CN107196610B - 开关功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开关功率放大器，包括：两个电平转移电路，分别用于对低电压差分信号的两路信号进行降压，得到两路降压负值电压信号；放大模块，用于对所述两路降压负值电压信号进行放大，得到并输出一路放大后的电压信号。另外，本发明还采用了氮化镓基功率管，通过本发明可以对高工作频率、电压幅值较小的信号进行稳定的放大和输出，大幅度提高功放电路的工作效率，以及为数字功放提供更强的放大能力。

Description

开关功率放大器
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体而言涉及一种开关功率放大器。
背景技术
射频功放是无线通信设备的重要组成部分，现应用的通信设备中使用的都是传统模拟功放，但是由于信号频率的上升，传统的模拟功放在放大信号的时候会出现信号失真严重的情况，所以利用数字模式的功放来放大信号可以保持信号的完整性，为此数字功率放大技术已成为当前业界的研究热点。
开关功放作为数字功率放大技术核心电路，在数字功放电路中，首先是对模拟的信号进行一次调制使之转化成有高低电平的数字信号，而开关功放模块就是将该数字信号进行大幅度地放大并通过滤波器得到放大后的模拟信号。
目前，一般的开关功率放大器可以将电压值大于2V的电压进行放大，不能放大电压值较小的电压。随着输入信号工作频率增大，以及对信号放大能力要求的增加，现有的GaAs(砷化镓)基功率管频率特性和功率特性较差，不能满足对高频信号放大的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种开关功率放大器，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种开关功率放大器，包括：
两个电平转移电路，分别用于对低电压差分信号的两路信号进行降压，得到两路降压负值电压信号；
放大模块，用于对所述两路降压负值电压信号进行放大，得到并输出一路放大后的电压信号。
可选地，所述放大模块包括：
两个电平放大电路，分别用于放大所述降压负值电压信号的两路信号，得到两路放大负值电压信号；
一电平驱动电路，分别用于对所述两路放大负值电压信号进行电压的二次放大，得到一对差分电压；
一功率放大电路，用于对所述差分电压进行电压选通，输出一路放大后的电压信号至下一级电路。
可选地，所述开关功率放大器还可以包括：
一滤波器，用于滤除与所述低电压差分信号工作频率不同的放大后的电压信号；
一偏置电路，为所述电平转移电路以及放大模块提供偏置电压。
可选地，所述电平转移电路和放大模块均包含氮化镓功率管。
可选地，功率放大电路包括两个支路，上支路与偏置电压相连，下支路接地，所述电压选通指选通氮化镓功率管能导通的上支路或者下支路，并输出选通的上支路或者下支路的电压。
可选地，所述电平转移电路可以包括肖特基二极管，用于对所述低电压差分信号的两路信号进行降压，从而得到所述负值电压信号。
可选地，所述电平放大电路可以包括电阻，该电阻与氮化镓晶体管对偏置电压进行分压，输出放大后的电平信号，从而放大所述降压负值电压信号。
可选地，所述电平驱动电路可以为双端输入和双端输出的差分对电路。
可选地，所述差分对电路中的两个电阻的电阻值可以不同，从而实现对所述放大负值电压信号进行不同程度的二次放大，以得到一对大小不同的差分电压。
可选地，所述功率放大电路可以为D类功率放大结构。
(三)有益效果
1、电平转移电路的引入，可以使输入的LVDS信号电平转移到更小值，以达到下级电平放大电路所需要的栅压值，有利于对幅度较小的电平信号的放大。
2、双端输入和双端输出差分对电路的引入，通过对电平放大电路输出的两路信号进行放大，放大后的信号驱动下一级的功率放大电路。功率放大电路的引入，可以大幅度提高功放电路的工作效率，能为数字功放提供更强的放大能力。
3、本发明引入了GaN功率管，可以对高工作频率的信号进行稳定的放大和输出。
附图说明
图1是本发明实施例的开关功率放大器的电路原理示意图；
图2是本发明实施例的电平转移电路的电路示意图；
图3是本发明实施例的电放大电路的电路示意图；
图4是本发明实施例的电平驱动电路的电路示意图；
图5是本发明实施例的功率放大电路的电路示意图；
图6为本发明实施例的电路输入输出曲线图。
具体实施方式
目前，现有技术中的开关功率放大器一般将电压值大于2V的电压进行放大，不能放大电压值较小的电压，如大于1V小于2V的电压。另外，随着输入信号工作频率增大，以及对信号放大能力要求的增加，现有的GaAs基功率管频率特性和功率特性较差，不能满足对高频信号放大的要求，但是GaN衬底的高电子迁移率、高电子饱和漂移速率和以及高工作频率等优点，使它成为了高频、高功率微波射频器件的理想材料，可以完成对高频信号的功率放大，所以GaN基的开关功放的开发与研究迫在眉睫。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
