集成CMOS功率放大器的发射机和收发机发明专利

专利名称：集成CMOS功率放大器的发射机和收发机

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211227854.4

专利申请（专利权）人：芯翼信息科技(上海)有限公司,芯翼信息科技(深圳)有限公司
权利人地址：上海市浦东新区亮秀路112号B座402室

专利发明（设计）人：邓昊培,张京华,肖建宏

专利摘要：本发明提供了一种集成CMOS功率放大器宽电压发射机，包括：发射模块，用于发射信号，所述发射模块包括CMOS功率放大器；发射机控制模块，所述发射机控制模块与所述发射模块电连接，用于根据网络协议控制所述发射模块所传输的射频信号的发射频率和发射功率并处理基带信号。本发明发射机能够提高集成度，减小模组面积和模组元器件个数，从而降低成本。本发明还提供一种集成CMOS功率放大器宽电压收发机。

主权利要求：
1.一种集成CMOS功率放大器的发射机，其特征在于，包括：
发射模块，用于发射信号，所述发射模块包括CMOS功率放大器，所述CMOS功率放大器通过巴伦连接至天线，所述巴伦的射频输入端和射频输出端的阻抗匝数比为1:N，N大于或等于3；所述巴伦的理论取值N'与饱和功率Psat、电压VDD的关系为N'= ；
发射机控制模块，所述发射机控制模块与所述发射模块电连接，用于根据网络协议控制所述发射模块所传输的射频信号的发射频率和发射功率并处理基带信号。
2.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述CMOS功率放大器包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极相连通，所述第三NMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极相连通，所述第一NMOS管的源极、所述第二NMOS管的源极、所述第三NMOS管的源极与所述第四NMOS管的源极相连并接地，所述第一NMOS管的漏极和所述第三NMOS管的漏极均与所述第五NMOS管的源极相连，所述第二NMOS管的漏极和所述第四NMOS管的漏极均与所述第六NMOS管的源极相连通，所述第五NMOS管的栅极和所述第六NMOS管的栅极相连并连接偏置电压。
3.根据权利要求2所述的发射机，其特征在于，所述CMOS功率放大器还包括第一电阻和第二电阻，所述第二NMOS管的源极与所述第一电阻一端相连，所述第三NMOS管的源极与所述第二电阻一端相连，所述第一NMOS管的源极、所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端与所述第四NMOS管的源极相连并接地。
4.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述发射模块还包括数模转换器、低通滤波器和混频器，所述数模转换器、所述低通滤波器、所述混频器和所述CMOS功率放大器依次连接并传输射频信号，所述CMOS功率放大器用于将所述射频信号放大。
5.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，还包括电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述发射模块和所述发射机控制模块供电。
6.根据权利要求5所述的发射机，其特征在于，所述电源管理模块包括DC‑DC转换器或LDO电路，所述CMOS功率放大器通过所述DC‑DC转换器或所述LDO电路连接电源。
7.根据权利要求6所述的发射机，其特征在于，所述电源管理模块还包括DC‑DC转换器和LDO电路，所述CMOS功率放大器依次通过所述LDO电路和所述DC‑DC转换器连接电源。
8.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述发射机应用于物联网、窄带物联网、窄带专网或卫星互联网。
9.一种集成CMOS功率放大器的收发机，其特征在于，包括接收机和所述权利要求1‑8任意一项所述的发射机。 说明书 : 集成CMOS功率放大器的发射机和收发机技术领域[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种集成CMOS功率放大器宽电压发射机和收发机。背景技术[0002] 功率放大器（PowerAmplifier，PA）主要用于发射机和收发机中，处于发射端末级，用于放大发射信号。功率放大器主要有饱和功率、效率、线性度等指标。根据制作工艺，发射机和收发机通常是CMOS工艺，而功率放大器通常采用GaAs等化合物工艺，功率放大器一般很难和发射机或收发机集成在同一块芯片上。目前集成CMOS功率放大器在窄带物联网(NarrowBandInternetofThings，NBIoT）领域的应用还是空白。