CN109067372A - 一种高输出功率宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种高输出功率宽带功率放大器，设有输入匹配单元、放大单元、输出匹配单元以及滤波单元。输入匹配单元采用6阶LC阻抗匹配，将50欧姆源阻抗变换到放大单元输入阻抗共轭，放大单元采用级间中和电感改善电路带宽，输出匹配单元通过开关切换实现双频带功率提升，滤波单元使用谐振在工作频段内的去耦电容消除焊盘寄生参数对电路的影响。

Description

一种高输出功率宽带功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大器,尤其涉及一种高输出功率宽带功率放大器，属于射频技术领域。

背景技术

功率放大器是具有高输出功率的放大器，一般用作各类无线电发射机的末级放大电路，对于几乎所有的射频发射机系统，必不可少的一个模块就是功率放大器。由于功放之前的发射机电路输出功率较低，因此希望功率放大器有足够的功率增益避免线性度受到前级电路的影响，并在此基础上进一步提高输出功率。

堆叠结构放大器广泛应用于功率放大器的设计中，主要原因是具有较高的电压摆幅，可有效提高输出功率，传统的堆叠结构放大器电路如图1所示，射频信号经过输入匹配网络后由晶体管T1的基极输入，通过调整堆叠晶体管的层数可有效提高电压摆幅。通过调整晶体管T1基极偏压可以改变功放的导通角和增益。通过调整晶体管T2、T3、T4的宽度来改变功放有源区的输出阻抗。通过电容C3、C4和电感L3构成的输出阻抗匹配网络以增强功放的输出功率。该结构具有高输出功率和高增益的特点。但是，传统的共栅结构放大器有以下缺点：

第一是带宽窄，传统的功率放大器的输入输出匹配网络均为窄带匹配，可实现某一频点的功率增强和阻抗匹配，但其增益和输出功率性能会随着频率偏移匹配点而急剧恶化。堆叠结构本身输出阻抗随频率急剧降低，使得电路带宽较窄。

第二是高频增益低，传统的堆叠结构功率放大器的增益很大程度上取决于电路输出阻抗大小，而堆叠结构本身输出阻抗随频率急剧降低，同时晶体管发射极和集电极到底寄生电容会分流射频信号到地，使得电路高频增益下降明显。

第三是高频隔离度差，由于传统的堆叠结构功率放大器中存在NPN晶体管集电极到发射极寄生电容，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服传统的堆叠结构功率放大器的不足，提供一种高增益宽带功率放大器，可采用SiGe BiCMOS工艺以及其它硅基工艺或三五族工艺制成芯片，能在保证输出功率特性基础上，尽可能提高电路功率增益带宽并保证隔离度满足设计，在射频电路中具有较大优势，设计结构简单，保证宽带输出功率的同时，具有较大的增益带宽与输入匹配带宽。

本发明采取的技术方案如下：一种高输出功率宽带功率放大器，包括输入匹配单元、放大单元、输出匹配单元和滤波单元，输入匹配单元将欧姆源阻抗变换到放大单元需要的输入阻抗上，滤波单元对电源端进行滤波，提供放大单元的偏置，放大单元采用堆叠结构将信号进行放大，经输出匹配单元阻抗匹配后输出；输入匹配单元的输入端连接射频输入信号RFin，输入匹配单元的输出和滤波单元的输出分别连接放大单元的输入端，放大单元的输出连接输出匹配单元的输入端，输出匹配单元输出放大后的射频信号RFout；

其特征在于：输出匹配单元包括电容C12、电感L10、NMOS管M1和电阻R5，电容C12的一端作为输出匹配单元的输入端连接放大单元的输出端，电容C12的另一端连接电感L10的一端并作为输出匹配单元的输出端输出放大后的射频信号RFout，电感L10的另一端接地，电感L10的滑动抽头连接NMOS管M1的漏极，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接控制信号Vctrl，当控制信号Vctrl为低电平时，NMOS管M1关断，使电感L10的滑动抽头接高阻，电感L10的等效到地电感量与电感L10本身电感值相同，输出匹配单元的匹配频段处于低频段，满足低频段功率增强的需求；当控制信号Vctrl为高电平时，NMOS管M1导通，使电感L10的滑动抽头接地，电感L10的等效到地电感量减小，输出匹配单元的匹配频段向高频段偏移，满足高频段功率增强的需求，通过控制信号Vctrl能够改变输出匹配单元的输出阻抗，实现不同频率的宽带功率增强。

所述输入匹配单元采用6阶LC阻抗匹配网络，包括电感L3、L4和电容C9、C10、C11，射频输入信号RFin连接电感L3的一端和电容C9的一端，电容C9的另一端连接电感L4的一端和电容C10的一端，电感L3的另一端和电容C10的另一端接地，电感L4的另一端连接电容C11的一端，电容C11的另一端作为输入匹配单元的输出端连接放大单元。

