CN101882914A - 效率和线性度提高的功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种效率和线性度提高的功率放大器，所述功率放大器为由共射极晶体管与共基极晶体管串叠构成的Cascode结构，从所述共射极晶体管的集电极到地之间连接有抑制谐波信号的谐波滤除网络，通过改变该谐波滤除网络的LC串联谐振频率，可以达到滤除N(N＞1)次谐波信号的目的；同时，从所述共基极晶体管的基极到地之间连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输出的LC串并联谐振网络，通过所述LC串并联谐振网络，可以在滤除二次谐波信号的同时，又不影响基波信号的传输特性。本发明在不增加功率放大器静态功耗的情况下，滤除了功率放大器中的N(N＞1)次谐波，显著提高了功率放大器的效率和线性度。
Description
技术领域
本发明涉及一种效率和线性度提高的功率放大器。
背景技术
对于无线通信装置，如由电池提供能量的蜂窝移动电话和寻呼机等便携式手持小型设备，电池的供电时间短已成为影响该类通信装置使用的重要因素。电池供电时间短主要是因为该类无线通信装置中功率放大器的工作效率低，其在放大信号时消耗掉电源提供的大量功率。另外，在使用通信设备接收信息时，若设备中的功率放大器线性度较差，则会使所接收到的信号波形发生幅度与相位上的失真，影响信息的准确传输。
现有的提高射频功率放大器效率的方法主要有LINC、EE&R、Doherty等。LINC技术是把一个调幅调相信号分解成两个恒包络的调相信号，然后使其分别通过两个特性相同的功放，最后将两路信号合成初始变包络信号输出。EE&R技术的基本原理是，中频输入信号通过包络检测器和限幅器，得到幅度和相位形式的输入信号。恒包络的输入信号经混频器变频后成为射频信号，送入非线性射频功放输出。分离后得到的中频包络信号对供给的电压信号进行调制，然后用所得的调制信号来控制功率放大器。Doherty结构由主功放和辅助功放2个功放组成，主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作。Doherty功放虽然具有很高的效率，但其线性度较差。
现有的改善射频功率放大器线性度的技术主要有功率回退、负反馈、前馈等。功率回退法虽然实现简单，但其是牺牲了效率来换取线性度，因而不适合用于输出功率以及效率要求较高的功放系统中。负反馈技术是通过牺牲功放增益来达到抑制信号失真的目的，因此功率放大器必须提供足够高的增益才能得到较好的功率增益和线性度。前馈技术要求两通路中信号的幅度和相位特性完全匹配，因此最简单的前馈系统也远比负反馈系统复杂，因而不常被使用。
发明内容
本发明目的是：提供一种效率和线性度均提高的功率放大器，其在不增加功率放大器静态功耗的情况下，滤除了功率放大器中的N(N＞1)次谐波，显著提高了功率放大器的效率和线性度。
本发明的技术方案是：一种效率和线性度提高的功率放大器，所述功率放大器为由共射极晶体管与共基极晶体管串叠构成的Cascode结构，从所述共射极晶体管的集电极到地之间连接有抑制谐波信号的谐波滤除网络，通过改变该谐波滤除网络的LC串联谐振频率，可以达到滤除N(N＞1)次谐波信号的目的；同时，从所述共基极晶体管的基极到地之间连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输出的LC串并联谐振网络，通过所述LC串并联谐振网络，可以在滤除二次谐波信号的同时，又不影响基波信号的传输特性。
进一步的，在上述功率放大器中，所述谐波滤除网络包括从共射极晶体管的集电极到地之间并联的LC串联谐振网络和第三电感。
进一步的，在上述功率放大器中，所述LC串联谐振网络包括从共射极晶体管的集电极到地之间串联的第一电感和第一电容。
进一步的，在上述功率放大器中，所述串并联谐振网络包括从所述共基极晶体管的基极到地之间并联的第三电容和基频串联谐振网络。
进一步的，在上述功率放大器中，所述基频串联谐振网络包括从所述共基极晶体管的基极到地之间串联的第二电容和第二电感。
本发明的优点是：
1.本发明通过在Cascode结构功率放大器中共射极晶体管的集电极，以及共基极晶体管的基极加入谐波滤除网络，在不增加功率放大器静态功耗的情况下，有效滤除功率放大器中的N(N＞1)次谐波，显著地提高功率放大器的效率和线性度。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明具体实施例的电路结构示意图；
图2为本发明具体实施例的共基极晶体管基极所接LC串并联谐振网络的作用示意图。
其中：1谐波滤除网络；11LC串联谐振网络；2LC串并联谐振网络；21基频串联谐振网络；L1第一电感；L2第二电感；L3第三电感；C1第一电容；C2第二电容；C3第三电容；Q1共射极晶体管；Q2共基极晶体管。
具体实施方式
实施例：如图1和图2所示，一种效率和线性度提高的功率放大器，所述功率放大器为由共射极晶体管Q1与共基极晶体管Q2串叠构成的Cascode结构，即放大器的信号输入端接输入匹配网络后接所述共射极晶体管Q1的基极，集电极与共基极晶体管Q2的发射极连接，所述共基极晶体管Q2的集电极接输出匹配网络后输出。从所述共射极晶体管Q1的集电极到地之间连接有抑制谐波信号的谐波滤除网络1，从所述共基极晶体管Q2的基极到地之间连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输出的LC串并联谐振网络2。
