CN105515542A - 一种堆叠结构的射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种堆叠结构的射频功率放大器，包括输入匹配电路，输出宽带匹配电路，偏置电路A，偏置电路B，以及至少由两个晶体管漏极源极相连堆叠起来的功率放大电路；射频信号源通过输入匹配电路连接功率放大电路的底层的晶体管的栅极，偏置电路B连接底层晶体管的栅极，底层晶体管的源极接地；偏置电路A连接功率放大电路的除底层晶体管的栅极，其余晶体管的栅极通过连接栅极电容接地；功率放大电路最上层的晶体管的漏极通过所述输出宽带匹配电路连接负载。本发明提高了射频功率放大器整体的线性度、输出电压摆幅、工作带宽、功率效率、功率增益和最大输出功率，并有着较好的二次谐波抑制效果。

Description

一种堆叠结构的射频功率放大器
技术领域
本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及一种射频功率放大器。
背景技术
射频功率放大器是现代无线通信系统的重要组成部分，能将功率很小的射频信号无失真地进行功率放大，进而通过天线辐射出去。
随着便携式设备的功能模块和现代通信系统的调制方式越来越复杂，如为满足不同用户的使用需要，无线手机一般都支持两种或两种以上的网络制式，且为了满足用户的大数据要求，现代通信系统采用诸如QPSK等调制方式，这要求应用于新一代通信系统的功率放大器必须有着较高的功率效率、线性度与带宽。
另外，随着便携式设备的功能模块越来越复杂，将各个功能模块集成在一块芯片上，将大大缩短设备制造商的量产和加工时间，并减少在流片方面的资金消耗，因此，如何减小芯片的有效面积和用廉价的工艺在单一芯片上实现整个射频模组具有重要的研究意义。
由于硅工艺是最为成熟的，也是成本最低、集成度最高且与多数无线收发机的基带处理部分工艺相兼容，因此，硅CMOS工艺是单片实现各个模块集成的理想方案，不过CMOS工艺自身存在着物理缺陷，如低击穿电压和较差的电流能力等。工作于低电压的功率放大器，需要通过减小负载阻值进而增大电流的方法来提高输出功率，然后，这种方法使输出匹配电路的设计变得异常困难。
在中国专利201510150849.1中，通过采用共源共栅结构的射频功率放大器结构来提升功率级的耐压能力，然而共源共栅结构的第二个晶体管的栅极因去耦电容在交流时呈接地状态。随着输入信号功率的增大，输出的电压信号也随着变大，从而会使该结构最上层的晶体管最先出现击穿问题。另外，由于共源共栅结构中的两个晶体管的输出阻抗并不是最佳阻抗，所以输出功率较小。
发明内容
在中国专利201510150849.1中，射频功率放大器采用共源共栅结构，该结构能提高射频功率放大器的耐压能力。然而，这种结构由于堆叠在最底下的晶体管上面的晶体管的栅极的去耦电容的作用，晶体管的栅极在交流时呈接地状态，因此会导致该结构中最上层的晶体管最先出现击穿而最底下面的晶体管最先出现进入线性区的情况；另外，该结构不能很好地保证每个晶体管的输出阻抗都为最佳阻抗，因此，该结构输出功率相对下降。本发明的的目的在于克服以上现有技术的缺点，而提供一种堆叠结构的射频功率放大器。
本发明的具体技术方案为：
一种堆叠结构的射频功率放大器，该射频功率放大器包括输入匹配电路，输出宽带匹配电路，偏置电路A，偏置电路B，以及至少由两个晶体管漏极源极相连堆叠起来的功率放大电路；其中，射频信号源通过所述输入匹配电路连接所述功率放大电路的最底层的晶体管的栅极，所述偏置电路B连接所述最底层晶体管的栅极，所述最底层晶体管的源极接地；所述偏置电路A连接所述功率放大电路的除所述最底层晶体管的其余晶体管的栅极，所述其余晶体管的栅极通过连接栅极电容接地；所述功率放大电路最上层的晶体管的漏极通过所述输出宽带匹配电路连接负载。
本技术方案分别采用分离的偏置电路A，B对各晶体管进行偏置，其中偏置电路B为堆叠在最下层的晶体管提供合适的静态工作点，而偏置电路A为其余堆叠的晶体管提供合适的静态工作点。输入匹配电路将功率放大电路的晶体管的阻抗转换成信号源的源阻抗，完成共扼匹配，从而获得最大的射频功率增益。为了使每个晶体管都能够输出最大功率，在每个堆叠的晶体管的栅极加载电容，从而使每个晶体管的输出电压同相等幅叠加，增强了功率放大电路的线性度与功率输出能力，并使从每个晶体管的漏往负载方向看过去的阻抗为最优阻抗。信号从最上层的晶体管的漏极输出，且经过输出宽带匹配电路，传输到负载端。宽带匹配电路将负载阻抗转换成能使功率放大电路输出最大功率时的最优阻抗。
优选地，所述其余晶体管的漏极和源极之间连接有电容，如附图2所示。
