CN101888214A - 效率和线性度提高的Cascode功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器，包括由共射晶体管和共基晶体管构成的Cascode结构、从功率放大器的信号输入端口到共射晶体管的基极之间连接的输入匹配网络、以及从共基晶体管的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络，从共射极晶体管的集电极到地之间连接有第一串并联谐振网络；从共基晶体管的基极到地之间连接有第二串并联谐振网络；从共基晶体管的集电极与地之间连接有二次谐波串联谐振网络，共基晶体管的集电极与输出端口之间连接有三次谐波并联谐振网络。本发明能有效抑制功率放大器输出中的偶次谐波，改善功放线性度，利用高阶奇次谐波，提高功放输出功率和功率附加效率。

Description

效率和线性度提高的Cascode功率放大器

技术领域

本发明涉及一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器。

背景技术

功率放大器是无线通信系统中关键模块之一，用于放大射频信号并达到一定的输出功率，然后送给天线发射，其线效率和线性度一直是被关注和研究的焦点。

功率放大器是无线通信发射系统中耗能最大的模块，因此效率是功率放大器设计时首先要考虑的重要指标，对于基站、雷达之类大功率无线通信发射系统来讲，提高效率可以减小耗电量，降低运营成本，节能减排，符合当今全球低碳经济的潮流，对于手机等手持终端设备来讲，提高效率则意味着更长的通话时间和待机时间，或者更小的电池体积。同时，功率放大器又是通信系统中非线性最强的器件之一，其非线性失真将导致无线通信系统频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率，降低系统的数据率而使系统的容量减小，增大系统信道频率间距而使系统的频谱利用率下降。随着第三代无线通信市场(如TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000)的迅猛发展，新的调制技术对功率放大器的线性度提出了更高的要求，所以在提高功率放大器效率的同时提高其线性度对于提升整个发射系统的性能意义深远。

目前，大多数移动设备的线性功率放大器为了实现更高的效率，常用非线性功率放大器并结合线性化技术比如前馈、反馈、非线性元件的线性放大、包络消除与恢复、预失真等来实现。但是，前馈技术线性化的性能依赖于信号幅度和相位的精确匹配，需要用延迟线来达到相位的匹配，因此会引入损耗且不易集成；反馈技术由于高频时的环路增益不易提高，同时存在严重的稳定性问题，因此多在低频工作，环路中包含了变频网络，其高频通路引入了可观的相移，因此该技术需要在解调时进行补偿，相移的控制是一个难点，设计会受到很大限制；包络消除与恢复的技术难点在于低频和高频信号的延时必须保持一致；功率放大器存在的记忆效应又会使预失真算法的实现变得困难。

发明内容

本发明目的是：提供一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器，通过合理设计串并联谐振网络，在不增加功率放大电路直流功耗和电路设计复杂度的情况下，有效抑制功率放大器输出中的偶次谐波(其中二次谐波为主要谐波分量)，改善功放线性度，利用高阶奇次谐波，提高功放输出功率和功率附加效率。

本发明的技术方案是：一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器，包括由共射晶体管和共基晶体管构成的Cascode结构、从功率放大器的信号输入端口到所述共射晶体管的基极之间连接的输入匹配网络、以及从所述共基晶体管的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络，从所述共射极晶体管的集电极到地之间连接有抑制二次谐波信号的第一串并联谐振网络；从所述共基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增益的第二串并联谐振网络；从所述共基晶体管的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络，所述共基晶体管的集电极与输出端口之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络。

进一步的，在上述功率放大器中，所述第一串并联谐振网络包括第二电感、第六电容以及从共射晶体管的集电极到地之间串联的第一LC串联谐振网络，所述第二电感与第六电容串联后与所述第一LC串联谐振网络并联，所述第一LC串联谐振网络包括串联连接的第一电感和第一电容。第一电感和第一电容串联谐振于二次谐波，故通过共射晶体管放大过程中产生的二次谐波被短路到地。第一串并联谐振网络中的第二电感和第六电容C6，使第一串并联谐振网络并联谐振于基波，从而使第一串并联谐振网络在基波频点对地开路。

进一步的，在上述功率放大器中，所述第二串并联谐振网络包括从共基晶体管的基极到地之间并联的第二电容和第二LC串联谐振网络；所述第二LC串联谐振网络包括串联连接的第三电感和第三电容。第三电感和第三电容串联谐振于基波，使得对基频共基晶体管基极短接到地，从而获得最大的基波增益。第二串并联谐振网络中并联的第二电容，使第二串并联谐振网络并联谐振于二次谐波，使共基晶体管对二次谐波的放大被抑制。

进一步的，在上述功率放大器中，所述二次谐波串联谐振网络包括从共基晶体管的集电极到地之间串联连接的第四电容和第四电感。所述二次谐波串联谐振网络串联谐振于二次谐波，使共基晶体管集电极的二次谐波通过所述二次谐波串联谐振网络短路到地。