所述谐波滤除网络1包括从共射极晶体管Q1的集电极到地之间并联的LC串联谐振网络11以及第三电感L3；所述LC串联谐振网络11包括从共射极晶体管Q1的集电极到地之间串联的第一电感L1和第一电容C1。
所述LC串并联谐振网络2包括从所述共基极晶体管Q2的基极到地之间并联的第三电容C3和基频串联谐振网络21；所述基频串联谐振网络21包括从所述共基极晶体管Q2到地之间串联的第二电容C2和第二电感L2。
如图1所示，谐波滤除网络1中，第一电感L1和第一电容C1组成的LC串联谐振网络11谐振在二次谐波频率，对于二次谐波其相当于一根导线短路到地，当输入信号由Cascode结构的共射极晶体管Q1的基极输入时，信号通过共射极晶体管Q1放大，由共射极晶体管Q1的集电极输出，在节点a处二次谐波信号通过由第一电感L1和第一电容C1组成的LC串联谐振网络短路到地，抑制了二次谐波信号引起的非线性，从而提高了功率放大器的效率和线性度；第一电感L1、第一电容C1和第三电感L3组成的谐波滤除网络1谐振在基波频率，对于基波信号，谐波滤除网络1近似于开路，基波信号由共射极晶体管Q1放大后，在节点a处不受谐波滤除网络1的影响，从而使得该网络可以在滤除二次谐波信号的同时又不影响基波信号的传输。
如图2所示，功率放大器由共射极晶体管Q1和共基极晶体管Q2的高频小信号等效模型组成，其中Z为LC串并联谐振网络2的等效阻抗，Vbe为Rπ上所分得的电压。LC串并联谐振网络2中，第二电感L2和第二电容C2组成的基频串联谐振网络21谐振在基波频率，对于基波信号，LC串并联谐振网络2近似于短路，即等效阻抗Z等于零，第二电感L2、第二电容C2和第三电容C3组成的LC串并联谐振网络2谐振在二次谐波频率，对于二次谐波信号，LC串并联谐振网络2近似于开路，即Z的阻抗值较大。LC串并联谐振网络2与共基极晶体管Q2组成的电路高频小信号等效模型如图2所示，晶体管集电极的输出电流由跨导gm和电压Vbe决定，在gm保持不变的情况下，Vbe的大小决定了压控电流源产生的电流大小。对于二次谐波信号，LC串并联谐振网络2的等效阻抗Z的阻抗值较大，此时经共射极晶体管Q1放大的交流信号在Rπ上所分得的电压较小，即Vbe较小，从而使得gmVbe即压控电流较小，二次谐波信号所产生的增益较低，达到了抑制二次谐波的目的；对于基波信号，LC串并联谐振网络2的等效阻抗Z等于零，此时在Rπ上所得到的分压较大，即Vbe较大，从而使得gmVbe即压控电流较大，提高了功率放大器的增益。LC串并联谐振网络2达到了在抑制二次谐波信号的同时又提高功率放大器增益的目的。
通过谐波滤除网络1和LC串并联谐振网络2的共同作用，抑制了二次谐波信号，使其输出功率降低，并且基波信号在不受影响的情况下得到放大，从而提高了功率放大器的效率和线性度。另外，在保持谐波滤除网络1并联谐振在基频的情况下，调整第一电感L1和第一电容C1的串联谐振网络，使其谐振在三次谐波频率或者更高次谐波频率，此时谐波滤除网络1可以滤除掉三次谐波信号或者更高次谐波信号。而谐波滤除网络1和LC串并联谐振网络2的共同作用可以达到同时滤除二次谐波信号和N(N＞2)次谐波信号的目的，从而更好的提高功率放大器的效率和线性度。
综上所述，本发明通过在Cascode结构功率放大器的共射极晶体管的集电极，以及共基极晶体管的基极加入由电感和电容组成的串并联谐振网络，在不增加功率放大器静态功耗的情况下，有效地滤除了功率放大器中的N(N＞1)次谐波信号，显著地提高了功率放大器的效率和线性度。
Claims (5)
1.一种效率和线性度提高的功率放大器，所述功率放大器为由共射极晶体管(Q1)与共基极晶体管(Q2)串叠构成的Cascode结构，其特征在于：从所述共射极晶体管(Q1)的集电极到地之间连接有抑制谐波信号的谐波滤除网络(1)，从所述共基极晶体管(Q2)的基极到地之间连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输出的LC串并联谐振网络(2)。
2.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的功率放大器，其特征在于：所述谐波滤除网络(1)包括从共射极晶体管(Q1)的集电极到地之间并联的LC串联谐振网络(11)以及第三电感(L3)。
3.根据权利要求2所述的效率和线性度提高的功率放大器，其特征在于：所述LC串联谐振网络(11)包括从共射极晶体管(Q1)的集电极到地之间串联的第一电感(L1)和第一电容(C1)。
4.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的功率放大器，其特征在于：所述LC串并联谐振网络(2)包括从所述共基极晶体管(Q2)的基极到地之间并联的第三电容(C3)和基频串联谐振网络(21)。
5.根据权利要求4所述的效率和线性度提高的功率放大器，其特征在于：所述基频串联谐振网络(21)包括从所述共基极晶体管(Q2)的基极到地之间串联的第二电容(C2)和第二电感(L2)。
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