集成的毫米波開關模式功率放大器電路，包括一個輸入端功率耦合線圈、一組用作功率放大的nmos管和偏置電阻、一組用作開關電流吸收的短路電容、一個輸出端雙轉(zhuǎn)單功率合成器、一組用于增加電路穩(wěn)定性并提升功率附加效率的中和電容、一組串聯(lián)lc諧振回路以及輸出阻抗匹配電路。

進一步的，所述的輸入端功率耦合線圈是具有兩級耦合的線圈，其第二級線圈有中心抽頭，其第一級線圈接輸入信號，其第二級線圈的的中心抽頭接地，其第二級線圈的兩端分別接nmos管的柵極。

進一步的，所述的用作功率放大的nmos管分別做共源共柵連接后共同構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)。

進一步的，所述的偏置電阻串聯(lián)在共源共柵結(jié)構(gòu)的上面一級nmos管的柵極。

進一步的，所述短路電容跨接在共源共柵組態(tài)的nmos管的源極和漏極之間；

進一步的，所述的中和電容兩端分別連接共源共柵結(jié)構(gòu)下面一級nmos管的柵極和構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)的另外一組共源共柵結(jié)構(gòu)上面一級nmos晶體管的漏極。

進一步的，所述的輸出端雙轉(zhuǎn)單功率合成器是具有兩級耦合的線圈，其第一級線圈具有中心抽頭，其第一級線圈兩端分別連接兩組共源共柵結(jié)構(gòu)上面一級nmos管的漏極，其第一級線圈的中心抽頭接直流電源，其第二級線圈串聯(lián)一組lc串聯(lián)諧振電路后通過輸出阻抗匹配電路連接輸出負載，負載的一端接地。

有益效果：本發(fā)明提供的單片集成的毫米波功率放大電路，利用輸入功率耦合線圈將輸入信號傳輸至nmos管的柵極，特別的是，輸入信號可以是單端信號也可以是差分信號；通過構(gòu)成push-pull結(jié)構(gòu)的作cascode連接的nmos管實現(xiàn)功率放大；然后通過輸出功率合成器實現(xiàn)差分信號合成一路功率信號；最后，該單路信號經(jīng)串聯(lián)lc諧振回路和輸出阻抗匹配電路后輸出至負載；shunt電容的作用在于吸收nmos管工作時的開關電流，使全部電流在晶體管導通時完全流過晶體管，在晶體管關斷時全部流經(jīng)shunt電容；中和電容的作用在于提高電路的整體穩(wěn)定性，并進一步提升電路的pae。本電路通過耦合線圈的使用，采用較少的元器件實現(xiàn)了電路功能?？傮w來說，該電路具有占據(jù)芯片面積小、pae高、功耗低、電路穩(wěn)定性號的特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實施例的單片集成的毫米波功率放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖說明對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明中的頓號均表示和的關系。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種單片集成的毫米波開關模式功率放大器電路：包括一個輸入端功率耦合線圈（t1）、一組用作功率放大的nmos管(m1\m2\m3\m4)和必要的偏置電阻(r2\r3)、一組用作開關電流吸收的短路（shunt）電容（c2\c3）、一個輸出端雙轉(zhuǎn)單功率合成器(t2)、一組用于增加電路穩(wěn)定性并提升功率附加效率（pae）的中和電容(c5\c4)、一組串聯(lián)lc諧振回路(l1\c1)、用以示意負載的電阻r1以及必要的輸出阻抗匹配電路。

所述輸入端功率耦合線圈t1是具有兩級耦合線圈的變壓器，分別為第一級線圈和第二級線圈，其第二級線圈有中心抽頭。其第一級線圈由最頂層金屬繞制，第二級線圈由次頂層金屬繞制。第一級線圈和第二級線圈匝數(shù)比為1：1。其第一級線圈接輸入信號。其第二級線圈的的中心抽頭接地，其第二級線圈的兩端分別接nmos管m2和m4的柵極。t1線圈可以實現(xiàn)將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為平衡的差分信號傳輸至nmos管m2和m4的柵極；也可以實現(xiàn)將差分的輸入信號以一定增益?zhèn)鬏斨羘mos管m2和m4的柵極。

所述的用作功率放大的nmos管m1和m2成cascode連接、m3和m4成cascode連接，然后共同構(gòu)成推挽（push-pull）結(jié)構(gòu)。

