CN108683411B - 一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续f类功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器，包括输入基波匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、高效连续F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络以及漏极供电偏置网络。本发明采用基于自偏结构的三堆叠晶体管结构，并结合了高效连续F类输出匹配网络，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力，并具有良好的输入输出匹配，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电路。

Description

一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器
技术领域
本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器的设计。
背景技术
随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向超宽带、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在超宽带、高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的带宽一直是电路实现的技术瓶颈。
常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，但是，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，主要体现在：传统AB类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；C类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；开关型D类、E类、F类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术以及高效率连续F类匹配技术，实现超宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。
本发明的技术方案为：一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器，包括输入基波匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、高效连续F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络以及漏极供电偏置网络；输入基波匹配网络的输入端为整个高效率连续F类功率放大器的输入端，其输出端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；高效连续F类输出匹配网络的输出端为整个高效率连续F类功率放大器的输出端，其输入端与三堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；三堆叠自偏置功率放大网络的输入端还与栅极供电偏置网络连接，漏极供电偏置网络分别与三堆叠自偏置功率放大网络以及高效连续F类输出匹配网络连接。
本发明的有益效果是：本发明采用基于自偏结构的三堆叠晶体管结构，并结合了高效连续F类输出匹配网络，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力，并具有良好的输入输出匹配，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电路。
进一步地，输入基波匹配网络包括微带线TL1，微带线TL1的一端为输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与电容C1的一端以及开路微带线TL2连接，电容C1的另一端为输入基波匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入基波匹配网络能够实现对射频输入的基波信号进行阻抗匹配，其中微带线TL1和开路微带线TL2组成的L型匹配枝节能够有效强化对信号的阻抗匹配作用。
进一步地，三堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3、中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端为三堆叠自偏置功率放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及第一栅极补偿电路连接，电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C4；顶层晶体管Md3的漏极为三堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接，电阻R6的另一端分别与电阻R4的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接，第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R1和补偿接地电容C5；底层晶体管Md1的漏极和中间层晶体管Md2的源极之间通过微带线TL5连接，中间层晶体管Md2的漏极和顶层晶体管Md3的源极之间通过微带线TL6连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用三堆叠自偏置放大网络，相较于传统高效率开关功率放大器往往采用单一晶体管，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低，本发明采用的三堆叠自偏置放大网络可以帮助现有高效率开关功率放大器提升功率容量和功率增益，并且本发明采用的三堆叠自偏置放大网络加入了自偏置结构，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。
进一步地，栅极供电偏置网络包括微带线TL3，微带线TL3的一端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C2、接地电容C3以及低压偏置电源VG连接。
上述进一步方案的有益效果是：栅极供电偏置网络能够对三堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md1起到良好的栅极供电及偏置作用。
进一步地，高效连续F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL7、电容C8、微带线TL8、微带线TL15和微带线TL16，微带线TL7未连接电容C8的一端为高效连续F类输出匹配网络的输入端，微带线TL16未连接微带线TL15的一端为高效连续F类输出匹配网络的输出端；微带线TL7和电容C8的连接节点还与漏极供电偏置网络连接，电容C8和微带线TL8的连接节点上还连接有接地电容C9，微带线TL8和微带线TL15的连接节点上还连接有接地微带线TL9、接地微带线TL10、接地微带线TL11、接地微带线TL12、接地微带线TL13和接地微带线TL14，微带线TL15和微带线TL16的连接节点上还连接有接地电容C10。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的输出匹配网络采用连续F类匹配架构，相较于现有的开关功率放大器的输出网络往往是针对窄带的输出阻抗进行独立控制的，本发明所提出的连续F类架构可以使得电路可以具有类似于F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标。
进一步地，漏极供电偏置网络包括微带线TL17，微带线TL17的一端与微带线TL7和电容C8的连接节点连接，其另一端分别与接地电容C6、接地电容C7、电阻R7以及高压偏置电源VD连接。
上述进一步方案的有益效果是：漏极供电偏置网络能够对三堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md3起到良好的漏极供电及偏置作用。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器，如图1所示，包括输入基波匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、高效连续F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络以及漏极供电偏置网络；输入基波匹配网络的输入端为整个高效率连续F类功率放大器的输入端，其输出端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；高效连续F类输出匹配网络的输出端为整个高效率连续F类功率放大器的输出端，其输入端与三堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；三堆叠自偏置功率放大网络的输入端还与栅极供电偏置网络连接，漏极供电偏置网络分别与三堆叠自偏置功率放大网络以及高效连续F类输出匹配网络连接。
