CN104917466B - 一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器，将脉冲调制电路复用为功率放大电路的一部分，以解决传统脉冲调制电路器中使用单个晶体管作为控制管引起的大压降，从而导致输出功率和效率的降低。包括具有中心抽头的电感LD、驱动级放大电路、输出级放大电路以及分别为输出级放大电路及驱动级放大电路提供直流偏置的偏置电路1与偏置电路2，射频差分输入信号连接驱动级放大电路的同相输入端和反相输入端，驱动级放大电路输出端将放大后的射频信号通过电容耦合到输出级放大电路的输入端，最终输出级放大电路输出同相和反相两路差分信号。

Description

一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器

技术领域

本发明涉及雷达系统中的脉冲功率放大器，尤其是一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器。

背景技术

目前，雷达系统已广泛应用在国防和民用产品中，对人们日常生活产生深远的影响。脉冲功率放大器(Pulsed Power Amplifier,PPA)是雷达系统的关键模块，决定了整个系统的性能。脉冲功率放大器是指在控制信号的作用下输出间断射频信号的功率放大器。随着雷达系统的性能越来越好，体积越来越小的发展趋势，小面积、低损耗、高性能的脉冲功率放大器芯片成为近些年的研究热点。

脉冲功率放大器电路中，脉冲调制器电路的输入脉冲信号包含高电平(有效电平)和低电平(无效电平)，当脉冲信号为高电平时，脉冲功率放大器处于发射状态；当脉冲信号为低电平时，脉冲功率放大器处于接收状态。将功率放大器的简化成一个场效应管，脉冲调制器的实现方式包括栅极调制和漏极调制两种。

如图1所示，传统的漏极调制脉冲功率放大器一般包括脉冲调制器电路和功率放大器电路两个相对独立的模块。脉冲调制电路由单晶体管实现，脉冲信号控制晶体管的导通与关断，从而控制功率放大器的工作状态。功率放大器电路一般采用E类功率放大器结构。漏极调制脉冲功率放大器的优点在于：1)实现信号发射与信号接收的隔离，在等待接收信号时不受发射信号的干扰；2)在接收状态下保证功率放大器电路不消耗功率。但这种传统的脉冲调制电路主要存在的问题有：

第一是由于晶体管Mctrl导通电阻的存在，脉冲功率放大器存在额外的压降和损耗。如图1所示，电路的结点电压V_DD1的电压幅度较电源电压V_DD下降很多，特别是电源注入电流I_D较大时。而电压V_DD1会直接影响输出功率的大小。

第二是功率放大器电路存在直流偏置电路。传统的脉冲功率放大器一般都忽视对偏置电路的控制，存在额外的损耗。

第三是为了得到高的输出效率，功率放大器一般采用E类功率放大器结构。单级的E类功放可能存在输出功率不够，寄生参数对功率放大器设计影响较大。

第四是在E类功率放大器电路中漏极需要用到高频扼流圈。高频扼流圈一般采用片外电感实现，这就会带来芯片引脚增多，应用成本上升等问题

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的脉冲功率放大器之不足，提出一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器电路。能够在不存在额外压降和损耗的前提下实现脉冲信号控制功率放大器输出，具有较高的输出功率和功率附加效率。

为实现本发明的目的，采用的技术方案如下：一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器，包括脉冲调制电路和功率放大电路两个电路模块，脉冲信号控制脉冲调制电路中晶体管的导通与关断，从而控制功率放大电路的工作状态，其特征在于：将脉冲调制电路复用为功率放大电路的一部分，以解决传统脉冲调制电路器中使用单个晶体管作为控制管引起的大压降，从而导致输出功率和效率的降低；包括具有中心抽头的电感LD、驱动级放大电路、输出级放大电路以及分别为输出级放大电路及驱动级放大电路提供直流偏置的偏置电路1与偏置电路2，射频差分输入信号连接驱动级放大电路的同相输入端和反相输入端，驱动级放大电路输出端将放大后的射频信号通过电容耦合到输出级放大电路的输入端，最终输出级放大电路输出同相和反相两路差分信号，其中：

