CN107872202A - 一种宽频单片集成式功率放大电路 - Google Patents

一种宽频单片集成式功率放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽频单片集成式功率放大电路,其包括依次串联的输入缓冲级、电压放大级、线性跨导驱动级、输出级，输入缓冲级连接输入电压信号，进行高阻缓冲和偏置处理把输入电压信号转换成电流信号；电压放大级对输入缓冲级发来的电流信号进行放大成为电压信号；线性跨导驱动级采用AB类电流缺失型跨导驱动电路，对电压放大级送来的电压信号进行高线性驱动；输出级连接线性跨导驱动级控制向负载输出放大信号；本放大器采用的是CMOS工艺，具有更低的动态功耗;解决传统BCD工艺AB类功率放大器SR不足的缺点，拥有很低的TIM瞬态互调失真，以及谐波失真；本身有很低的高次谐波,能满足10K‑10M Hz以内所有电力线载波系统的功率谱需求。

Description

一种宽频单片集成式功率放大电路
技术领域
本发明涉及本专利涉及一种功率放大电路,具体涉及用于电力线载波通信系统的宽频单片集成功率放大电路。
背景技术
电力载波通讯（英文Power line Communication），简称PLC。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。功率放大器是电力载波通讯中的重要器件，其基本功能是放大信号提供功率输出，因此要求功率放大器在带有一定的容性和阻性负载下也能输出足够的功率，同时要减小对自己工作频带以外的频段造成的干扰。传统的放大器一般采用电流负反馈，大多数用BJT工艺。具有SR不足、TIM瞬态互调失真较高、谐波失真等缺陷。因此设计一种带负载能力强，拥有很低的TIM 瞬态互调失真、谐波失真小的电力载波功率放大电路是业内亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种用于电力线载波通信系统的宽频单片集成功率放大电路。
本发明采用的技术方案是一种宽频单片集成式功率放大电路,其包括依次串联的输入缓冲级、电压放大级、线性跨导驱动级、输出级，其中所述输入缓冲级连接输入电压信号，进行高阻缓冲和偏置处理把输入电压信号转换成电流信号；所述电压放大级对输入缓冲级发来的电流信号进行放大成为电压信号；所述线性跨导驱动级采用AB类电流缺失型跨导驱动电路，对电压放大级送来的电压信号进行高线性驱动；所述输出级受所述线性跨导驱动级驱动向负载输出放大过后的功率信号。
所述输入缓冲级包括第零、第一、第二、第三、第四、第六MOS管，第四十二、第三十九恒流源，其中第一、第三、第四MOS管采用P沟道MOS管，第零、第二、第六MOS管采用N沟道MOS管；所述第零和第一MOS管的栅极连接所述输入电压信号，所述第零MOS管的漏极接电源正极、其源极接第三MOS管的栅极和第三十九恒流源的一端，第三十九恒流源的另一端接地，第一MOS管的漏极接地、其源极接第二MOS管的栅极和第四十二恒流源的一端，第三十九恒流源的另一端接电源正极，所述第二MOS管的源极接第三MOS管的源极、其漏极接第四MOS管的漏极和栅极，第四MOS管的源极接电源正极，所述第三MOS管的漏极接第六MOS管的漏极和栅极，第六MOS管的源极接地；所述第四MOS管和第六MOS管的漏极向所述电压放大级输出所述电流信号。
所述电压放大级包括第五和第七MOS管，其中第五MOS管采用P沟道MOS管、其栅极接所述第四MOS管的漏极、其源极接电源正极；第七MOS管采用N沟道MOS管、其栅极接所述第六MOS管的漏极、其源极接地；第五MOS管和第七MOS管的漏极相连发出所述电压信号。
