CN106341090A - 一种功率放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率放大电路，该功率放大电路包括：电连接于功率放大电路的射频干路中的输入偏置电路、输入匹配网络、放大模块、输出偏置电路和输出匹配网络；输入偏置电路的输出端电连接输入匹配网络的输入端；输入匹配网络的输出端电连接放大模块的输入端；放大模块的输出端电连接输出偏置电路的输入端；输出偏置电路的输出端电连接输出匹配网络的输入端；功率过激励保护模块的输入端电连接在输入偏置电路和放大模块之间的射频干路上，输出端接地，功率过激励保护模块用于将过激励的射频信号短路到地。本发明通过在输入匹配网络中设置功率过激励保护模块，可防止过激励的射频信号进入放大模块，实现对放大模块的保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体、微电子及无线通信技术领域，涉及一种功率放大电路。
背景技术
功率放大器作为通信系统的核心元件，在通信系统里发挥着至关重要的作用，因而要求通信系统中的功率放大器能够长期稳定工作。
传统的功率放大器，可包括GaN或GaAs高电子迁移率晶体管，实际工作时需要在栅极提供一个直流负极偏置电压。输入的射频信号与栅极的直流负极偏置电压叠加，实时控制漏极电流从而实现放大。但是当输入功率过大时，瞬时的栅极电压可能出现正电压，导致栅极肖特基二极管导通，损坏晶体管。
因此，传统的功率放大电路都会在链路上加入自动增益控制电路。自动增益控制电路自动检测输入功率，然后根据输入功率的大小调节功放链路增益，为处于链路后端的功率放大器提供合适的输入功率。但是自动增益控制电路设计复杂，需要延时，且无法控制自动增益控制电路与末级功率放大器之间产生的瞬时大功率。在某些情况下，如由于自动增益控制电路后端元件损坏产生的大功率脉冲信号也可能导致末级功率放大器损坏，而末级功率放大器占据着整个通信系统成本的很大一部分，且大多数通信基站建设于高山和高楼之上，功率放大器的更换需要花费很多人力和物力，大大增加了功率放大器的更换成本，并严重影响用户的正常通信。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种功率放大电路，以防止过激励的射频信号进入放大模块，实现对放大模块的保护作用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种功率放大电路，包括：电连接于所述功率放大电路的射频干路中的输入偏置电路、输入匹配网络、放大模块、输出偏置电路和输出匹配网络；
所述输入偏置电路的输出端电连接所述输入匹配网络的输入端；
所述输入匹配网络的输出端电连接所述放大模块的输入端；
所述放大模块的输出端电连接所述输出偏置电路的输入端；
所述输出偏置电路的输出端电连接所述输出匹配网络的输入端；
所述功率过激励保护模块的输入端电连接在所述输入偏置电路和所述放大模块之间的射频干路上，输出端接地，所述功率过激励保护模块用于将过激励的射频信号短路到地。
进一步地，所述功率过激励保护模块包括功率过激励保护二极管，所述功率过激励保护二极管的正极电连接在所述输入偏置电路和所述放大模块之间的射频干路上，负极接地。
进一步地，所述功率过激励保护二极管包括于所述输入匹配网络中，所述输入匹配网络还包括第一输入匹配电感、第二输入匹配电感和输入匹配电容；
所述第一输入匹配电感的第一端电连接所述输入偏置电路的输出端；
所述第一输入匹配电感的第二端电连接所述第二输入匹配电感的第一端；
所述第二输入匹配电感的第二端电连接所述放大模块的输入端；
所述输入匹配电容的第一电极电连接所述第一输入匹配电感的第二端，所述输入匹配电容的第二电极接地。
进一步地，所述功率过激励保护二极管和所述输入匹配电容集成为内匹配电容模块。
进一步地，所述输入匹配电容为金属氧化物半导体电容，包括第二电极，依次位于所述第二电极之上的氧化层和第一电极，所述第二电极为重掺杂的导电硅或金属电极，所述第二电极接地；
所述内匹配电容模块包括：