偏置电路1包括NMOS管M1、M2、M3和M4，电阻R2、R3、R7和R8；NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M3的源极连接，NMOS管M3作为偏置电路1的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M3的漏极连接电阻R3的一端和电阻R8的一端，电阻R3的另一端连接电感LD的一端，电感LD抽头连接电源VDD；同样地，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M4的源极连接，NMOS管M4亦作为偏置电路1的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M4的漏极连接电阻R2的一端和电阻R7的一端,电阻R2的另一端与电阻R3的另一端连接；

偏置电路2包括NMOS管M5、M6、M7和M8，电阻R1、R4、R5和R6；NMOS管M6的源级接地，NMOS管M6的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M8的源极连接，NMOS管M8作为偏置电路2的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M8的漏极连接电阻R1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端连接偏置电路1中电阻R2和R3的另一端；同样地，NMOS管M5的源极接地，NMOS管M5的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M7的源极连接，NMOS管M7亦作为偏置电路2的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M7的漏极连接电阻R4的一端和电阻R6的一端,电阻R4的另一端连接电阻R1的另一端；

驱动级放大电路包括NMOS管M9、M10、M11和M12，电容C1、C2、C3和C4；NMOS管M9的源级接地，NMOS管M9的栅极连接电容C2的一端和偏置电路2中电阻R6的另一端，电容C2的另一端作为差分信号的同相端连接射频同相差分输入信号IN_R，NMOS管M9的漏极与NMOS管M11的源极连接在一起构成共源共栅结构，NMOS管M11作为驱动级放大电路的控制管，其栅极接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M11的漏极连接电容C4的一端和偏置电路2中电阻R4的另一端，电容C4的另一端连接偏置电路1中电阻R8的另一端；同样地，NMOS管M10的源级接地，NMOS管M10的栅极连接电容C1的一端和偏置电路2中电阻R5的另一端，电容C1的另一端作为差分信号的反相端连接射频反相差分输入信号IN_L，NMOS管M10的漏极与NMOS管M12的源极连接在一起构成共源共栅结构，NMOS管M12亦作为驱动级放大电路的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M12的漏极连接电容C3的一端和连接电感LD的另一端，电感LD抽头连接电源VDD，电容C3的另一端连接偏置电路1中电阻R7的另一端，NMOS管M9和M11与NMOS管M10和M12构成差分结构；

输出级放大电路包括NMOS管M13、M14、M15和M16，电容C5、C6、C7、C8、C9和C10，电感L1、L2，高频扼流圈LRFC1和LRFC2；NMOS管M13的源级接地，NMOS管M13的栅极连接驱动级放大电路中电容C4与偏置电路1中电阻R8的连接端，NMOS管M13的漏极连接电容C6与C8的连接端和NMOS管M15的源级，NMOS管M13与M15构成共源共栅结构，NMOS管M15作为输出级放大电路的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M15的漏极连接电感L1的一端、高频扼流圈LRFC1的一端以及电容C8的另一端，电容C6的另一端接地，高频扼流圈LRFC1的另一端连接电源VDD，电感L1的另一端通过电容C10输出射频同相差分信号OUTR；同样地，NMOS管M14的源级接地，NMOS管M14的栅极连接驱动级放大电路中电容C3与偏置电路1中电阻R7的连接端，NMOS管M14的漏极连接电容C5与C7的连接端和NMOS管M16的源级，NMOS管M14与M16构成共源共栅结构，NMOS管M16亦作为输出级放大电路的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M16的漏极电感L2的一端、高频扼流圈LRFC2的一端以及电容C7的另一端，电容C5的另一端接地，高频扼流圈LRFC2的另一端连接电源VDD，电感L2的另一端通过电容C9输出射频反相差分信号OUTL；NMOS管M13和M15与NMOS管M14和M16构成差分结构，输出级放大电路的同相输入端是NMOS管M13的栅极，反相输入端是NMOS管M14的栅极。