所述线性跨导驱动级包括第八至第十九MOS管、第二十二、第二十三MOS管，其中所述第八MOS管的栅极接所述第四MOS管的漏极、其源极接电源正极（vdd）、其漏极接第九MOS管的漏极，所述第十一MOS管的栅极接所述第六MOS管的漏极、其源极接地、其漏极接第十二MOS管的漏极，所述第十二MOS管的源极接电源正极，第十二MOS管的栅极接其自身的漏极、第十三和第十五MOS管的栅极，所述第九MOS管的源极接地，第九MOS管的栅极接其自身的漏极、第十和第十四MOS管的栅极，所述第十三MOS管的源极接电源正极，第十三MOS管的漏极接第十四和第十六MOS管的漏极、以及第十六和第十七MOS管的栅极，所述第十四MOS管、第十六MOS管和第十七MOS管的源极接地，所述第十MOS管的源极接地，第十三MOS管的漏极接第十五和第十八MOS管的漏极、以及第十八和第十九MOS管的栅极，所述第十五MOS管、第十八MOS管和第十九MOS管的源极接电源正极，第十九MOS管的漏极接第二十三MOS管的源极，第二十三MOS管的栅极接所述第五MOS管的漏极和第二十二MOS管的栅极，第二十三MOS管的漏极接地，第十七MOS管的漏极接第二十二MOS管的源极，第二十二MOS管漏极接电源正极，所述第二十三和第二十二MOS管的源极连接所述输出级。
所述输出级包括第二十四和第二十五MOS管、第四十八和第四十七恒流源，其中所述第二十四MOS管采用N沟道MOS管、其漏极连接电源正极、其栅极连接所述第二十三MOS管的源极，所述第四十八恒流源串接在电源正极与第二十四MOS管栅极之间；所述第二十五MOS管采用P沟道MOS管、其漏极接地、其栅极连接所述第二十二MOS管的源极，所述第四十七恒流源串接在二十五MOS管栅极与地之间；所述第二十四MOS管与第二十五MOS管的源极相接向负载输出所述放大信号。
本放大器采用的是CMOS工艺，具有更低的动态功耗;同时针对OFDM进行优化，独创的使用高线性AB类电流缺失型线性跨导驱动级，解决传统AB类功率放大器SR不足的缺点，拥有很低的TIM 瞬态互调失真，以及谐波失真；并且根据电力系统的特殊性，优化带电容负载能力，就有更高的稳定性；能满足载波系统对发送功率需求，也能满足其带外骚扰的限制；在输出功率的同时，本身有很低的高次谐波；能满足10K-10M Hz以内所有电力线窄波系统的功率谱需求。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是较佳实施例电路原理框图；
图2是较佳实施例的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明揭示了一种宽频单片集成式功率放大电路,参看图1示出的原理框图，其包括依次串联的输入缓冲级、电压放大级、线性跨导驱动级、输出级。所述输入缓冲级连接输入电压信号，对输入电压信号进行高阻缓冲和偏置处理把输入电压信号转换成电流信号；所述电压放大级对输入缓冲级发来的电流信号进行放大成为电压信号；所述线性跨导驱动级采用AB类电流缺失型跨导驱动电路，对电压放大级送来的电压信号进行缓冲；所述输出级受所述线性跨导驱动级驱动向负载输出放大过后的功率信号。
参看图2示出的较佳实施例的电路图，所述输入缓冲级包括第零、第一、第二、第三、第四、第六MOS管，第四十二、第三十九恒流源，其中第一、第三、第四MOS管采用P沟道MOS管，第零、第二、第六MOS管采用N沟道MOS管；所述第零和第一MOS管的栅极连接所述输入电压信号，所述第零MOS管M0的漏极接电源正极vdd、其源极接第三MOS管M3的栅极和第三十九恒流源I39的一端，第三十九恒流源的另一端接地，第一MOS管M1的漏极接地、其源极接第二MOS管M2的栅极和第四十二恒流源I42的一端，第三十九恒流源的另一端接电源正极，所述第二MOS管的源极接第三MOS管的源极、其漏极接第四MOS管的漏极和栅极，第四MOS管M4的源极接电源正极，所述第三MOS管的漏极接第六MOS管的漏极和栅极，第六MOS管M6的源极接地；所述第四MOS管和第六MOS管的漏极向所述电压放大级输出所述电流信号。
所述电压放大级包括第五和第七MOS管，其中第五MOS管M5采用P沟道MOS管、其栅极接所述第四MOS管M4的漏极、其源极接电源正极vdd；第七MOS管M7采用N沟道MOS管、其栅极接所述第六MOS管M6的漏极、其源极接地；第五MOS管和第七MOS管的漏极相连发出所述电压信号。