形成于所述第二电极上的所述功率过激励保护二极管和所述金属氧化物半导体电容，所述功率过激励保护二极管的负极电连接所述第二电极，所述功率过激励保护二极管的正极电连接所述金属氧化物半导体电容的第一电极。
进一步地，所述输入匹配网络和所述放大模块集成为微波模块。
进一步地，所述放大模块包括晶体管；
所述微波模块包括：
管壳底座；
位于所述管壳底座上边缘的绝缘环；
位于所述绝缘环上的管壳输入引线和管壳输出引线，所述管壳输入引线电连接所述输入偏置电路的输出端，所述管壳输出引线电连接所述输出偏置电路的输入端；
位于所述管壳底座上的所述内匹配电容模块，所述内匹配电容模块的第二电极与所述管壳底座相接触；
位于所述管壳底座上的所述晶体管；
其中，所述金属氧化物半导体电容的第一电极与所述管壳输入引线通过第一键合线电连接，所述金属氧化物半导体电容的第一电极与所述晶体管的栅极通过第二键合线电连接，所述晶体管的漏极与所述管壳输出引线通过第三键合线电连接，所述晶体管的源极接地；所述第一键合线作为所述第一输入匹配电感，所述第二键合线作为所述第二输入匹配电感。
进一步地，所述晶体管的源极通过所述晶体管中的通孔与所述管壳底座电连接，以使所述晶体管的源极接地。
进一步地，所述晶体管包括GaN高电子迁移率晶体管或GaAs高电子迁移率晶体管。
进一步地，所述输入偏置电路包括输入隔直电容和输入扼流电感；
所述输入隔直电容串联在所述射频干路中，所述输入扼流电感的第一端连接输入偏置电压源，第二端电连接所述输入隔直电容的输出端；
所述输出偏置电路包括输出隔直电容和输出扼流电感；
所述输出隔直电容串联在所述射频干路中，所述输出扼流电感的第一端连接输出偏置电压源，第二端电连接所述输出隔直电容的输入端。
本发明的有益效果是：本发明提供的功率放大电路，通过在功率放大电路的输入偏置电路和放大模块之间设置功率过激励保护模块，且使功率过激励保护模块的输入端电连接功率放大电路的射频干路，输出端接地，可以在输入射频信号的功率过大，即产生过激励的射频信号时，功率过激励保护模块开启，直接将过激励的射频信号短路到地，使得过激励的射频信号无法到达放大模块，避免了放大模块因射频信号的功率过大被烧毁，有效保护了放大模块。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1a-图1c是本发明实施例一提供的功率放大电路的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的功率过激励保护二极管的伏安特性曲线；
图3是本发明实施例一提供的功率放大电路过激励保护的原理示意图；
图4a-图4c是本发明实施例二提供的功率放大电路的结构示意图；
图5是本发明实施例三提供的内匹配电容模块的结构示意图；
图6是本发明实施例三提供的微波模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1a-图1c是本发明实施例一提供的功率放大电路的结构示意图。该功率放大电路适用于通信系统中的各级功率放大器，可有效防止每级功率放大器过激励的射频输入信号进入放大模块或晶体管。如图1a、图1b或图1c所示，该功率放大电路，包括：电连接于功率放大电路的射频干路中的输入偏置电路1、输入匹配网络2、放大模块3、输出偏置电路4、输出匹配网络5和功率过激励保护模块6。
其中，输入偏置电路1的输出端电连接输入匹配网络2的输入端；
输入匹配网络2的输出端电连接放大模块3的输入端；
放大模块3的输出端电连接输出偏置电路4的输入端；
输出偏置电路4的输出端电连接输出匹配网络5的输入端；
功率过激励保护模块6的输入端电连接在输入偏置电路1和放大模块3之间的射频干路上，输出端接地，功率过激励保护模块6用于将过激励的射频信号短路到地。
参见图1a，上述功率过激励保护模块6可电连接于上述输入偏置电路1和输入匹配网络2之间的射频干路上；参见图1b，上述功率过激励保护模块6也可电连接于上述输入匹配网络2和放大模块3之间的射频干路上；参见图1c，上述功率过激励保护模块6还可电连接于上述输入匹配网络2中的射频干路上。