为避免由于采用片外电感带来的芯片引脚增多，上述电路中的高频扼流圈LRFC1和LRFC2采用片上键合线实现。

本发明的优点及显著效果：

(1)本发明采用了MOS管复用的技术，将驱动级放大电路和输出级放大电路的共源共栅结构的共栅管复用为脉冲功率放大电路的控制管，有效解决了传统脉冲功率放大器电路中使用单个晶体管作为控制管引起的大压降从而导致输出功率和效率降低的问题。本发明充分利用共栅管作为控制管而不需要额外增加管子，没有产生额外的压降和损耗。对于偏置电路1和偏置电路2来说，在MOS二极管和电阻分压的结构上增加了一只控制管。通过这样的设计，使脉冲控制信号为低电平时，同时关断偏置电路1、偏置电路2、驱动级放大电路、输出级放大电路，大大降低了脉冲功率放大器的功率损耗。

(2)脉冲功率放大器的驱动级电路和输出级电路均采用共源共栅结构，隔离度好，并利用共栅管作为脉冲信号控制管，节省晶体管的数量且不产生额外的压降，有效解决传统脉冲功率放大器电路中由于存在单独的脉冲调制器带来的功率损耗和额外压降的问题。

(3)设计了一种脉冲控制方案。从完整的脉冲功率放大器电路中可以看出，脉冲信号对驱动级电路、输出级电路和偏置电路进行同步控制。当脉冲信号为低电平时，同时关断驱动级电路、输出级电路及偏置电路，降低功耗，解决传统电路单元中偏置电路功率损耗的问题。

(4)高频扼流圈LRFC1和LRFC2采用键合线实现，以获得高Q值和良好的高频性能。为了得到高的输出效率，功率放大器一般采用E类功率放大器结构。在E类功率放大器电路中漏极需要用到高频扼流圈，传统设计中高频扼流圈一般采用片外电感实现。在本发明中，高频扼流圈采用片上键合线实现，避免了由于采用片外电感带来的芯片引脚增多，应用成本上升等问题。

附图说明

图1是传统漏极调制方式的脉冲功率放大器框图；

图2是本发明脉冲功率放大器的框图；

图3是本发明脉冲功率放大器的原理图。

具体实施方式

参看图2，本发明设有偏置电路1、偏置电路2、驱动级放大电路和输出级放大电路。射频同相差分输入信号INR与反相输入信号INL分别接在驱动级放大电路的同相输入端和反相输入端。驱动级放大电路的输出端接在输出级放大器电路的输入端，输出级放大器电路的输出端输出经过两级放大后的差分射频输出信号为OUTR和OUTL。偏置电路1接在输出级放大器电路上为其提供静态直流偏置，偏置电路2接在驱动级放大器电路上为其提供静态直流偏置。脉冲控制信号V_CTRL通过脉冲调制器同时加在偏置电路1、偏置电路2、驱动级放大电路和输出级放大电路上实现对脉冲功率放大电路工作状态的控制。