优选地，所有堆叠晶体管的漏极通过连接电容接地，如附图3所示。
优选地，所述偏置电路A和偏置电路B由一个整合的偏置电路代替，如附图4所示。
优选地，所述偏置电路B为电阻与晶体管组成的偏置电路，偏置电路A为电阻分压式偏置电路。偏置电路B为电阻与晶体管组成的偏置电路，精度高且占芯面积小；偏置电路A为电阻分压式偏置，这种偏置方式不仅有着良好的温度抑制系数，且易于集成。
优选地，所述功率放大电路中堆叠的晶体管的偏置电压不等分，最上层晶体管的偏置电压最低，最下层晶体管的偏置电压最高，其余晶体管的偏置电压介于两者之间，使功率放大电路输出高功率时，各个晶体管的直流电压汇集于一点，从而使各个晶体管在高输出功率时有着一致的静态情况，进而增强了功率放大电路的输出功率和线性度。
优选地，电源经滤波电路连接到所述功率放大电路的最上层的晶体管的漏极。
优选地，所述输出宽带匹配电路中设有二次谐波抑制电路；并可以结合扼流电感与功率放大电路输出级的输出电容，更好地实现二次谐波短路，三次谐波开路，从而大大提高了功率放大电路的效率。
优选地，所述滤波电路由滤波电容和扼流电感组成。
优选地，所述滤波电路由低频滤波电容、高频滤波电容和扼流电感组成。
本发明的有益效果：本发明的电路结构不仅提高了射频功率放大器的耐压能力，而且通过非等分方式的偏置方法并结合栅电容所提供的交流阻抗，使每个堆叠的晶体管的负载都为最佳阻抗，从而提高射频功率放大器的功率输出能力。另外，本发明通过在堆叠的晶体管加载电容，并相应提供合适的偏置，从而使每个晶体管在输出高功率时有着相同的静态工作点，从而提高了射频功率放大器整体的线性度。本发明还能提高射频功率放大器的输出电压摆幅、工作带宽、功率效率、功率增益和最大输出功率，并有着较好的二次谐波抑制效果。
附图说明
图1是本发明射频功率放大器的电路图。
图2是图1射频功率放大器的一个衍生电路的电路图。
图3是图1射频功率放大器的一个衍生电路的电路图。
图4是图1射频功率放大器的偏置电路整合后的电路图。
图5是实施例射频功率放大器的电路图。
图6是实施例偏置电路A的电路图。
图7是实施例偏置电路B的电路图。
图8是实施例输出宽带匹配电路的电路图。
图9是实施例输入匹配电路的电路图。
具体实施方式
本发明的一个较佳实施例，一种堆叠结构的射频功率放大器，如图5所示，该射频功率放大器包括输入匹配电路201，输出宽带匹配电路214，偏置电路A即203，偏置电路B即202，以及由四个晶体管(即图中M1至M4，204至207)漏极源极相连堆叠起来的功率放大电路；其中，射频信号源RFin通过所述输入匹配电路201连接所述功率放大电路的最底层的晶体管204的栅极，所述偏置电路B即202连接所述所述晶体管204的栅极，所述晶体管204的源极接地；所述偏置电路A即203连接所述功率放大电路的其余晶体管(205至207)的栅极，晶体管205至207的栅极通过连接栅极电容(208至210)接地；所述功率放大电路最上层的晶体管207的漏极通过所述输出宽带匹配电路214连接负载215。电源VDD经滤波电路连接到所述功率放大电路的最上层的晶体管207的漏极；所述滤波电路由低频滤波电容Cp1即211、高频滤波电容Cp2即212和扼流电感Lc即213组成。对于共栅结构的晶体管205、206和207，连接了栅电容208、209和210，从而分别调整从对应源端往输出端看过去的阻抗分别为Ropt、2Ropt和3Ropt。在射频信号输入端连接输入匹配电路201，对功率放大器进行阻抗匹配，从而实现功率增益最大化。输入匹配电路201的另一端与共源结构的晶体管204的栅极相连，对射频信号进行放大；在信号输出端连接输出宽带匹配电路214，对宽带射频功率放大器的放大信号进行有效地输出，并将负载RL即215转换为4Ropt。采用单独的偏置电路B即202给晶体管204进行偏置，偏置电路A即203分别给晶体管205、206和207进行偏置。扼流电感213参与输出电路的匹配，而滤波电容211和212的取值为别为2pF和100pF。
偏置电路A即203如图6所示，为电阻分压式偏置，由四个电阻以串联分压的形式构成，晶体管207、206和205的栅极分别通过Rchoke电阻与Bondwire电感串联电路连接到电阻303与电阻304的连接处，电阻304的另一端与电阻305的连接处，以及电阻305的另一端与电阻306的连接处。滤波电容301和302的取值分别为2pF和100pF。
