一种稳定性增强的高输出功率射频功率放大器的制作方法

本发明属于无线通信功率放大器技术领域，尤其涉及互补型金属氧化物半导体(cmos)射频功率放大器领域，更具体的说，是涉及一种稳定性增强的高输出功率射频功率放大器。

背景技术：

如今，无线通信产业的快速发展已经成为信息产业的最大亮点，对于无线通信系统的设计要求也越来越高。功率放大器位于无线通信系统中发射机的末端，其输出功率决定了发射距离的长短，因此功率放大器是通信系统中非常重要的一部分。射频功率放大器广泛应用于卫星通信、雷达以及各种工业装备等领域，伴随着无线通讯和军事领域新标准新技术的发展，无线通信系统对射频功率放大器的性能要求也相应提高。因此，人们把更多的关注点放在功率放大器的的频率、输出功率和效率的提升方面，但是随着频率的上升，功率放大器的输出功率低和寄生参数大等问题越来越占据主导地位。

目前在实现高输出功率的功率放大器方面，常采用的工艺是gaas或gan工艺，但这种工艺的缺点是成本较高、产能不稳定。为了跟进快速发展的射频前端的产业需求，本发明采用成本更低、更加适合大规模生产、技术更为成熟的cmos工艺。由于cmos工艺衬底损耗大，越来越多的文献采用多个晶体管串并联的方法实现比较大的增益和高的输出功率，但是随着频率升高和晶体管数目的增多，各种寄生电容和分布效应的通道变多，特别容易引起电路的不稳定而发生振荡。在设计过程中，应充分考虑功率放大器的稳定性，防止功率放大器发生振荡。稳定是一切放大器前提，是保证设备安全可靠运行的必要条件。在现实应用中，常常存在信号源阻抗与负载阻抗与射频放大器网络不匹配的情况，产生反射，在某些频率下可能是正反馈，从而导致射频放大器自激，造成设备损坏。因此，实现高的输出功率下保证射频功率放大器的稳定显得尤为重要。

实现稳定的有效办法大致分为两种：第一种是在功率放大器中引入一定的有耗器件，降低q值，牺牲了一部分的增益来提高整个功率放大器的稳定性，比如在晶体管的栅极串联电阻等。第二种是引入一定的负反馈，因为不稳定的根源是正反馈，适当引入负反馈可以提高整个功率放大器的稳定性，但是可能会降低整个功率放大器的工作带宽。这两种办法都是以牺牲射频功率放大器的性能为代价来获得稳定性的提高。

综上所示，为了解决基于cmos工艺实现的射频功率放大器存在的稳定性和性能之间的折中问题，克服基于cmos工艺的射频功率放大器在实现高功率时引入的寄生导致整个电路不稳定的问题，就必须要提出一些新的射频功率放大器的结构，在不降低电路性能的前提下提高系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种稳定性增强的高输出功率射频功率放大器，是一种新的电路结构—基于交叉耦合技术补偿寄生电容的共源共栅的射频功率放大器的拓扑结构，能够在实现高的输出功率下保证射频功率放大器的稳定，不需要额外的稳定措施，降低成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的稳定性增强的高输出功率射频功率放大器，包括一号cmos晶体管、二号cmos晶体管、三号cmos晶体管、四号cmos晶体管，一号cmos晶体管和三号cmos晶体管处于同一支路，二号cmos晶体管和四号cmos晶体管处于同一支路，所述一号cmos晶体管栅极分别连接有一号输入隔直电容和一号电阻，所述二号cmos晶体管栅极分别连接有二号输入隔直电容和二号电阻，一号cmos晶体管和二号cmos晶体管均为共源结构，一号cmos晶体管漏极连接三号cmos晶体管源极，二号cmos晶体管漏极连接四号cmos晶体管源极，三号cmos晶体管漏极分别连接有一号输出隔直电容和一号电感，四号cmos晶体管漏极分别连接有二号输出隔直电容和二号电感，三号cmos晶体管和四号cmos晶体管均为共栅结构，所述三号cmos晶体管源极和四号cmos晶体管漏极之间连接有一号交叉耦合电容，所述三号cmos晶体管漏极和四号cmos晶体管源极之间连接有二号交叉耦合电容。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明本发明通过采用差分的基于cmos工艺的晶体管共源共栅结构，实现功率放大器的高功率输出。并且根据对差分的晶体管共源共栅结构进行改进，通过在差分的共栅的两个晶体管之间引入交叉耦合电容(即三号cmos晶体管源极和四号cmos晶体管漏极之间连接一号交叉耦合电容，三号cmos晶体管漏极和四号cmos晶体管源极之间连接二号交叉耦合电容)，同时结合差分结构固有的共模点寄生参数抵消的特点，在实现低成本和高的输出功率的要求下提高了整个电路的稳定性。

附图说明

图1是普通不采用交叉耦合电容的差分的共源共栅结构。

图2是本发明采用交叉耦合电容的差分的共源共栅结构。

附图标记:m1一号cmos晶体管，m2二号cmos晶体管，m3三号cmos晶体管，m4四号cmos晶体管，c1一号输入隔直电容，c2二号输入隔直电容，c3一号输出隔直电容，c4二号输出隔直电容，c5交流接地电容，vg1一号偏置电源，vg2二号偏置电源，vg3三号偏置电源，vd1一号电压源，vd2二号电压源，rg1一号电阻，rg2二号电阻，rg3三号电阻，l1一号电感，l2二号电感，cm1一号寄生电容，cm2二号寄生电容，cs1一号交叉耦合电容，cs2二号交叉耦合电容，gnd地，ain第一路信号输入端口，aout第一路信号输出端口，bin第二路信号输入端口，bout第二路信号输出端口。