进一步的，在上述功率放大器中，所述三次谐波并联谐振网络包括从共基晶体管的集电极到输出匹配网络的输入端之间并联连接的第五电感和第五电容。所述三次谐波并联谐振网络并联谐振于三次谐波，三次谐波在此开路，使得三次谐波被反射回共基晶体管的集电极。

在上述说明书中，已参考具体实施例描述了本发明。但是，所属领域的技术人员应该明白，在不脱离如下权利要求所阐述的本发明范围的条件下，可以进行各项修改和改变。由此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，所以的这种修改确定为包括在本发明的范围类。(例如附图所示两个晶体管均可部分或全部由HBT、CMOS、LDMOS等已知及未来可能出现的新型器件所替代。)

本发明的优点是：

1.本发明在Cascode电路的共射晶体管集电极连接第一串并联谐振网络，其能使共射极晶体管放大产生的二次谐波短路到地，提高了线性度。

2.本发明在Cascode电路的共基晶体管的基极连接第二串并联谐振网络，其能使通过共基极放大的信号中基波增益最大的同时二次谐波增益最小，抑制了二次谐波，提高了线性度。

3.本发明在Cascode电路的共基晶体管的集电极连接二次谐波串联谐振网络，其能使共基极晶体管放大产生的二次谐波短路到地，抑制了二次谐波，提高了线性度。

4.本发明在Cascode电路的共基晶体管的集电极连接三次谐波并联谐振网络，其能使三次谐波信号反射回共基极晶体管的集电极，使反射回来的三次谐波信号与基波信号叠加，形成近似方波的波形，增大了导通角，以此提高功放的功率附加效率。

本发明利用电容电感设计谐振选频网络，在不增加功率放大电路直流功耗和电路设计复杂度的情况下，抑制了谐波分量，提高了线性度，同时电路的功率附加效率也得到很大的提高。

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为现有技术Cascode结构功率放大电路的电路结构示意图；

图2为本发明具体实施例的电路结构示意图。

其中：1输入匹配网络；2输出匹配网络；3第一串并联谐振网络；31第一LC串联谐振网络；4第二串并联谐振网络；41第二LC串联谐振网络；5二次谐波串联谐振网络；6三次谐波并联谐振网络；L1第一电感；L2第二电感；L3第三电感；L4第四电感；L5第五电感；C1第一电容；C2第二电容；C3第三电容；C4第四电容；C5第五电容；C6第六电容；Q1共射晶体管；Q2共基晶体管。

具体实施方式

实施例：如图2所示，一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器，包括由共射晶体管Q1和共基晶体管Q2构成的Cascode结构、从功率放大器的信号输入端口到所述共射晶体管Q1的基极之间连接的输入匹配网络1、以及从所述共基晶体管Q2的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络2，从所述共射极晶体管Q1的集电极到地之间连接有抑制二次谐波信号的第一串并联谐振网络3；从所述共基晶体管Q2的基极到地之间连接有提高基频信号增益并降低二次谐波信号增益的第二串并联谐振网络4；从所述共基晶体管Q2的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络5，所述共基晶体管Q2的集电极与输出端口之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络6。

所述第一串并联谐振网络3包括第二电感L2、第六电容C6以及从共射晶体管Q1的集电极到地之间串联的第一LC串联谐振网络31，所述第二电感L2与第六电容C6串联连接后与所述第一LC串联谐振网络31并联，所述第一LC串联谐振网络31包括串联连接的第一电感L1和第一电容C1。

所述第二串并联谐振网络4包括从共基晶体管Q2的基极到地之间并联的第二电容C2和第二LC串联谐振网络41；所述第二LC串联谐振网络41包括串联连接的第三电感L3和第三电容C3。

所述二次谐波串联谐振网络5包括从共基晶体管Q2的集电极到地之间串联连接的第四电容C4和第四电感L4。

所述三次谐波并联谐振网络6包括从共基晶体管Q2的集电极到输出匹配网络2的输入端之间并联连接的第五电感L5和第五电容C5。

工作时，输入信号由输入端INPUT进入电路，通过输入匹配网络1进入共射晶体管Q1放大。由于晶体管的非线性特征，单一频率的正弦波信号输入，产生的输出信号除了含有原频率的基波信号分量外，还包含有许多谐波分量，会引起谐波失真。故共射晶体管Q1集电极的输出信号除了有基波信号，还含有丰富的谐波分量。晶体管产生的谐波分量中，以二次谐波的幅度最大。故为了改善晶体管的谐波失真，提高线性度，首先要考虑对二次谐波分量的抑制。出于以上考虑，第一串并联谐振网络3中的第一电感L1与第一电容C1串联谐振于二次谐波，对二次谐波而言，第一串并联谐振网络3短路到地，从而使二次谐波得到抑制，谐波失真得到改善。第一串并联谐振网络3整体并联谐振于基率，故第一串并联谐振网络3对基波而言的阻抗值接近无穷大。故基波信号绝少消耗在第一串并联谐振网络3中，绝大部分基波信号进入共基晶体管Q2被放大。