本实施例中，上述输入偏置电路1为放大模块3提供栅极偏置电压，输出偏置电路4为放大模块3提供漏极偏置电压。输出匹配网络5用于为放大模块3提供合适的负载阻抗，以保证较好的功放功率、效率及线性度特性。
上述方案中，优选的，功率过激励保护模块6可包括功率过激励保护二极管，该功率过激励保护二极管的正极电连接在输入偏置电路1和放大模块3之间的射频干路上，负极接地。
图2为功率过激励保护二极管的伏安特性曲线。从图中可以看出，当功率过激励保护二极管的正偏压大于该功率过激励保护二极管的开启电压Von后，功率过激励保护二极管正向导通，电流随正向电压的增大而增加；当功率过激励保护二极管加上负偏压时，二极管呈现关闭状态。
如图1a所示，输入偏置电路1给功率过激励保护二极管6提供一个偏置电压，该偏置电压与放大模块3的栅极偏置电压相同。以包含氮化镓晶体管的放大模块为例，栅极偏置电压为负电压，此时，功率过激励保护二极管的偏置电压也为负电压。射频输入信号为幅度信号，射频输入信号与栅极偏置电压叠加，实时地控制放大模块的输出电流，从而实现射频放大。射频输入功率大小与射频输入信号的幅度正相关，射频输入信号幅度越大，输入功率越大。
图3是本发明实施例一提供的功率放大电路过激励保护的原理示意图。如图3所示，以包含氮化镓晶体管的放大模块为例，在0～t1时段没有射频信号输入时，功率过激励保护二极管的实时正向电压为一恒定的负偏压Vgs，功率过激励保护二极管处于截止状态。在t1～t2时段有射频信号输入时，功率过激励保护二极管的实时正向电压为Vgs和瞬时射频信号幅度的叠加；当射频输入信号过大时，即图3中的t3～t4时段，瞬时射频信号幅度与Vgs叠加后的瞬时电压大于功率过激励保护二极管的开启电压，功率过激励保护二极管导通，过激励的射频信号直接短路到地，无法到达放大模块3，从而实现对放大模块3的过激励保护作用。
本实施例中，输入偏置电路为功率过激励保护二极管和放大模块提供了相同的偏置电压。然而，考虑到放大模块所能承受的功率，可设计不同过激励功率保护二极管，以改变过激励功率保护二极管的开启电压，从而可以改变射频干路上的射频输入信号的最大功率。
本发明实施例一提供的功率放大电路，通过在功率放大电路的输入偏置电路和放大模块之间设置功率过激励保护模块，且使功率过激励保护模块的输入端电连接功率放大电路的射频干路，输出端接地，可以在输入射频信号的功率过大，即产生过激励的射频信号时，功率过激励保护模块开启，直接将过激励的射频信号短路到地，使得过激励的射频信号无法到达放大模块，避免了放大模块因射频信号的功率过大被烧毁，有效保护了放大模块。
实施例二
图4a-图4c是本发明实施例二提供的功率放大电路的结构示意图。本实施例与实施例一不同的是，功率过激励保护二极管包括于输入匹配网络中。
如图4a、图4b或图4c所示，功率过激励保护二极管61包括于输入匹配网络2中，输入匹配网络2还可以包括第一输入匹配电感L1、第二输入匹配电感L2和输入匹配电容C1。
其中，第一输入匹配电感L1的第一端电连接输入偏置电路1的输出端；
第一输入匹配电感L1的第二端电连接第二输入匹配电感L2的第一端；
第二输入匹配电感L2的第二端电连接放大模块3的输入端；
输入匹配电容C1的第一电极电连接第一输入匹配电感L1的第二端，输入匹配电容C1的第二电极接地。
本实施例中，参见图4a，功率过激励保护二极管61的正极可电连接于第一输入匹配电感L1的第一端；参见图4b，功率过激励保护二极管61的正极也可电连接于第二输入匹配电感L2的第二端；参见图4c，功率过激励保护二极管61的正极还可电连接于第一输入匹配电感L1的第二端，即功率过激励保护二极管61和输入匹配电容C1并联于第一输入匹配电感L1与第二输入匹配电感L2之间。
进一步的，上述方案中，输入偏置电路1可包括输入隔直电容C2和输入扼流电感L3；其中，输入隔直电容C2可消除输入偏置电路1输出的直流偏置电压对前级放大电路或信号源的影响；
上述输入隔直电容C2串联在射频干路中，输入扼流电感L3的第一端连接输入偏置电压源Vgs，第二端电连接输入隔直电容C2的输出端；
输出偏置电路4可包括输出隔直电容C3和输出扼流电感L4；其中，输出隔直电容C3可消除输出偏置电路4输出的直流偏置电压对后级放大电路或负载的影响；