具体实施方式

本发明为了克服基于cmos工艺实现高输出功率的射频功率放大器因为寄生参数导致的电路不稳定，提出了在差分的共源共栅的电路的共栅的两个晶体管之间引入交叉耦合电容。为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为普通差分的共源共栅结构，其中一路由一号cmos晶体管m1和三号cmos晶体管m3组成，另一路由二号cmos晶体管m2和四号cmos晶体管m4组成。其中，一号cmos晶体管m1和二号cmos晶体管m2均为共源结构，一号偏置电源vg1和一号电阻rg1、二号偏置电源vg2和二号电阻rg2分别为一号cmos晶体管m1和二号cmos晶体管m2提供栅极偏置。三号cmos晶体管m3和四号cmos晶体管m4均为共栅结构，三号偏置电源vg3和三号电阻rg3同时为三号cmos晶体管m3和四号cmos晶体管m4提供栅极偏置。一号电感l1、二号电感l2和一号电压源vd1、二号电压源vd2的组合为整个差分的共源共栅结构进行供电偏置。在共栅的三号cmos晶体管m3和四号cmos晶体管m4分别存在着一号寄生电容cm1和二号寄生电容cm1，并不是电路中的元器件。这两个寄生电容的存在将会导致传统的共源共栅结构变得不稳定，虽然此部分的寄生电容会被差分共源放大器进行部分的抵消，但是不完全，只能部分抵消。因此，本发明在差分共栅的两个晶体管之间引入一号交叉耦合电容cs1和二号交叉耦合电容cs2。

如图2所示，本发明的稳定性增强的高输出功率射频功率放大器，包括一号cmos晶体管m1、二号cmos晶体管m2、三号cmos晶体管m3、四号cmos晶体管m4，一号cmos晶体管m1和三号cmos晶体管m3处于同一支路，二号cmos晶体管m2和四号cmos晶体管m4处于同一支路。所述一号cmos晶体管m1栅极分别连接有一号输入隔直电容c1和一号电阻rg1，其中，一号输入隔直电容c1一端与一号cmos晶体管m1栅极连接，另一端与第一路信号输入端口ain连接；一号电阻rg1一端与一号cmos晶体管m1栅极连接，另一端与一号偏置电源vg1连接。所述二号cmos晶体管m2栅极分别连接有二号输入隔直电容c2和二号电阻rg2，其中，二号输入隔直电容c2一端与二号cmos晶体管m2栅极连接，另一端与第二路信号输入端口bin连接；二号电阻rg2一端与二号cmos晶体管m2栅极连接，另一端与二号偏置电源vg2连接。

所述一号cmos晶体管m1和二号cmos晶体管m2均为共源结构，也就是，一号cmos晶体管m1和二号cmos晶体管m2的源极共同接地gnd。所述一号cmos晶体管m1漏极连接三号cmos晶体管m3源极，二号cmos晶体管m2漏极连接四号cmos晶体管m4源极。所述三号cmos晶体管m3和四号cmos晶体管m4均为共栅结构，三号cmos晶体管m3和四号cmos晶体管m4的栅极共同分别连接有交流接地电容c5和三号电阻rg3，交流接地电容c5一端与三号cmos晶体管m3栅极连接，另一端接地gnd；三号电阻rg3一端与三号cmos晶体管m3栅极连接，另一端与三号偏置电源vg3连接。

所述三号cmos晶体管m3漏极分别连接有一号输出隔直电容c3和一号电感l1，其中，一号输出隔直电容c3一端与三号cmos晶体管m3漏极连接，另一端与第一路信号输出端口aout连接；一号电感l1一端与三号cmos晶体管m3漏极连接，另一端与一号电压源vd1连接。所述四号cmos晶体管m4漏极分别连接有二号输出隔直电容c4和二号电感l2，其中，二号输出隔直电容c4一端与四号cmos晶体管m4漏极，另一端与第二路信号输出端口bout连接；二号电感l2一端与四号cmos晶体管m4漏极连接，另一端与二号电压源vd2连接。所述三号cmos晶体管m3源极和四号cmos晶体管m4漏极之间连接有一号交叉耦合电容cs1，所述三号cmos晶体管m3漏极和四号cmos晶体管m4源极之间连接有二号交叉耦合电容cs2，用来补偿未完全抵消的寄生电容，从而对实现高功率输出的共源共栅结构的稳定性进行进一步的提高。

本发明利用晶体管的串联排列形式，使用差分的cmos晶体管共源共栅结构。在差分结构的一路中将场效应晶体管的源极与漏极进行连接，从而将整体电路结构的最优负载阻抗升高。在晶体管共源共栅结构中，晶体管栅极电容和栅极外置电容用于调整堆叠结构的漏极电压相位，保证每个晶体管的漏极电压的相位一致，实现高输出功率。采用差分的结构可以在共模点实现寄生参数的部分抵消。同时，在差分共栅的两个晶体管之间引入交叉耦合电容减小因为米勒电容不完全抵消导致的不稳定因素，提高整个电路的稳定性。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。