参看图3，偏置电路1和偏置电路2均由NMOS二极管和电阻组成。偏置电路1的NMOS管M1，M2的栅极漏极分别接在一起构成MOS二极管，分别通过串联控制管M3与M4和电阻R3与R2实现分压。直流偏置电压分别通过电阻R8与R7加在输出级放大器电路的共源共栅结构共源管M13与M14的栅极，为共源管提供直流偏置。偏置电路2的NMOS管M5与M6栅极漏极分别接在一起构成MOS二极管，分别通过串联控制管M7与M8和电阻R4与R1实现分压。直流偏置电压通过电阻R6与R5分别加在驱动级放大器电路的共源共栅结构共源管M9与M10的栅极，为共源管提供直流偏置。驱动级放大电路由NMOS管和电容、电感组成。采用共源共栅结构，提高了隔离度和耐压能力。差分射频输入信号分别加在驱动级放大电路单元的同相输入端和反相输入端。驱动级放大电流是一种非线性放大器。它的负载由电感LD以及共源共栅结构共栅管M11与M12漏极处的等效电容构成，二者谐振在工作频率上。因此该驱动级放大电路的交流负载很大，从而驱动级放大器电路能够将较小的输入射频信号放大到幅度比较高的交流信号。共源共栅结构的共栅管M11与M12的栅极接控制信号，作为驱动级放大电路的控制管，实现对驱动级放大电路的控制。输出信号经过电容C4与C3滤去直流后送入输出级放大电路的输入端。输出级放大器电路由NMOS管、电容、电感组成，采用共源共栅结构。共源共栅结构的共栅管M15与M16的栅极接控制信号，作为输出级放大电路的控制管，实现对输出级放大电路的控制。输出级放大电路工作在E类工作状态，具有高的输出功率和功率附加效率。经过驱动级放大器电路放大的差分射频信号加在输出级放大器电路的输入端。输出级放大器的输出端输出同相和反相两路差分信号。整个输出级放大电路采用电容分压方式将漏极电压均衡的分配到共源管M13与M14和共栅管M15与M16，从而最大程度的降低了晶体管被击穿的风险。

如图2，图3所示，本发明脉冲功率放大器设计的脉冲调制器复用为功率放大器的一部分。与传统电路相比，本设计的创新点之一在于将脉冲调制器的控制管复用到功率放大器电路中，有效解决了传统脉冲功率放大器电路中使用单个晶体管作为控制管引起的大压降从而导致输出功率和效率降低的问题。在本设计中充分利用共源共栅结构的共栅管作为控制管而不需要额外增加管子，没有产生额外的压降和损耗。对于偏置电路1和偏置电路2来说，在MOS二极管和电阻分压的结构上增加了一只控制管。通过这样的设计，使脉冲控制信号为低电平时，同时关断偏置电路1、偏置电路2、驱动级放大电路、输出级放大电路，大大降低了脉冲功率放大器的功率损耗。

本发明在满足输出功率和功率附加效率的要求下，具有受寄生参数影响小，节约晶体管等优点。脉冲控制信号同时加在偏置电路1，偏置电路2，驱动级放大电路和输出级放大电路的控制管上实现对脉冲功率放大器的工作状态控制。驱动级放大电路和输出级放大电路均采用共源共栅结构来增加隔离度，同时均采用差分结构来有效减小寄生参数对脉冲功率放大器电路的影响。输入信号加在驱动级放大电路的输入端，驱动级放大电路输出端将放大后的射频信号通过电容耦合到输出级放大电路的输入端，最终输出级放大电路输出放大后的同相和反相两路差分信号。

Claims (2)

1.一种采用漏极调制方式的脉冲功率放大器，包括脉冲调制电路和功率放大电路两个电路模块，脉冲信号控制脉冲调制电路中晶体管的导通与关断，从而控制功率放大电路的工作状态，其特征在于：将脉冲调制电路复用为功率放大电路的一部分，以解决传统脉冲调制电路器中使用单个晶体管作为控制管引起的大压降，从而导致输出功率和效率的降低；包括具有中心抽头的电感LD、驱动级放大电路、输出级放大电路以及分别为输出级放大电路及驱动级放大电路提供直流偏置的偏置电路1与偏置电路2，射频差分输入信号连接驱动级放大电路的同相输入端和反相输入端，驱动级放大电路输出端将放大后的射频信号通过电容耦合到输出级放大电路的输入端，最终输出级放大电路输出同相和反相两路差分信号，其中：

偏置电路1包括NMOS管M1、M2、M3和M4，电阻R2、R3、R7和R8；NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M3的源极连接，NMOS管M3作为偏置电路1的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M3的漏极连接电阻R3的一端和电阻R8的一端，电阻R3的另一端连接电感LD的一端，电感LD抽头连接电源VDD；同样地，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M4的源极连接，NMOS管M4亦作为偏置电路1的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M4的漏极连接电阻R2的一端和电阻R7的一端,电阻R2的另一端与电阻R3的另一端连接；