进入共基晶体管Q2的信号经共基极放大电路放大时，为了提高基波信号增益，降低二次谐波增益，在共基晶体管Q2的基极连接了第二串并联谐振网络4。第二串并联谐振网络4中的第三电感L3和第三电容C3串联谐振于基频，第二串并联谐振网络4整体则并联谐振于二次谐波。第三电感L3和第三电容C3串联谐振于基频，对基波信号而言网络短路到地，阻抗为零，可实现基波信号的最大增益。第二串并联谐振网络4整体则并联谐振于二次谐波，对二次谐波信号而言，阻抗无穷大，可实现二次谐波信号的最小增益。

信号在经过共基极放大电路放大后，同理会在其集电极输出信号中产生了丰富的谐波分量。为了抑制谐波失真，将二次谐波串联谐振网络5串联在共基晶体管Q2的集电极与地之间。二次谐波串联谐振网络5中的第四电感L4和第四电容C4串联谐振于二次谐波频率，对二次谐波信号而言，阻抗为零，共基晶体管Q2集电极二次谐波被短路到地，抑制了二次谐波引起的谐波失真，大大提高了线性度。

本发明所涉及电路在共基晶体管Q2集电极与输出匹配网络2之间串联三次谐波并联谐振网络6。三次谐波并联谐振网络6中的第五电感L5和第五电容C5并联谐振于三次谐波频率。由于三次谐波并联谐振网络6对于三次谐波的阻抗值接近无穷大，其等效电路相当于开路，绝大部分的三次谐波信号无法通过三次谐波并联谐振网络6到达输出端，三次谐波会被反射回共基晶体管Q2的集电极。三次谐波并联谐振网络6并联谐振于三次谐波，对基波信号而言，阻抗有限，故基波信号能顺利通过三次谐波并联谐振网络6，之后信号通过输出匹配网络2从输出端OUTPUT输出。二次谐波串联谐振网络5串联谐振于二次谐波，对基波和三次谐波而言，二次谐波串联谐振网络5的阻抗较大，基波信号和三次谐波信号无法通过二次谐波串联谐振网络5到地。被三次谐波并联谐振网络6反射回共基晶体管Q2的集电极的三次谐波信号和前向的基波信号叠加在一起，合成类似矩形波的波形，能增加本发明所涉功率放大电路的导通角，从而提高了其功率附加效率。

综上所述，图2所示的本发明实施例与图1所示的未采用本发明技术方案的Cascode功率放大器相比，提高了线性度，同时电路的功率附加效率也得到很大的提高。

Claims (5)

1.一种效率和线性度提高的Cascode功率放大器，包括由共射晶体管(Q1)和共基晶体管(Q2)构成的Cascode结构、从功率放大器的信号输入端口到所述共射晶体管(Q1)的基极之间连接的输入匹配网络(1)、以及从所述共基晶体管(Q2)的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络(2)，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二次谐波信号的第一串并联谐振网络(3)；从所述共基晶体管(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增益的第二串并联谐振网络(4)；从所述共基晶体管(Q2)的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络(5)，所述共基晶体管(Q2)的集电极与输出端口之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络(6)。

2.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的Cascode功率放大器，其特征在于：所述第一串并联谐振网络(3)包括第二电感(L2)、第六电容(C6)以及从共射晶体管(Q1)的集电极到地之间串联的第一LC串联谐振网络(31)，所述第二电感(L2)与第六电容(C6)串联连接后与所述第一LC串联谐振网络(31)并联，所述第一LC串联谐振网络(31)包括串联连接的第一电感(L1)和第一电容(C1)。

3.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的Cascode功率放大器，其特征在于：所述第二串并联谐振网络(4)包括从共基晶体管(Q2)的基极到地之间并联的第二电容(C2)和第二LC串联谐振网络(41)；所述第二LC串联谐振网络(41)包括串联连接的第三电感(L3)和第三电容(C3)。

4.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的Cascode功率放大器，其特征在于：所述二次谐波串联谐振网络(5)包括从共基晶体管(Q2)的集电极到地之间串联连接的第四电容(C4)和第四电感(L4)。

5.根据权利要求1所述的效率和线性度提高的Cascode功率放大器，其特征在于：所述三次谐波并联谐振网络(6)包括从共基晶体管(Q2)的集电极到输出匹配网络(2)的输入端之间并联连接的第五电感(L5)和第五电容(C5)。

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