偏置电路B即202如图7所示，为电阻与晶体管组成的偏置电路，由电阻403，晶体管404，电容405，Rchoke电阻，电容401和电容402构成。电阻403的一端连接于晶体管404的栅极，晶体管404的漏极，电容405与Rchoke电阻的连接处，晶体管404的源极与电容405的另一端接地。电阻403的另一端连接于滤波电容401，滤波电容402与电源Vibas2的连接处，晶体管204的栅极与Vb1端相连。
输出宽带匹配网络214如图8所示，由二次谐波网络与宽带匹配网络组成。其中所述的二次谐波网络由电容501与电感502串联组成且一端连接于功率放大器输出端与电感503的连接处，另一端接地。宽带匹配网络由电感503，电感504，电容505，电容506和隔直电容507组成。电容505连接于电感503的另一端与电感504的连接处，另一端接地。电容506连接于电感504的另一端与隔直电容CD即507的连接处，另一端接地。隔直电容507的另一端接负载RL。该匹配网络结合二次谐波网络，扼流电感，功率放大器输出级的输出电容和宽带匹配网络，实现二次谐波短路，三次谐波开路，从而使功率放大器的输出电压波形更接近方波，而电流波形更接近半波，从而增强了功率放大器的效率。
输入匹配电路201如图9所示，由电感601，电感603与电感602组成。信号输入端连接电感601的一端。电感603连接于电感601的另一端与电容602的连接处，电容602的另一端接晶体管204的栅极。
由于随着输入信号功率的增大，晶体管204的直流漏源电压会呈较强的下降趋势，而晶体管207会呈较强的上升趋势，因此晶体管204的偏置稍高，而晶体管207的偏置稍低，晶体管205和206的偏置介于前两者之间。
采用该电路结构不仅提高了射频功率放大器的耐压能力，而且通过非等分方式的偏置方法并结合栅电容所提供的交流阻抗，使每个堆叠的晶体管的负载都为最佳阻抗，从而提高了射频功率放大器的功率输出能力。另外，本发明所提供的结构在输出高功率时，各个晶体管的电压一致，从而提高了线性度。

Claims (10)

1.一种堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：该射频功率放大器包括输入匹配电路，输出宽带匹配电路，偏置电路A，偏置电路B，以及至少由两个晶体管漏极源极相连堆叠起来的功率放大电路；其中，射频信号源通过所述输入匹配电路连接所述功率放大电路的最底层的晶体管的栅极，所述偏置电路B连接所述最底层晶体管的栅极，所述最底层晶体管的源极接地；所述偏置电路A连接所述功率放大电路的除所述最底层晶体管的其余晶体管的栅极，所述其余晶体管的栅极通过连接栅极电容接地；所述功率放大电路最上层的晶体管的漏极通过所述输出宽带匹配电路连接负载。
2.根据权利要求1所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述其余晶体管的漏极和源极之间连接有电容。
3.根据权利要求1所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所有堆叠晶体管的漏极通过连接电容接地。
4.根据权利要求1，2或3所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述偏置电路A和偏置电路B由一个整合的偏置电路代替。
5.根据权利要求1，2或3所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述偏置电路B为电阻与晶体管组成的偏置电路，偏置电路A为电阻分压式偏置电路。
6.根据权利要求1，2或3所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述功率放大电路中堆叠的晶体管的偏置电压不等分，最上层晶体管的偏置电压最低，最下层晶体管的偏置电压最高，其余晶体管的偏置电压介于两者之间。
7.根据权利要求1，2或3所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：电源经滤波电路连接到所述功率放大电路的最上层的晶体管的漏极。
8.根据权利要求1，2或3所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述输出宽带匹配电路中设有二次谐波抑制电路。
9.根据权利要求7所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述滤波电路由滤波电容和扼流电感组成。
10.根据权利要求9所述的堆叠结构的射频功率放大器，其特征在于：所述滤波电路由低频滤波电容、高频滤波电容和扼流电感组成。
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