图1为现有技术的窄带物联网发射机的示意图，参照图1，现有的窄带物联网发射机包括电源管理模块1、发射机控制模块2和发射模块3，GaAs功率放大器4芯片与发射机分开设置，GaAs功率放大器4与所述发射模块3通过功率放大器输入匹配模块5连接，这种分体式的结构使得模组占用面积较大，集成度不高，成本较高。[0003] 因此，有必要提供一种新型的集成CMOS功率放大器宽电压发射机和集成CMOS功率放大器宽电压收发机以解决现有技术中存在的上述问题。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种集成CMOS功率放大器宽电压发射机和集成CMOS功率放大器宽电压收发机，能够提高集成度，减小模组面积和模组元器件个数，从而降低成本。[0005] 为实现上述目的，本发明的所述集成CMOS功率放大器宽电压发射机包括：[0006] 发射模块，用于发射信号，所述发射模块包括CMOS功率放大器；[0007] 发射机控制模块，所述发射机控制模块与所述发射模块电连接，用于根据网络协议控制所述发射模块所传输的射频信号的发射频率和发射功率并处理基带信号。[0008] 本发明的所述发射机有益效果在于：集成了CMOS功率放大器，能够提高集成度，减小模组面积，且不需要额外的功率放大器芯片，不需要功率放大器输入匹配，能够减小模组元器件个数，降低成本。[0009] 可选地，所述CMOS功率放大器包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极相连通，所述第三NMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极相连通，所述第一NMOS管的源极、所述第二NMOS管的源极、所述第三NMOS管的源极与所述第四NMOS管的源极相连并接地，所述第一NMOS管的漏极和所述第三NMOS管的漏极均与所述第五NMOS管的源极相连，所述第二NMOS管的漏极和所述第四NMOS管的漏极均与所述第六NMOS管的源极相连通，所述第五NMOS管的栅极和所述第六NMOS管的栅极相连并连接偏置电压。其有益效果在于：能够减小CMOS功率放大器非线性的产生，能够减小输出和输入信号之间的相位差的变化，使得发射机能够适应更大的电压范围。[0010] 可选地，所述CMOS功率放大器包括还包括第一电阻和第二电阻，所述第二NMOS管的源极与所述第一电阻一端相连，所述第三NMOS管的源极与所述第二电阻一端相连，所述第一NMOS管的源极、所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端与所述第四NMOS管的源极相连并接地。其有益效果在于：能够减小电流消耗，而不影响CMOS功率放大器的整体效率。[0011] 可选地，所述发射模块还包括数模转换器、低通滤波器和混频器，所述数模转换器、所述低通滤波器、所述混频器和所述CMOS功率放大器依次连接并传输射频信号，所述CMOS功率放大器用于将所述射频信号放大。[0012] 可选地，所述CMOS功率放大器通过巴伦连接至天线，所述巴伦的射频输入端和射频输出端的阻抗匝数比为1:N，N大于或等于3。其有益效果在于：使用高匝数比的巴伦，能够降低CMOS功率放大器的负载阻抗，使得在低压时也能够发射足够的功率。[0013] 可选地，还包括电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述发射模块和所述发射机控制模块供电。[0014] 可选地，所述电源管理模块包括DC‑DC转换器或LDO电路，所述CMOS功率放大器通过所述DC‑DC转换器或所述LDO电路连接电源。其有益效果在于：能够使发射机适应更大的电压范围。[0015] 可选地，所述电源管理模块还包括DC‑DC转换器和LDO电路，所述CMOS功率放大器依次通过所述LDO电路和所述DC‑DC转换器连接电源。其有益效果在于：能够抑制电源纹波，减小输出杂散。[0016] 可选地，所发射机应用于物联网、窄带物联网、窄带专网或卫星互联网。[0017] 本发明还提供一种集成CMOS功率放大器宽电压收发机，其特征在于，包括接收机和所述发射机。所述收发机的有益效果在于：收发机集成了CMOS功率放大器，能够提高集成度，减小模组面积，且不需要额外的功率放大器芯片，不需要功率放大器输入匹配，能够减小模组元器件个数，降低成本。附图说明[0018] 图1为现有技术的窄带物联网发射机的示意图；[0019] 图2为一些实施例中发射机的示意图；[0020] 图3为另一些实施例中发射机的示意图；[0021] 图4为一些实施例中巴伦的绕匝示意图；[0022] 图5为本发明一些实施例中巴伦的叠层结构侧视图；[0023] 图6为所述m3金属层的俯视图；[0024] 图7为所述m2金属层的俯视图；[0025] 图8为所述m1金属层的俯视图；[0026] 图9为所述V1层的俯视图；[0027] 图10为一些实施例中高频CMOS功率放大器的电路示意图。