偏置电路2包括NMOS管M5、M6、M7和M8，电阻R1、R4、R5和R6；NMOS管M6的源级接地，NMOS管M6的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M8的源极连接，NMOS管M8作为偏置电路2的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M8的漏极连接电阻R1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端连接偏置电路1中电阻R2和R3的另一端；同样地，NMOS管M5的源极接地，NMOS管M5的栅极和漏极连接在一起构成MOS二极管并与NMOS管M7的源极连接，NMOS管M7亦作为偏置电路2的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M7的漏极连接电阻R4的一端和电阻R6的一端,电阻R4的另一端连接电阻R1的另一端；

驱动级放大电路包括NMOS管M9、M10、M11和M12，电容C1、C2、C3和C4；NMOS管M9的源级接地，NMOS管M9的栅极连接电容C2的一端和偏置电路2中电阻R6的另一端，电容C2的另一端作为差分信号的同相端连接射频同相差分输入信号IN_R，NMOS管M9的漏极与NMOS管M11的源极连接在一起构成共源共栅结构，NMOS管M11作为驱动级放大电路的控制管，其栅极接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M11的漏极连接电容C4的一端和偏置电路2中电阻R4的另一端，电容C4的另一端连接偏置电路1中电阻R8的另一端；同样地，NMOS管M10的源级接地，NMOS管M10的栅极连接电容C1的一端和偏置电路2中电阻R5的另一端，电容C1的另一端作为差分信号的反相端连接射频反相差分输入信号IN_L，NMOS管M10的漏极与NMOS管M12的源极连接在一起构成共源共栅结构，NMOS管M12亦作为驱动级放大电路的控制管，其栅极亦连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M12的漏极连接电容C3的一端和连接电感LD的另一端，电感LD抽头连接电源VDD，电容C3的另一端连接偏置电路1中电阻R7的另一端，NMOS管M9和M11与NMOS管M10和M12构成差分结构；

输出级放大电路包括NMOS管M13、M14、M15和M16，电容C5、C6、C7、C8、C9和C10，电感L1、L2，高频扼流圈LRFC1和LRFC2；NMOS管M13的源级接地，NMOS管M13的栅极连接驱动级放大电路中电容C4与偏置电路1中电阻R8的连接端，NMOS管M13的漏极连接电容C6与C8的连接端和NMOS管M15的源级，NMOS管M13与M15构成共源共栅结构，NMOS管M15作为输出级放大电路的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M15的漏极连接电感L1的一端、高频扼流圈LRFC1的一端以及电容C8的另一端，电容C6的另一端接地，高频扼流圈LRFC1的另一端连接电源VDD，电感L1的另一端通过电容C10输出射频同相差分信号OUTR；同样地，NMOS管M14的源级接地，NMOS管M14的栅极连接驱动级放大电路中电容C3与偏置电路1中电阻R7的连接端，NMOS管M14的漏极连接电容C5与C7的连接端和NMOS管M16的源级，NMOS管M14与M16构成共源共栅结构，NMOS管M16亦作为输出级放大电路的控制管，其栅极连接脉冲控制信号V_CTRL，NMOS管M16的漏极电感L2的一端、高频扼流圈LRFC2的一端以及电容C7的另一端，电容C5的另一端接地，高频扼流圈LRFC2的另一端连接电源VDD，电感L2的另一端通过电容C9输出射频反相差分信号OUTL；NMOS管M13和M15与NMOS管M14和M16构成差分结构，输出级放大电路的同相输入端是NMOS管M13的栅极，反相输入端是NMOS管M14的栅极。

2.根据权利要求1所述的采用漏极调制方式的脉冲功率放大器，其特征在于：为避免由于采用片外电感带来的芯片引脚增多，高频扼流圈LRFC1和LRFC2采用片上键合线实现。