一种宽工作电压的CMOS射频放大器

技术领域

本发明属于射频放大器电路领域，具体涉及一种宽工作电压的CMOS射频放大器。

背景技术

物联网和可穿戴技术的发展和普及使得通信系统对电子元器件的功耗要求越来越严格。典型应用如导航系统接收SOC(system on chip系统级芯片)工作电压低至1.8V，双模L1/L5工作时，电流7mA左右。低功耗技术意味着元器件如NMOS需要在低工作电压、低电流条件下有同样或更大的跨导或增益。

另外，随着半导体工艺节点的不断提升，器件的ft(单位电流增益频率)越来越高，如支持工作在1.2V器件(薄栅MOS FET，thin oxide MOS FET如典型地Tox＝1.85nm,栅氧厚度为1.85纳米)的NMOS 65nm工艺ft约为200GHz左右，这样使得高性能低功耗的射频电路成为可能。

对于某些特定CMOS工艺，提供支持如工作于1.2V(薄栅MOS FET，thin oxide MOSFET如典型地Tox＝1.85nm,栅氧厚度为1.85纳米)、2.5V(厚栅MOS FET，thick oxide MOSFET，如典型地Tox＝5.5nm,栅氧厚度为5.5纳米)工作电压的MOS FET元器件，因此工作在3.3V或3.6V时存在器件击穿的风险。

因此，支持低工作电压如1.8V，同时又支持2.8V甚至3.3V、3.6V不同应用场景宽工作电压成为各种元器件通用化的一个迫切需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽工作电压的CMOS射频放大器，解决了现有技术中射频放大器工作电压范围小的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种宽工作电压的CMOS射频放大器，包括共源管和共栅管共同组成的共源共栅结构、共源管和共栅管各自的栅极控制电路；共栅管的栅极控制电路用于调节共栅管的栅极电压；共源管的栅极控制电路用于控制共源管的开关状态及栅极电压；当外部电源电压发生变化时，共栅管栅极控制电路控制共栅管的栅极电压随之发生改变，共源管的漏极电压也随之改变，共源管处于任一种开关状态，共源管与共栅管均能够避免被击穿。

通过配置不同栅氧层厚度的共源MOS管和共栅MOS管，使该电路的工作电压最高达到4.5V。

所述共源共栅结构包括共源管和共栅管，其中，共源管的漏极和共栅管的源极连接在一起，共栅管的漏极作为该放大器的输出端，并连接由电容和射频扼流电感组成的输出匹配网络；共源管的源极连接源极接地电感，栅极通过串联电容连接到射频输入端。

共栅管的栅极控制电路包括由电阻和电容组成的射频隔离电路，由电阻、厚栅NMOS管和两个串联的二极管组成的栅极偏置电路；共栅管的栅极连接并联的电容和串联的电阻，用于隔离射频和稳定共栅管的栅极工作电压；电阻、厚栅NMOS管和两个二极管串联连接在电源电压和地之间，为共栅管栅极提供稳定的偏置电压。

共栅管的射频隔离电路的电阻在共栅管偏置电路和共栅管的栅极之间，电容连接在共栅管的栅极与地之间。

共栅管的偏置电路由串联在电源电压和地之间的电阻、厚栅NMOS管和两个二极管组成。

共源管的控制电路包括厚栅NMOS管、厚栅PMOS管、反相器、CS管偏置电路以及连接在CS管偏置电路与共源管之间的隔离电阻，通过反相器的使能端控制共源管的开关状态；当电源电压发生改变时，共源管的漏极电压跟随共栅管的栅极电压变化。

CS管偏置电路配置为一个常数跨导偏置电路或带温度、电压、工艺补偿功能的偏置电路。

共栅管的栅极电压Vg2根据如下公式计算：

Vg2＝Vgs2+Vd1

Vgs2为共栅管的栅源电压，Vd1为共源管的漏极电压。

共源管的栅极还连接一个输入电容，用于匹配输入并隔离直流。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的CMOS射频放大器，可以适用于标准CMOS、RF CMOS、CMOS SOI等工艺各种节点，使用低压MOS FET器件就能使电路既能工作在1.8V，同时又支持2.8V甚至3.3V、3.6V不同应用场景宽工作电压器，而避免CMOS射频放大器里的薄栅或厚栅MOS FET管被电压击穿。

2、薄栅管和厚栅管的厚度可以有不同的配置，比如薄栅可以是支持1.2V工作的器件，而厚栅管可以是支持3.3V的器件，这样的配置形式下，本发明可以提供支持最高工作于4.5V的工作电压。