基于上述现状，本发明提供了一种开关功率放大器，用于放大低电压差分信号，并将放大后的信号输出至向下一级电路。图1是本发明实施例的开关功率放大器的电路原理示意图，如图1所示，该开关功率放大器包括：
两个电平转移电路，分别用于对低电压差分信号的两路信号进行降压，得到两路降压负值电压信号；
放大模块，用于对所述两路降压负值电压信号进行放大，得到并输出一路放大后的电压信号；
一滤波器，用于滤除与所述低电压差分信号工作频率不同的放大后的电压信号；
一偏置电路，为所述电平转移电路、电平放大电路、电平驱动电路和功率放大电路提供偏置电压，且在不同的电路中，偏置电压的大小不一样。
具体地，所述放大模块包括：
两个电平放大电路，分别用于放大所述降压负值电压信号的两路信号，得到两路放大负值电压信号；
一电平驱动电路，分别用于对所述两路放大负值电压信号进行电压的二次放大，得到一对差分电压；
一功率放大电路，用于对所述差分电压进行电压选通，输出一路放大后的电压信号至下一级电路。
图2是本发明实施例的电平转移电路的电路示意图，如图2所示，本发明实施例中，电平转移电路包括：
两个GaN功率管T21和T22；四个肖特基二极管D21、D22、D23和D24。因为GaN基功率管的高电子迁移率、高电子饱和漂移速率和以及高工作频率等优点，因此，本发明实施例中的功率管优选为GaN功率管。
在本发明实施例中，GaN功率管T21和T22的导通电压(栅极和源极的电压差)均为-2.5V，即当栅极和源极的电压差大于等于-2.5V时，T21和T22导通，否则，T21和T22关闭。另外，本实施例的每个肖特基二极管在导通状态下的压降为3V，在不同实施例中，各二极管的压降可以不同，也可以相同。选择导通电压较大的功率管以及导通压降较大的二极管，可以使得低电压差分信号的电压大小大幅下降，可以使输入的LVDS信号电平转移到更小值，以达到下级电平放大电路所需要的栅压值，有利于对幅度较小的电平信号的放大。
在该电平转移电路中，Vin2端输入低电压差分信号的两路信号，信号幅度为0.35V，工作频率为600MHz。其中，上电平转移电路的第一电压为V1，下电平转移电路的第二电压为V0，其中V0和V1均只有两个值1.05V与1.4V，且在同一时刻，V0和V1的值不相等。V21、V22均为偏置电路为该电平转移电路提供的偏置电压，且V21的电压大小为13V，V22的电压大小为-17V。在偏置电压V21和V22的控制下，两路信号V0和V1先后经过G21、D21、D22、D23、D24和T22时，信号的电压大小被调制，得到两路电压为-12.8V或-12.4V的降压负值电压信号，且在该两路电压中，电压互不相等。可以看出，由于GaN功率管T21和T22本身的放大特征，电压差为0.35V的低电压差分信号，经过电平转移电路降压后，其电压差值变为0.4V。
图3是本发明实施例的电平放大电路的电路示意图，如图3所示，该放大电路包括：一个GaN功率管T3和一个电阻R3，R3电阻阻值为150Ω，该电阻与氮化镓晶体管对偏置电压进行分压，不同栅压下的氮化镓晶体管的导通电阻不同，分压的效果也不一样，随后输出放大后的电平信号，从而放大所述降压负值电压信号。
在本发明实施例中，V31、V32均为偏置电路为该电平转移电路提供的偏置电压，且V31的电压大小为9V，V32的电压大小为-10V。电平转移电路的得到的两路-12.8V或-12.4V的降压负值电压信号输入电平放大电路，信号经过晶体管T3，因为晶体管T3工作在不同的放大状态，电阻R3和T3的等效电阻实现分压，最后得到-3V或-7V的两路放大负值电压信号。由此可见，两路幅值为0.4V的降压负值电压信号，经过电平放大电路放大处理后，得到两路幅值为4V的放大负值电压信号。
图4为本发明实施例的电平驱动电路的电路示意图，如图4所示，该电平驱动电路为双端输入和双端输出的差分对电路，由电平放大得到的两路信号可以通过该电平驱动电路得到两路差分输出信号。且差分对电路中的两个电阻(即R41和R42)的电阻值分别为350Ω和100Ω。R41和R42的电阻值不同，是为了实现对所述放大负值电压信号进行不同程度的二次放大，以得到一对大小不同的差分对电压。
在本发明实施例中，电平放大电路输出的大小为-3V或-7V的两路放大负值电压信号从Vin41和Vin42输入，偏置电压电路提供的偏置电压V41先经过R41分担电压，再经过T41的开启和关断过程，输出电压值为-5V或20V的一路差分电压，其中V41大小为20V。偏置电压电路提供的偏置电压V42先经过R42分担电压，再经过T42开启和关断过程，输出电压范围为-5V或0V的一路差分电压，其中V42大小为0V。