如图2所示，输入基波匹配网络包括微带线TL1，微带线TL1的一端为输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与电容C1的一端以及开路微带线TL2连接，电容C1的另一端为输入基波匹配网络的输出端。
三堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3、中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端为三堆叠自偏置功率放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及第一栅极补偿电路连接，电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C4；顶层晶体管Md3的漏极为三堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接，电阻R6的另一端分别与电阻R4的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接，第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R1和补偿接地电容C5；底层晶体管Md1的漏极和中间层晶体管Md2的源极之间通过微带线TL5连接，中间层晶体管Md2的漏极和顶层晶体管Md3的源极之间通过微带线TL6连接。
栅极供电偏置网络包括微带线TL3，微带线TL3的一端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C2、接地电容C3以及低压偏置电源VG连接。
高效连续F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL7、电容C8、微带线TL8、微带线TL15和微带线TL16，微带线TL7未连接电容C8的一端为高效连续F类输出匹配网络的输入端，微带线TL16未连接微带线TL15的一端为高效连续F类输出匹配网络的输出端；微带线TL7和电容C8的连接节点还与漏极供电偏置网络连接，电容C8和微带线TL8的连接节点上还连接有接地电容C9，微带线TL8和微带线TL15的连接节点上还连接有接地微带线TL9、接地微带线TL10、接地微带线TL11、接地微带线TL12、接地微带线TL13和接地微带线TL14，微带线TL15和微带线TL16的连接节点上还连接有接地电容C10。
漏极供电偏置网络包括微带线TL17，微带线TL17的一端与微带线TL7和电容C8的连接节点连接，其另一端分别与接地电容C6、接地电容C7、电阻R7以及高压偏置电源VD连接。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入基波信号通过输入端IN进入高效率连续F类功率放大器的输入基波匹配网络，经输入基波匹配网络进行阻抗匹配后进入三堆叠自偏置功率放大网络。
三堆叠自偏置功率放大网络采用了按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构对输入信号进行放大，能够有效提升高效率连续F类功率放大器的功率容量和功率增益。同时在三堆叠自偏置功率放大网络中，由电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7共同构成了自偏置结构，因此三堆叠自偏置功率放大网络不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。
经三堆叠自偏置功率放大网络放大后的信号进入高效连续F类输出匹配网络进行阻抗匹配后，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。高效连续F类输出匹配网络中，由接地微带线TL9、接地微带线TL10、接地微带线TL11、接地微带线TL12、接地微带线TL13和接地微带线TL14共同构成了连续F类架构，可以使得电路可以具有类似于F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标。
此外，栅极供电偏置网络能够对三堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md1起到良好的栅极供电及偏置作用；漏极供电偏置网络能够对三堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md3起到良好的漏极供电及偏置作用。
本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于晶体管堆叠技术的高效率连续F类功率放大器，其特征在于，包括输入基波匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、高效连续F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络以及漏极供电偏置网络；
所述输入基波匹配网络的输入端为整个所述高效率连续F类功率放大器的输入端，其输出端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；
所述高效连续F类输出匹配网络的输出端为整个所述高效率连续F类功率放大器的输出端，其输入端与三堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；
所述三堆叠自偏置功率放大网络的输入端还与栅极供电偏置网络连接，所述漏极供电偏置网络分别与三堆叠自偏置功率放大网络以及高效连续F类输出匹配网络连接；
所述三堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3、中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；
所述底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL4的一端连接，所述微带线TL4的另一端为三堆叠自偏置功率放大网络的输入端；
所述中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及第一栅极补偿电路连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，所述第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C4；
所述顶层晶体管Md3的漏极为三堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接，所述电阻R6的另一端分别与电阻R4的另一端以及电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接，所述第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R1和补偿接地电容C5；
所述底层晶体管Md1的漏极和中间层晶体管Md2的源极之间通过微带线TL5连接，所述中间层晶体管Md2的漏极和顶层晶体管Md3的源极之间通过微带线TL6连接；
所述高效连续F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL7、电容C8、微带线TL8、微带线TL15和微带线TL16，所述微带线TL7未连接电容C8的一端为高效连续F类输出匹配网络的输入端，所述微带线TL16未连接微带线TL15的一端为高效连续F类输出匹配网络的输出端；
所述微带线TL7和电容C8的连接节点还与漏极供电偏置网络连接，所述电容C8和微带线TL8的连接节点上还连接有接地电容C9，所述微带线TL8和微带线TL15的连接节点上还连接有接地微带线TL9、接地微带线TL10、接地微带线TL11、接地微带线TL12、接地微带线TL13和接地微带线TL14，所述微带线TL15和微带线TL16的连接节点上还连接有接地电容C10。
2.根据权利要求1所述的高效率连续F类功率放大器，其特征在于，所述输入基波匹配网络包括微带线TL1，所述微带线TL1的一端为输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与电容C1的一端以及开路微带线TL2连接，所述电容C1的另一端为输入基波匹配网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的高效率连续F类功率放大器，其特征在于，所述栅极供电偏置网络包括微带线TL3，所述微带线TL3的一端与三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C2、接地电容C3以及低压偏置电源VG连接。
4.根据权利要求1所述的高效率连续F类功率放大器，其特征在于，所述漏极供电偏置网络包括微带线TL17，所述微带线TL17的一端与微带线TL7和电容C8的连接节点连接，其另一端分别与接地电容C6、接地电容C7、电阻R7以及高压偏置电源VD连接。
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