所述的偏置電阻r2串聯(lián)在cascode結(jié)構(gòu)的上面一級nmos管m1的柵極；所述的偏置電阻r3串聯(lián)在cascode結(jié)構(gòu)的上面一級nmos管m3的柵極。

所述短路（shunt）電容c2跨接在cascode組態(tài)的nmos管m1的漏極和m2的源極之間；所述短路（shunt）電容c3跨接在cascode組態(tài)的nmos管m3的漏極和m4的源極之間。

所述的中和電容c5兩端分別連接cascode結(jié)構(gòu)下面一級nmos管m2的柵極和構(gòu)成push-pull結(jié)構(gòu)的另外一組cascode結(jié)構(gòu)上面一級nmos晶體管m3的漏極；所述的中和電容c4兩端分別連接cascode結(jié)構(gòu)下面一級nmos管m4的柵極和構(gòu)成push-pull結(jié)構(gòu)的另外一組cascode結(jié)構(gòu)上面一級nmos晶體管m1的漏極。

所述的輸出端的雙轉(zhuǎn)單功率合成器t2是具有兩級耦合線圈的變壓器，分別是第一級線圈和第二級線圈，其第一級線圈具有中心抽頭。其第一級線圈由次頂層金屬繞制，第二級線圈由最頂層金屬繞制。第一級線圈和第二級線圈匝數(shù)比為1：1。其第一級線圈兩端分別連接兩組cascode上面一級nmos管m1\m3的漏極。其第一級線圈的中心抽頭接直流電源。其第二級線圈串聯(lián)一組lc串聯(lián)諧振電路（l1\c1）后通過輸出阻抗匹配電路連接輸出負載r1，r1的一端和t2線圈第二級線圈的一端接地。t2線圈可以實現(xiàn)將差分的輸入信號以一定的增益轉(zhuǎn)換成單端信號并傳輸至串聯(lián)諧振回路，并進一步通過輸出阻抗匹配電路傳輸至負載r1。

本發(fā)明實施例中，可以將所有元器件集成在單個芯片上。其中輸入功率耦合線圈t1、輸出雙轉(zhuǎn)單功率合成器t2、shunt電容c2\c3、中和電容c4\c5、偏置電阻r2\r3、串聯(lián)諧振回路l1\c1和輸出阻抗匹配電路均為無源器件，消耗的電流很小，同時由于所有元器件集成在單個芯片上，以低電壓供電，能夠以高pae、低功耗、高電路穩(wěn)定性完成毫米波頻段功率放大的功能。以較小的芯片面積實現(xiàn)了毫米波放大電路的單片集成，大大降低了電路實施的成本。

本發(fā)明實施例的工作原理如下（以35ghz單路調(diào)頻方波電壓信號為例）：

使用時將35ghz的調(diào)頻信號接入輸入端功率耦合線圈t1的第一級線圈，單端信號被轉(zhuǎn)換為平衡的兩路差分信號分別傳輸至m2\m4的柵極,經(jīng)過用作功率放大的成cascode連接的nmos管m1和m2、m3和m4共同構(gòu)成的推挽（push-pull）結(jié)構(gòu)后，得到一定的功率增益，再經(jīng)由輸出雙轉(zhuǎn)單功率合成線圈t2轉(zhuǎn)換成單路功率信號，經(jīng)l1\c1構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉习l(fā)射功率要求的35ghz功率信號經(jīng)輸出阻抗匹配電路輸出至負載r1。

本發(fā)明提供的單片集成的毫米波功率放大電路，利用輸入功率耦合線圈將輸入信號傳輸至nmos管的柵極，特別的是，輸入信號可以是單端信號也可以是差分信號；通過構(gòu)成push-pull結(jié)構(gòu)的作cascode連接的nmos管實現(xiàn)功率放大；然后通過輸出功率合成器實現(xiàn)差分信號合成一路功率信號；最后，該單路信號經(jīng)串聯(lián)lc諧振回路和輸出阻抗匹配電路后輸出至負載；shunt電容的作用在于吸收nmos管工作時的開關電流，使全部電流在晶體管導通時完全流過晶體管，在晶體管關斷時全部流經(jīng)shunt電容；中和電容的作用在于提高電路的整體穩(wěn)定性，并進一步提升電路的pae。本電路通過耦合線圈的使用，采用較少的元器件實現(xiàn)了電路功能?？傮w來說，該電路具有占據(jù)芯片面積小、pae高、功耗低、電路穩(wěn)定性號的特點。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。