具体实施方式[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。[0029] 图2为一些实施例中发射机的示意图。参照图2，所述发射机包括：[0030] 发射模块3，用于发射信号，所述发射模块包括CMOS功率放大器31；[0031] 发射机控制模块2，所述发射机控制模块2与所述发射模块3电连接，用于根据窄带物联网的协议控制所述发射模块3所传输的射频信号的发射频率和发射功率并处理基带信号。[0032] 本发明的发射机集成了CMOS功率放大器，能够提高集成度，减小模组面积，且不需要额外的功率放大器芯片，不需要功率放大器输入匹配，能够减小模组元器件个数，降低成本。[0033] 一些实施例中，所述发射机应用于物联网、窄带物联网、窄带专网或卫星互联网。[0034] 参照图2，所述发射模块3还包括数模转换器34、低通滤波器33和混频器32，所述数模转换器34、所述低通滤波器33、所述混频器32和所述CMOS功率放大器31依次连接并传输射频信号，所述CMOS功率放大器31用于将所述射频信号放大。[0035] 一些实施例中，所述CMOS功率放大器31包括高频CMOS功率放大器311和低频CMOS功率放大器312，所述混频器32包括第一混频器321和第二混频器322，所述低通滤波器33包括第一低通滤波器331和第二低通滤波器332，所述数模转换器34包括第一数模转换器341和第二数模转换器342，所述第一数模转换器341、所述第一低通滤波器331、所述第一混频器321和所述高频CMOS功率放大器311依次连接并传输高频射频信号，所述第二数模转换器342、所述第二低通滤波器332、所述第二混频器322和所述低频CMOS功率放大器312依次连接并传输低频射频信号。[0036] 图3为另一些实施例中发射机的示意图。参照图3，所述高频CMOS功率放大器311通过巴伦6连接至天线7，所述巴伦6的射频输入端和射频输出端的阻抗匝数比为1:N，N大于或等于3。对于不同的电压和输出功率，N取值有对应的最佳值，当电压为1.8v，饱和功率大于或等于28dbm，N优选为3。如果电压更低，或者功率更高，N取值要更大。使用高匝数比的巴伦，能够降低CMOS功率放大器的负载阻抗，使得在低压时也能够发射足够的功率。[0037] 所述巴伦的理论取值N'与饱和功率Psat（单位：W)、电压VDD(单位：V)的关系为N'=时，PA线性度和PA效率更高。[0038] 在不考虑实际应用中的走线或者封装的寄生电感和电容时，N相当于N'。[0039] 一些实施例中，当饱和功率是28dbm、电压取值为1.8V时，N取2‑4时PA线性度和PA效率较高；当饱和功率是28dbm、电压取值为2.5V时，N取1.5‑2.5时PA线性度和PA效率较高；当饱和功率是28dbm、电压取值为3.3V时，N取1‑2时PA线性度和PA效率较高。[0040] 图4为一些实施例中巴伦的绕匝示意图。参照图3和图4，射频输入端包括第一输入口61和第二输入口62，射频输出端包括第一输出口63和第二输出口64。所述射频输入端采用3圈阻抗并联的方式，射频输出端为3圈阻抗，所述巴伦6的射频输入端和射频输出端的阻抗匝数比为1:3，由所述高频CMOS功率放大器311传输的射频信号由所述第一输入口61和所述第二输入口62输入，并由所述第一输出口63传输至天线7，所述第二输出口64接地。图5为本发明一些实施例中巴伦的叠层结构侧视图，参照图5，所述巴伦包括3层金属层和2层VIA通孔，所述3层金属层分别为m1金属层、m2金属层、m3金属层，所述2层VIA通孔分别为V1层和V2层，其中所述V2层为空。图6为图5中m3金属层的俯视图，图7为图5中m2金属层的俯视图，图8为图5中m1金属层的俯视图，图9为图5中V1层的俯视图。[0041] 一些实施例中，所述巴伦6的射频输入端和射频输出端的阻抗匝数比为1:1或1:2。[0042] 一些实施例中，所述巴伦使用集成无源器件（IntegratedPassiveDevice，IPD）工艺的芯片，由于IPD工艺相对于CMOS工艺来说衬底阻抗更大，单位面积成本更低，非常适合集成被动器件，如电感、电容等，因此使用IPD工艺能够提高所述巴伦的工作效率。[0043] 参照图2和图3，所述发射机还包括电源管理模块1，所述电源管理模块1用于为所述发射模块3和所述发射机控制模块2供电。[0044] 参照图3，所述发射机控制模块2包括锁相环21，所述锁相环21用于输出频率信号给所述发射模块3以控制发射频率，所述锁相环21包括电压控制振荡器211，所述电压控制振荡器211包括第二电感（图中未示出），所述第二电感的中心与所述巴伦6的中心设置在同一水平方向上。