3、该电路可以应用于CMOS射频低噪声放大器(CMOS LNA)或驱动放大器(CMOS RFdriver)或功率放大器(CMOS RF Power Amplifier)，频率不限于射频，或微波，或毫米波。

附图说明

图1为本发明一种宽工作电压的CMOS射频放大器的电路图。

图2为本发明共栅管的栅极电压Vg2与电源电压VDD的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

一种宽工作电压的CMOS射频放大器，包括共源管和共栅管共同组成的共源共栅结构、共源管和共栅管各自的栅极控制电路；共栅管的栅极控制电路用于调节共栅管的栅极电压；共源管的栅极控制电路用于控制共源管的开关状态及栅极电压；当外部电源电压发生变化时，共栅管栅极控制电路控制共栅管的栅极电压随之发生改变，共源管的漏极电压也随之改变，共源管处于任一种开关状态，共源管与共栅管均能够避免被击穿。

所述共源管采用薄栅NMOS管，共栅管采用厚栅NMOS管。

具体实施例，如图1、图2所示，

一种宽工作电压的CMOS射频放大器，包括薄栅NMOS管116(以下简称薄栅管116或者NMOS管116)和厚栅NMOS管115(以下简称厚栅管115或者NMOS管115)共同组成的cascode结构(共源共栅结构)，其中，薄栅NMOS管116为共源管，厚栅NMOS管115为共栅管；电阻101、厚栅NMOS管104、二极管102、103、电阻110、电容113一起构成CG(共栅)NMOS管115的栅极控制电路；厚栅NMOS管105、厚栅PMOS管106、反相器108、CS管偏置电路107、电阻111一起构成CS管116的栅极控制电路；电容112为输入电容，用于匹配输入并隔离直流；电感114与电容118一起构成输出匹配网络；电感117为源极接地电感；电容109为电源VDD滤波电容。

二极管102、103也可以是由NMOS FET组成的二极管配置形式；CS(Common Source，共源)偏置电路107可以配置成一个常数跨导(Constant gm)偏置电路或者其他类型的带温度、电压、工艺补偿功能的偏置电路，为CS管116提供合适的偏置电压。

该CMOS射频放大器的工作原理及工作过程如下：

NMOS管116为1.2V薄栅器件，具有高ft,能够提供高射频增益，NMOS管115为2.5V厚栅器件，因此通过适当的设置电压分配，可以使得射频电路工作在3.6V。电感114起射频扼流作用，并与电容118一起构成输出匹配网络；电感117为源极接地电感，通过调整电感的大小可以在CS(共源)NMOS管116的输入端在工作频段得到一个实数阻抗。

电阻101、厚栅NMOS管104、二极管102、103、电阻110、电容113一起构成CG(共栅)NMOS管115的栅极控制电路，电阻110与并联的电容113一起起到隔离射频、稳定CG NMOS管115栅极工作电压Vg2的作用。并且有：

Vg2＝Vgs2+Vd1

其中，Vgs2为NMOS管115的栅源电压，通常情况约为0.6～0.7V左右；Vd1为NMOS管116的漏极电压。因此，通过设定好Vg2就可以确定NMOS管116的工作电压，如果设置Vg2电压在1.8V，那么Vd1为1.1～1.2V，满足薄栅管116的工作条件而避免过高电压导致其击穿。如果电路VDD需要工作在1.6V～3.6V,Vg2设定在1.8V左右，当VDD<1.8V时，我们可以让Vg2跟随VDD，此时Vg2约等于VDD；当1.8V

厚栅NMOS管105、厚栅PMOS管106、反相器108、CS管偏置电路107、电阻111一起构成CS管116的栅极控制电路，其中电阻111主要起隔离射频与直流的作用，一般为几十K欧姆。

通过EN使能控制反相器的输入，从而控制CS管116栅极电压。当EN＝0时，处于开关工作状态的PMOS管106处于关闭状态，因此CS管偏置电路107输出为0，从而关闭NMOS管116，需要特别说明的是，虽然此时116栅极电压为0，但此时由于Vg2电压为1.8V，因此NMOS管116漏极电压Vd1仍为一个略高于1.1V而低于1.8V的电压，通过降低Vg2(如将电平由1.8V降低至1.6V或1.4V)可以进一步降低Vd1，从而使得在关闭状态的薄栅管116仍然处于安全的工作状态而不被击穿；当EN＝1时，处于开关工作状态的PMOS管106处于打开状态，因此CS管偏置电路107将输出一个合适的偏置电压，从而使得NMOS管116工作于饱和区，对输入射频信号起到放大作用。

通过配置不同栅氧层厚度的薄栅MOS管(共源管)和厚栅MOS管(共栅管)，该电路的工作电压最高达到4.5V。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。