图5为本发明实施例的功率放大电路的电路示意图，如图5所示，该功率放大电路为D类功率放大结构，D类功率结构工作在开关状态时，具有较高的工作效率，该功率放大电路包括两个GaN功率管T51和T52。在本发明实施例中，电平驱动电路的一对差分电压(大小为-5V或20V的一路电压；与大小为-5V或0V的另一路电压)分别从V51端口与V52端口进入功率放大电路，其中，电路的偏置电压V53为20V。功率放大电路包括两个支路，上支路与偏置电压相连，下支路接地，上支路的输入的差分电压为20V，下支路的输入的差分电压为-5V时，T51源漏极的压降达到预定阈值，T51导通，且T52关闭，功率放大电路可以输出20V的电平；当上支路的差分电压为-5V，下支路的差分电压为0V时，T52导通，且T51关闭，功率放大电路可以输出0V的电平，最终完成开关功率放大器的性能，最终得一路0或20V的数字电压信号。由此可见，电压幅值为0.35V的低电压差分信号经过本发明提供的开关功率放大器，实现了电压幅值的放大，最终得到一路电压幅值为20V的放大后的电压信号。
另外，该放大后的信号还可以通过带通滤波器BPF，从而滤除频率为600MHz(输入的低电压差分信号的工作频率)以外的信号，得到与低电压差分信号相同频率的放大信号，并将该放大信号输出至下一级电路，一般来说，下一级电路的等效负载为50Ω。
上电平转移电路的第一电压为V1，且该上电平转移电路与上电平放大电路、上电平驱动电路以及功率放大电路中的与偏置电压相连的上支路相连，下电平转移电路的第二电压为Vn，且该下电平转移电路与下电平放大电路、下电平驱动电路以及功率放大电路中的接地的下支路相连。图6为本发明实施例的电路输入输出曲线图，如图6所示，当上电平转移电路V1的电压为1.05V时，V1经过上电平转移电路降压，得到-12.8V的放大负值电压信号，再经过上电平放大电路放大，得到-3V的放大负值电压信号，再通过电平驱动电路二次放大，得到-5V的差分电压并输入功率放大电路的上支路；对于V0，其电压为1.4V时，V0经过下电平转移电路降压，得到-12.4V的放大负值电压信号，再经过下电平放大电路放大，得到-7V的放大负值电压信号，再通过电平驱动电路二次放大，得到0V的差分电压，此时，功率放大电路中的下支路的功率管T52导通，上支路的功率管T51关闭，输出下支路的电压0V。同理，当上电平转移电路V1的电压为1.4V时，V1经过上电平转移电路降压，得到-12.4V的放大负值电压信号，再经过上电平放大电路放大，得到-7V的放大负值电压信号，再通过电平驱动电路二次放大，得到20V的差分电压并输入功率放大电路的上支路；对于V0，其电压为1.05V时，V0经过下电平转移电路降压，得到-12.8V的放大负值电压信号，再经过下电平放大电路放大，得到-3V的放大负值电压信号，再通过电平驱动电路二次放大，得到-5V的差分电压，此时，功率放大电路中的上支路的功率管T51导通，上下支路的功率管T52关闭，输出下支路的电压20V。此外，由于功率管在工作时会产生一定的压降，所以输出的信号电平没有达到理想的20V，但在理想情况下，该输出电压无限接近20V。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关功率放大器，其特征在于，包括：
两个电平转移电路，分别用于对低电压差分信号的两路信号进行降压，得到两路降压负值电压信号；
放大模块，用于对所述两路降压负值电压信号进行放大，得到并输出一路放大后的电压信号；
所述放大模块包括两个电平放大电路、一电平驱动电路和一功率放大电路，其中，
所述两个电平放大电路，分别用于放大所述降压负值电压信号的两路信号，得到两路放大负值电压信号；
所述一电平驱动电路，分别用于对所述两路放大负值电压信号进行电压的二次放大，得到一对差分电压；
所述一功率放大电路，用于对所述差分电压进行电压选通，输出一路放大后的电压信号至下一级电路；
所述电平驱动电路为双端输入和双端输出的差分对电路。
2.根据权利要求1所述的开关功率放大器，其特征在于，还包括：
一滤波器，用于滤除与所述低电压差分信号工作频率不同的放大后的电压信号；
一偏置电路，为所述电平转移电路以及放大模块提供偏置电压。
3.根据权利要求2所述的开关功率放大器，其特征在于，所述电平转移电路和放大模块均包含氮化镓功率管。
4.根据权利要求3所述的开关功率放大器，其特征在于，所述功率放大电路包括两个支路，上支路与偏置电压相连，下支路接地，所述电压选通指选通氮化镓功率管能导通的上支路或者下支路，并输出选通的上支路或者下支路的电压。
5.根据权利要求1所述的开关功率放大器，其特征在于，所述电平转移电路包括肖特基二极管，用于对所述低电压差分信号的两路信号进行降压，从而得到所述负值电压信号。
6.根据权利要求3所述的开关功率放大器，其特征在于，所述电平放大电路包括电阻，该电阻与氮化镓晶体管对偏置电压进行分压，输出放大后的电平信号，从而放大所述降压负值电压信号。
7.根据权利要求1所述的开关功率放大器，其特征在于，所述差分对电路中的两个电阻的电阻值不同，从而实现对所述放大负值电压信号进行不同程度的二次放大，以得到一对大小不同的差分电压。
8.根据权利要求1所述的开关功率放大器，其特征在于，所述功率放大电路为D类功率放大结构。
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