一些实施例中，所述第二电感的中心与所述巴伦6的中心设置在同一竖直方向上。将所述第二电感的中心与所述巴伦6的中心设置在同一水平方向上或同一竖直方向上能够解决CMOS功率放大器对锁相环牵拉（pulling）的问题。[0045] 一些实施例中，所述第二电感的中心与所述巴伦6的中心之间的距离大于或等于1mm。所述第二电感的中心与所述巴伦6的中心的距离设置的较远，能够解决CMOS功率放大器对锁相环牵拉（pulling）的问题。[0046] 一些实施例中，所述电源管理模块包括DC‑DC转换器或所述LDO电路，所述CMOS功率放大器通过所述DC‑DC转换器或LDO电路连接电源。能够使发射机适应更大的电压范围。[0047] 参照图3，所述电源管理模1包括DC‑DC转换器11，所述高频CMOS功率放大器311通过所述DC‑DC转换器11连接VBAT引脚13并连接外部电源。[0048] 一些实施例中，所述电源管理模块还包括LDO电路，所述CMOS功率放大器依次通过所述LDO电路和所述DC‑DC转换器连接电源，能够抑制电源纹波，减小输出杂散。[0049] 参照图3，所述电源管理模块1包括DC‑DC转换器11和LDO电路12，所述高频CMOS功率放大器311依次通过所述LDO电路12和所述DC‑DC转换器11连接电源。[0050] 参照图3，所述发射机的供电通路包括：电源经VBAT引脚13接入，经过所述DC‑DC转换器11、第一电感14和所述LDO电路12，然后给所述高频CMOS功率放大器311和第一混频器321供电，其中所述第一电感14一端连接所述DC‑DC转换器11，另一端分别连接所述LDO电路12和电容15，所述电容15接地。所述发射机的供电通路还包括：电源经所述VBAT引脚13接入，经过所述DC‑DC转换器11、所述第一电感14和TP口65，然后经过所述巴伦6的所述第一输入口61和所述第二输入口62将电流分成两路传输给所述高频CMOS功率放大器311。[0051] 一些实施例中，所述CMOS功率放大器包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极相连通，所述第三NMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极相连通，所述第一NMOS管的源极、所述第二NMOS管的源极、所述第三NMOS管的源极与所述第四NMOS管的源极相连并接地，所述第一NMOS管的漏极和所述第三NMOS管的漏极均与所述第五NMOS管的源极相连，所述第二NMOS管的漏极和所述第四NMOS管的漏极均与所述第六NMOS管的源极相连通，所述第五NMOS管的栅极和所述第六NMOS管的栅极相连并连接偏置电压。[0052] 所述第二NMOS管与所述第三NMOS管采用交叉对方式，所述第一NMOS管与所述第二NMOS管、所述第三NMOS管与所述第四NMOS管为互补对，所述第一NMOS管、所述第四NMOS管、第五NMOS管与所述第六NMOS管构成差分结构，此种连接方式称为交叉互补差分结构，本发明的交叉互补差分结构使得所述第一NMOS管与所述第二NMOS管产生相反方向的寄生电容，使得第三NMOS管与所述第四NMOS管产生相反方向的寄生电容。由于NMOS管会产生寄生电容，而第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管所产生的寄生电容就表现为CMOS功率放大器的等效电容，当输入功率变化更大时，CMOS功率放大器的等效电容的变化便会更大，CMOS功率放大器的非线性就越明显，本发明采用此结构能够使所述CMOS功率放大器中NMOS管产生的寄生电容相互抵消，使得COMS功率放大器的等效电容随输入功率变化减小，从而能够减小CMOS功率放大器非线性的产生，能够减小输出和输入信号之间的相位差的变化。当所述发射机为窄带物联网发射机时，由于窄带物联网发射机是用电源供电，会有较多的低压应用场景，因此要求发射机在低压也要正常工作，为了延长窄带物联网模组电池寿命，要求窄带物联网在低压也要正常工作，通常低于2V。由于在低压情况下，CMOS功率放大器的输入等效电容通常随输入功率变化比在高压情况下更大，因此，本发明的交叉互补差分结构能够使窄带物联网发射机在低压情况下也能够减小非线性的产生，使得窄带物联网发射机能够适应更大的电压范围。另外，由于窄带物联网协议要求23dBm平均功率，对应功率放大器的饱和功率超过28dBm，通过多级放大，窄带物联网协议要求的功率较大，本发明的窄带物联网发射机采用交叉互补差分结构并且连接巴伦输出信号，能够适应窄带物联网的功率要求。[0053] 一些实施例中，所述CMOS功率放大器包括还包括第一电阻和第二电阻，所述第二NMOS管的源极与所述第一电阻一端相连，所述第三NMOS管的源极与所述第二电阻一端相连，所述第一NMOS管的源极、所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端与所述第四NMOS管的源极相连并接地。