所述线性跨导驱动级包括第八至第十九MOS管、第二十二、第二十三MOS管，其中所述第八MOS管M8的栅极接所述第四MOS管的漏极、其源极接电源正极vdd、其漏极接第九MOS管M9的漏极，所述第十一MOS管M11的栅极接所述第六MOS管的漏极、其源极接地、其漏极接第十二MOS管M12的漏极，所述第十二MOS管的源极接电源正极，第十二MOS管的栅极接其自身的漏极、第十三和第十五MOS管的栅极，所述第九MOS管的源极接地，第九MOS管的栅极接其自身的漏极、第十和第十四MOS管的栅极，所述第十三MOS管M13的源极接电源正极，第十三MOS管的漏极接第十四和第十六MOS管的漏极、以及第十六和第十七MOS管的栅极，所述第十四MOS管M14、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17的源极接地，所述第十MOS管M10的源极接地，第十三MOS管的漏极接第十五和第十八MOS管的漏极、以及第十八和第十九MOS管的栅极，所述第十五MOS管M15、第十八MOS管M18和第十九MOS管M19的源极接电源正极，第十九MOS管的漏极接第二十三MOS管的源极，第二十三MOS管M23的栅极接所述第五MOS管M5的漏极和第二十二MOS管的栅极，第二十三MOS管的漏极接地，第十七MOS管的漏极接第二十二MOS管的源极，第二十二MOS管M22漏极接电源正极，所述第二十三和第二十二MOS管的源极连接所述输出级。
所述输出级包括第二十四和第二十五MOS管、第四十八和第四十七恒流源I48、I47，其中所述第二十四MOS管M24采用N沟道MOS管、其漏极连接电源正极、其栅极连接所述第二十三MOS管M23的源极，所述第四十八恒流源I48串接在电源正极与第二十四MOS管栅极之间；所述第二十五MOS管M25采用P沟道MOS管、其漏极接地、其栅极连接所述第二十二MOS管M22的源极，所述第四十七恒流源I47串接在二十五MOS管栅极与地之间；所述第二十四MOS管与第二十五MOS管的源极相接向负载输出所述放大信号。
下面结合图2详述本发明的工作原理：输入信号为电压信号由左侧的VIN端输入，加在M1和M0的栅极上，M1和M0对电压信号起到高阻缓冲作用，第四十二恒流源I42和第三十九恒流源I39为M1和M0提供的偏置电流源，把电压信号转换成电流信号。在电压放大级中的M5和M7将输入缓冲级发来的电流信号放大成电压信号。该电压信号加到线性跨导驱动级的M23和M22的栅极上，M23和M22的源极分别连接输出级中的功率管M24和M25的栅极、对M24和M25进行驱动，I47和I48 为静态恒流源为M23和M22 提供偏置电流使其工作时不会关断，减少交越失真，M24和M25的源极连接负载，向负载提供放大的载波信号。线性跨导驱动级中的M23和M22静态电流镜像与输入缓冲级中M4，M6的电流。同时M15和M18构成动态电流缺失电流镜。线性跨导驱动级采用高线性AB类电流缺失型跨导驱动结构，工作在AB 类状态。由于M4和M6 是在大环反馈环内，驱动级在AB类同时具有很高的线性度和工作带宽。I47和I48为静态恒流源为M23和M22 提供偏置电流使其工作时不会关断，减少交越失真。M14和M16构成的电流缺失电流镜，静态的时候M14上流过部分电流，让M16上的电流减少，M17和M16电流成比例，因此M17电流也减少，M22跨导也减小，所以流过功率管M25的电流也减小。当信号处于负半周时，M17的D 端需要向下吸取电流，这时候M16的电流通过M13镜像M12镜像与M6,M6在输入信号处于负半周期的时候刚好是属于电流增加状态。同理M14 电流与M4 同极性，属于电流减少状态，M13电流增加，M14电流减小，M16电流则成更高倍率增加，从而实现高倍率的电流增加。并且由于环路特性，整个驱动级除了输出端功率管是大容性负载，其它节点均没有低频极点，因此具有很宽的响应带宽，能工作到很高的频率，驱动级同时也包含在大环电流反馈环路内，因此也具有很高线性度。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (5)

1.一种宽频单片集成式功率放大电路,其特征在于：包括依次串联的输入缓冲级、电压放大级、线性跨导驱动级、输出级，其中
所述输入缓冲级连接输入电压信号，进行高阻缓冲和偏置处理把输入电压信号转换成电流信号；
所述电压放大级对输入缓冲级发来的电流信号进行放大成为电压信号；