上述输出隔直电容C3串联在射频干路中，输出扼流电感L4的第一端连接输出偏置电压源Vds，第二端电连接输出隔直电容C3的输入端。
本发明实施例二提供的功率放大电路，将功率过激励保护二极管集成到输入匹配网络中，在避免放大模块因射频信号的功率过大被烧毁，有效保护放大模块的同时，便于功率放大电路的连接。
实施例三
本实施例与实施例二不同的是，功率过激励保护二极管和输入匹配电容集成为内匹配电容模块，直接封装于功放管管壳内。
优选的，如图5所示，输入匹配电容为金属氧化物半导体电容，包括第二电极70，依次位于第二电极70之上的氧化层72和第一电极71。其中，第二电极70为重掺杂的导电硅或金属电极，第二电极70接地，第一电极71为金属材料，氧化层72可以为氧化硅。
相应的，参见图5，内匹配电容模块7可包括：
形成于第二电极70上的功率过激励保护二极管61和金属氧化物半导体电容，功率过激励保护二极管61的负极电连接第二电极70，功率过激励保护二极管61的正极电连接金属氧化物半导体电容的第一电极71。
进一步的，输入匹配网络和放大模块可集成为微波模块。
在上述功率放大电路中，放大模块包括晶体管，该晶体管可以为GaN高电子迁移率晶体管或GaAs高电子迁移率晶体管。
示例性的，如图6所示，上述微波模块可包括：
管壳底座100；
位于管壳底座100上边缘的绝缘环101，实现管壳输入引线102和管壳输出引线103分别与管壳底座100之间的电隔离；
位于绝缘环101上的管壳输入引线102和管壳输出引线103，管壳输入引线102电连接输入偏置电路的输出端，管壳输出引线103电连接输出偏置电路的输入端；
位于管壳底座100上的内匹配电容模块7，内匹配电容模块7的第二电极与管壳底座100相接触；
位于管壳底座100上的晶体管31；
其中，金属氧化物半导体电容的第一电极与管壳输入引线102通过第一键合线104电连接，金属氧化物半导体电容的第一电极与晶体管31的栅极通过第二键合线105电连接，晶体管31的漏极与管壳输出引线103通过第三键合线106电连接，晶体管31的源极接地；且第一键合线104作为上述实施例中的第一输入匹配电感，第二键合线105作为上述实施例中的第二输入匹配电感。
进一步的，上述方案中，晶体管31的源极通过晶体管31中的通孔32侧壁镀有导电金属，实现晶体管31的源极与管壳底座100电连接，以使晶体管31的源极接地。
本实施例中，内匹配电容模块7的第二电极和管壳底座100电连接，管壳底座100接地。
示例性的，以GaN高电子迁移率晶体管为例进行举例说明。
封装时，GaN高电子迁移率晶体管焊接于管壳底座100上，通孔32实现源极与管壳底座100的电连接，内匹配电容模块7的第二电极焊接于管壳底座100上。GaN高电子迁移率晶体管的栅极、金属氧化物半导体电容的第一电极和管壳输入引线102之间通过第一键合线104实现电连接，GaN高电子迁移率晶体管的漏极,通过第三键合线106与管壳输出引线103电连接。
在实际工作时，GaN高电子迁移率晶体管需要提供栅极偏置电压和漏极偏置电压。由于内匹配电容模块7的第一电极与GaN高电子迁移率晶体管的栅极电连接，因此功放管的栅极偏置电压Vgs即为功率过激励保护二极管的偏置电压。当射频输入信号过大时，射频信号幅度与偏置电压Vgs叠加后的瞬时电压大于功率过激励保护二极管的开启电压，功率过激励保护二极管导通，过激励的射频信号直接短路到地，无法到达晶体管，从而实现过激励保护功能。
本发明实施例三提供的功率放大电路，采用硅工艺，直接将金属氧化物半导体电容和功率过激励保护二极管制备在一起，金属氧化物半导体电容工艺成熟，包含功率过激励保护二极管的整个内匹配电容模块均通过微电子工艺进行加工，一致性好，且成本低。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种功率放大电路，其特征在于，包括：电连接于所述功率放大电路的射频干路中的输入偏置电路、输入匹配网络、放大模块、输出偏置电路、输出匹配网络和功率过激励保护模块；
所述输入偏置电路的输出端电连接所述输入匹配网络的输入端；