构成交叉对的第二NMOS管与第三NMOS管分别连接电阻，能够减小电流消耗，而不影响CMOS功率放大器的整体效率。[0054] 图10为一些实施例中高频CMOS功率放大器的电路示意图。参照图10，所述高频CMOS功率放大器311包括第一NMOS管3111、第二NMOS管3112、第三NMOS管3113、第四NMOS管3114、第五NMOS管3115和第六NMOS管3116，所述第一NMOS管3111的栅极与所述第二NMOS管3112的栅极相连通，所述第三NMOS管3113的栅极与所述第四NMOS管3114的栅极相连通，所述第一NMOS管3111的源极、所述第二NMOS管3112的源极、所述第三NMOS管3113的源极与所述第四NMOS管3114的源极相连并接地，所述第一NMOS管3111的漏极和所述第三NMOS管3113的漏极均与所述第五NMOS管3115的源极相连，所述第二NMOS管3112的漏极和所述第四NMOS管3114的漏极均与所述第六NMOS管3116的源极相连通，所述第五NMOS管3115的栅极和所述第六NMOS管3116的栅极相连并连接偏置电压（图中未示出）。所述第一NMOS管3111与第一信号入口31111连接，所述第四NMOS管3114与第二信号入口31141连接，所述第五NMOS管3115与第一信号出口31151连接，所述第六NMOS管3116与第二信号出口31161连接。[0055] 参照图10，所述高频CMOS功率放大器311包括还包括第一电阻3117和第二电阻3118，所述第二NMOS管3112的源极与所述第一电阻3117一端相连，所述第三NMOS管3113的源极与所述第二电阻3118一端相连，所述第一NMOS管3111的源极、所述第一电阻3117的另一端、所述第二电阻3118的另一端与所述第四NMOS管3114的源极相连并接地。[0056] 以下具体说明本发明CMOS功率放大器能够减小非线性产生的原理。现有技术的差分结构中，与第二信号入口相连的NMOS管具有g、s、d端口，每个端口之间会有寄生电容，比如g和s之间寄生电容为Cgs，g和d之间寄生电容为Cgd。同时，这个NMOS有信号增益，记为A(一般是负值)。此时，第二信号入口的等效输入电容Crfin_p可大致为Crfin_p≈Cgs‑A*Cgd。随着输出信号幅度的增大，Cgs、Cgd会变化，增益A也会变化，这就造成PA等效输入电容的变化，另外，AMAM、AMPM和这个等效输入电容强相关，AMAM失真是指输出信号和输入信号幅度上的失真，比如当输入信号摆幅进入阈值电压之下或者饱和电压之上时，输出电压信号就会发生截断或削顶，即为AMAM失真。AMPM失真是指，非线性PA输入信号幅度上的变化，导致了输出和输入信号之间的相位差的变化。这会使得PA的AMAM、AMPM曲线偏离理想PA曲线。为了提高PA线性度，需要让实际的AMAM、AMPM曲线跟理想曲线接近，就需要减小PA等效输入电容随其它因素的变化，比如输入功率，工艺偏差等等。[0057] 参照图10，本发明的CMOS功率放大器中，所述第四NMOS管3114的d端口是负摆幅，第三NMOS管3113的d端口是正摆幅。此时，第二信号入口31141的等效输入电容Crfin_p可大致表示为Crfin_p≈Cgs4‑A4*Cgd4+Cgs3+A3*Cgd3≈2*Cgs，在设计上，尽量让A4*Cgd4和A3*Cgd3抵消。随着输出信号幅度的增大，Cgs、Cgd虽然会变化，但是相较于传统差分结构，输出电容几乎跟增益A和Cgd关系不大。即使A和Cgd会随着输入/输出功率变化，第二信号入口31141和第一信号入口31111的等效输入电容的变化会更小。[0058] 所述CMOS功率放大器产生的AMPM失真随工艺波动小，这是由于在传统结构中，Crfin_p≈Cgs‑A*Cgd，这里面的3个变量Cgs、A、Cgd都会随工艺变化。本发明的CMOS功率放大器中，Crfin_p≈Cgs4‑A4*Cgd4+Cgs3+A3*Cgd3≈2*Cgs，这里面就只有Cgs一个变量会随着工艺变化而变化。因此本发明CMOS功率放大器产生的AMPM失真随工艺波动小。[0059] 本发明还提供一种收发机，包括接收机和所述发射机。[0060] 本发明的收发机集成了CMOS功率放大器，能够提高集成度，减小模组面积，且不需要额外的功率放大器芯片，不需要功率放大器输入匹配，能够减小模组元器件个数，降低成本。[0061] 虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

专利地区：上海

专利申请日期：2022-10-09

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115549703B