所述线性跨导驱动级采用AB类电流缺失型跨导驱动电路，对电压放大级送来的电压信号进行高线性驱动；
所述输出级受所述线性跨导驱动级驱动向负载输出放大过后的功率信号。
2.如权利要求1所述的宽频单片集成式功率放大电路,其特征在于：所述输入缓冲级包括第零、第一、第二、第三、第四、第六MOS管，第四十二、第三十九恒流源，其中第一、第三、第四MOS管采用P沟道MOS管，第零、第二、第六MOS管采用N沟道MOS管；
所述第零和第一MOS管的栅极连接所述输入电压信号，所述第零MOS管（M0）的漏极接电源正极（vdd）、其源极接第三MOS管（M3）的栅极和第三十九恒流源（I39）的一端，第三十九恒流源的另一端接地，第一MOS管（M1）的漏极接地、其源极接第二MOS管（M2）的栅极和第四十二恒流源（I42）的一端，第三十九恒流源的另一端接电源正极，所述第二MOS管的源极接第三MOS管的源极、其漏极接第四MOS管的漏极和栅极，第四MOS管（M4）的源极接电源正极，所述第三MOS管的漏极接第六MOS管的漏极和栅极，第六MOS管（M6）的源极接地；所述第四MOS管和第六MOS管的漏极向所述电压放大级输出所述电流信号。
3.如权利要求2所述的宽频单片集成式功率放大电路,其特征在于：所述电压放大级包括第五和第七MOS管，其中第五MOS管（M5）采用P沟道MOS管、其栅极接所述第四MOS管（M4）的漏极、其源极接电源正极（vdd）；第七MOS管（M7）采用N沟道MOS管、其栅极接所述第六MOS管（M6）的漏极、其源极接地；第五MOS管和第七MOS管的漏极相连发出所述电压信号。
4.如权利要求3所述的宽频单片集成式功率放大电路,其特征在于：所述线性跨导驱动级包括第八至第十九MOS管、第二十二、第二十三MOS管，其中所述第八、第十二、第十三、第十五、第十八、第十九、第二十三MOS管采用P沟道MOS管，所述第十一、第九、第十、第十四、第十六、第十七、第二十二MOS管采用N沟道MOS管；
所述第八MOS管（M8）的栅极接所述第四MOS管的漏极、其源极接电源正极（vdd）、其漏极接第九MOS管（M9）的漏极，所述第十一MOS管（M11）的栅极接所述第六MOS管的漏极、其源极接地、其漏极接第十二MOS管（M12）的漏极，所述第十二MOS管的源极接电源正极，第十二MOS管的栅极接其自身的漏极、第十三和第十五MOS管的栅极，所述第九MOS管的源极接地，第九MOS管的栅极接其自身的漏极、第十和第十四MOS管的栅极，所述第十三MOS管（M13）的源极接电源正极，第十三MOS管的漏极接第十四和第十六MOS管的漏极、以及第十六和第十七MOS管的栅极，所述第十四MOS管（M14）、第十六MOS管（M16）和第十七MOS管（M17）的源极接地，所述第十MOS管（M10）的源极接地，第十三MOS管的漏极接第十五和第十八MOS管的漏极、以及第十八和第十九MOS管的栅极，所述第十五MOS管（M15）、第十八MOS管（M18）和第十九MOS管（M19）的源极接电源正极，第十九MOS管的漏极接第二十三MOS管的源极，第二十三MOS管（M23）的栅极接所述第五MOS管（M5）的漏极和第二十二MOS管的栅极，第二十三MOS管的漏极接地，第十七MOS管的漏极接第二十二MOS管的源极，第二十二MOS管（M22）漏极接电源正极，所述第二十三和第二十二MOS管的源极连接所述输出级。
5.如权利要求4所述的宽频单片集成式功率放大电路,其特征在于：所述输出级包括第二十四和第二十五MOS管、第四十八和第四十七恒流源（I48、I47），其中
所述第二十四MOS管（M24）采用N沟道MOS管、其漏极连接电源正极、其栅极连接所述第二十三MOS管（M23）的源极，所述第四十八恒流源（I48）串接在电源正极与第二十四MOS管栅极之间；
所述第二十五MOS管（M25）采用P沟道MOS管、其漏极接地、其栅极连接所述第二十二MOS管（M22）的源极，所述第四十七恒流源（I47）串接在二十五MOS管栅极与地之间；所述第二十四MOS管与第二十五MOS管的源极相接向负载输出所述放大信号。
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