所述输入匹配网络的输出端电连接所述放大模块的输入端；
所述放大模块的输出端电连接所述输出偏置电路的输入端；
所述输出偏置电路的输出端电连接所述输出匹配网络的输入端；
所述功率过激励保护模块的输入端电连接在所述输入偏置电路和所述放大模块之间的射频干路上，输出端接地，所述功率过激励保护模块用于将过激励的射频信号短路到地。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率过激励保护模块包括功率过激励保护二极管，所述功率过激励保护二极管的正极电连接在所述输入偏置电路和所述放大模块之间的射频干路上，负极接地。
3.根据权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率过激励保护二极管包括于所述输入匹配网络中，所述输入匹配网络还包括第一输入匹配电感、第二输入匹配电感和输入匹配电容；
所述第一输入匹配电感的第一端电连接所述输入偏置电路的输出端；
所述第一输入匹配电感的第二端电连接所述第二输入匹配电感的第一端；
所述第二输入匹配电感的第二端电连接所述放大模块的输入端；
所述输入匹配电容的第一电极电连接所述第一输入匹配电感的第二端，所述输入匹配电容的第二电极接地。
4.根据权利要求3所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率过激励保护二极管和所述输入匹配电容集成为内匹配电容模块。
5.根据权利要求4所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入匹配电容为金属氧化物半导体电容，包括第二电极，依次位于所述第二电极之上的氧化层和第一电极，所述第二电极为重掺杂的导电硅或金属电极，所述第二电极接地；
所述内匹配电容模块包括：
形成于所述第二电极上的所述功率过激励保护二极管和所述金属氧化物半导体电容，所述功率过激励保护二极管的负极电连接所述第二电极，所述功率过激励保护二极管的正极电连接所述金属氧化物半导体电容的第一电极。
6.根据权利要求5所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入匹配网络和所述放大模块集成为微波模块。
7.根据权利要求6所述的功率放大电路，其特征在于，所述放大模块包括晶体管；
所述微波模块包括：
管壳底座；
位于所述管壳底座上边缘的绝缘环；
位于所述绝缘环上的管壳输入引线和管壳输出引线，所述管壳输入引线电连接所述输入偏置电路的输出端，所述管壳输出引线电连接所述输出偏置电路的输入端；
位于所述管壳底座上的所述内匹配电容模块，所述内匹配电容模块的第二电极与所述管壳底座电接触；
位于所述管壳底座上的所述晶体管；
其中，所述金属氧化物半导体电容的第一电极与所述管壳输入引线通过第一键合线电连接，所述金属氧化物半导体电容的第一电极与所述晶体管的栅极通过第二键合线电连接，所述晶体管的漏极与所述管壳输出引线通过第三键合线电连接，所述晶体管的源极接地；所述第一键合线作为所述第一输入匹配电感，所述第二键合线作为所述第二输入匹配电感。
8.根据权利要求7所述的功率放大电路，其特征在于，所述晶体管的源极通过所述晶体管中的通孔与所述管壳底座电连接，以使所述晶体管的源极接地。
9.根据权利要求7所述的功率放大电路，其特征在于，所述晶体管包括GaN高电子迁移率晶体管或GaAs高电子迁移率晶体管。
10.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入偏置电路包括输入隔直电容和输入扼流电感；
所述输入隔直电容串联在所述射频干路中，所述输入扼流电感的第一端连接输入偏置电压源，第二端电连接所述输入隔直电容的输出端；
所述输出偏置电路包括输出隔直电容和输出扼流电感；
所述输出隔直电容串联在所述射频干路中，所述输出扼流电感的第一端连接输出偏置电压源，第二端电连接所述输出隔直电容的输入端。
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