[發明專利]功率放大器及控制功率放大器的方法

有效

• 申請號: 200880113793.0
• 申請日: 2008-09-05
• 公開（公告）號: CN101842978A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 丸橋建一;田能村昌宏;島脅秀德
• 申請（專利權）人: 日本電氣株式會社
• 主分類號: H03F3/24
• 分類號: H03F3/24;H01L21/8234;H01L27/088;H03F3/60
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 趙偉

技術領域

本發明涉及用于微波波段和毫米波段的功率放大器。

背景技術

近年來，在越來越廣的應用中已經采用使用寬帶毫米波(30GHz-300GHz)的無線裝置。具體地，期望將使用毫米波的無線技術應用到高清晰度圖像的無線通信以及千兆比特級別的高速無線數據通信。

此外，已經期望毫米波WPAN(無線個人局域網)作為高速無線通信網絡。利用天線的方向性的毫米波WPAN采用涉及相對少的多路(multipath)的視距(LOS)通信和涉及相對多的多路的非視距(NLOS)通信。

IEEE802.15.3c建立了毫米波WPAN的標準，希望將前者的LOS通信應用于超高速下載。在該應用中，例如利用簡單的二位調制(binarymodulation)或者QPSK(四相移鍵控)之類的四位調制(quaternarymodulation)，采用單個載波(單載波調制)來執行傳輸，以限制功耗，并且期望能夠在下載目的地處進行電池驅動的操作。

此外，IEEE802.15.3c希望將后者的NLOS通信應用于未壓縮視頻流等，其中設想即使個人穿過傳輸路徑進入NLOS環境通信也仍然可用。在該應用中，期望通過采用多載波執行傳輸(多載波調制)來實現高的多路抗擾性(multipath?immunity)，例如采用OFDM(正交頻分復用)等作為二次調制。

在這方面，與微米波波段相比，在低頻下使用微波波段的無線LAN(2.4GHz/5GHz波段)預期是具有富多路(rich?multi-paths)的繞射和反射無線電波，使得沒有想到可以按照LOS環境和NLOS環境切換調制方案。然而，在某些情形下，按照傳播環境從BPSK(二相移鍵控)、QPSK、16QAM(正交幅度調制)或64QAM中選擇一個調制方案。

在應用于如上所述的應用中的無線裝置中，在無線裝置內的發射機中配備的功率放大器是關鍵的技術。盡管對于常規的功率放大器已經采用化合物半導體，在適合于批量制造的硅半導體的小型化的發展的幫助下，進一步發展了甚至可以在毫米波波段工作的基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)的功率放大器，這些CMOS可以實現成本降低。

在非專利文件1中，使用130nm技術的CMOS，對于60-GHz波段已經在功率放大器中產生了2dBm的輸出功率。

然而，在主要用于發射機前端的功率放大器中對于提高輸出的挑戰還未解決。

例如，假定在功率放大器中使用在CMOS工藝中形成的n溝道MOS(nMOS)。

在功率放大器中，隨著nMOS持續小型化，與更高頻率的趨勢相關，nMOS的柵氧化物膜必須厚度減小，使得擊穿電壓更低，并且必須向其施加更低的電源電壓。

另一方面，在多級放大器配置的功率放大器中，在放大器最后一級必須采取大電壓幅度或電流幅度，以提高輸出。在功率放大器中即使nMOS的小型化有進展，電流也不會減少多少，但是因為如上所述電源電壓必須減小，因此不能保證足夠的電壓幅度。

在非專利文件2中，使用90nm技術的CMOS，對于60-GHz波段已經在功率放大器中產生了9.3dBm的輸出功率。

然而，在非專利文件2中，電源電壓超過了通常使用的電源電壓(1.0-1.2V)，并且沒有考慮實際應用中要求的可靠性。

主要通過MOS晶體管中的熱載流子的退化，確定功率放大器中出現問題的可靠性。熱載流子退化指的是以下現象：由溝道內的高電場加速的高能載流子被柵氧化物膜俘獲，導致閾值電壓和跨導的改變。熱載流子退化的程度可以通過MOS晶體管的襯底電流(Isub)來監測。

根據專利文件1，MOS晶體管的熱載流子退化的累積年齡(accumulationAge)由下面的等式(1)來表示。在這方面，等式(1)的倒數是MOS晶體管的歸一化壽命。此外，等式(2)-(4)是計算等式(1)時使用的等式。

[等式1]