所述放大单元采用级间中和电感改善电路带宽，包括电感L5、L6、L7、L8和NPN晶体管T5、T6、T7、T8，NPN晶体管T5的基极连接输入匹配单元的输出端，NPN晶体管T5的发射极接地，晶体管T5的集电极连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接NPN晶体管T6的发射极，NPN晶体管T6的集电极连接电感L6的一端，电感L6的另一端连接NPN晶体管T7的发射极，NPN晶体管T7的集电极连接电感L7的一端，电感L7的另一端连接NPN晶体管T8的发射极，NPN晶体管T8的集电极连接电感L8的一端并作为放大单元的输出端与输出匹配单元的输入端连接，电感L8的另一端连接电源VDD。

所述滤波单元使用谐振在工作频段内的去耦电容消除寄生参数的影响，滤波单元包括五组，第一组的输出连接放大单元中NPN晶体管T5的基极，包括电容C13、C14、C15、C16，电感L9和电阻R1，偏置输入Vb1连接电容C16的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电容C13的一端、电容C14的一端及电容C15的一端并通过电感L9连接输入匹配单元的输出端和放大单元中NPN晶体管T5的基极，电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C15的另一端以及电容C16的另一端均接地；第二组的输出连接放大单元中NPN晶体管T6的基极，包括电容C17、C18、C19、C20和和电阻R2，偏置输入Vb2连接电容C20的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端及电容C19的一端和放大单元中NPN晶体管T6的基极，电容C17的另一端、电容C18的另一端、电容C19的另一端以及电容C20的另一端均接地；第三组的输出连接放大单元中NPN晶体管T7的基极，包括电容C21、C22、C23、C24和和电阻R3，偏置输入Vb3连接电容C24的一端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C21的一端、电容C22的一端及电容C23的一端和放大单元中NPN晶体管T7的基极，电容C21的另一端、电容C22的另一端、电容C23的另一端以及电容C24的另一端均接地；第四组的输出连接放大单元中NPN晶体管T8的基极，包括电容C25、C26、C27、C28和和电阻R4，偏置输入Vb4连接电容C28的一端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C25的一端、电容C26的一端及电容C27的一端和放大单元中NPN晶体管T8的基极，电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端以及电容C28的另一端均接地；第五组包括电容C29、C30与C31并联构成，并联后的一端连接放大单元中电感L8与电源VDD的连接端，并联后的另一端接地。

上述输入匹配单元、放大单元、输出匹配单元和滤波单元可全部集成在芯片内，可采用SiGe BiCMOS工艺以及其它硅基工艺或三五族工艺制成。

本发明的优点及显著效果：

(1)高带宽。本发明使用6阶宽带输入阻抗匹配网络确保宽带匹配，放大电路使用级间中和电感缓解晶体管发射极和集电极到地寄生电容的影响，提高了电路增益带宽，输出阻抗匹配网络使用开关控制网络中的电感感值实现针对两个频段的负载牵引，实现宽带功率增强。

(2)高增益。本发明使用的级间中和电感缓解了晶体管发射极和集电极到地寄生电容的影响，提高电路高频增益。输出负载牵引网络可通过开关切换，实现不同频点的匹配，减少了电路损耗，提高放大器增益。

(3)高隔离度。本发明在放大电路中使用级间中和电感，可以抵消晶体管集电极到发射极电容，提高了输出到输入的隔离度，确保电路增益。

附图说明

图1是传统堆叠结构功率放大器的电路原理图；

图2是本发明功率放大器的电路方框图；

图3是本发明功率放大器的电路原理图；

图4是相同功耗下本发明与传统堆叠结构功率放大器的电压增益曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统堆叠结构功率放大器的输出功率曲线比较。

具体实施方式

参看图1，传统堆叠结构功率放大器中，电容C1、C2、电感L1和电阻R0构成输入匹配单元，三极管T1、T2、T3、T4和电感L2构成放大单元，电容C3、C4、电感L3构成输出匹配单元，电容C5、C6、C7、C8构成滤波单元。

参看图2，本发明与现有技术一样，设有输入匹配单元1、放大单元2、输出匹配单元3以及滤波单元4。输入匹配单元1将欧姆源阻抗变换到放大单元2需要的输入阻抗上，滤波单元4对电源端进行滤波，提供放大单元2的偏置，放大单元2采用堆叠结构将信号进行放大，经输出匹配单元3阻抗匹配后输出放大的电压信号。

参看图3，输入匹配单元1采用6阶LC阻抗匹配，将50欧姆源阻抗变换到放大单元需要的输入阻抗上，同时带通结构可以抑制带外增益，保证电路带外稳定性。设有电感L3、L4和电容C9、C10、C11，射频输入信号RFin连接电感L3的一端和电容C9的一端，电容C9的另一端连接电感L4的一端和电容C10的一端，电感L3的另一端和电容C10的另一端接地，电感L4的另一端连接电容C11的一端，电容C11的另一端作为输入匹配单元的输出端连接放大单元中晶体管T5基极。

放大单元2采用级间中和电感改善电路带宽。设有电感L5、L6、L7、L8和NPN晶体管T5、T6、T7、T8，NPN晶体管T5的发射极接地，集电极与电感L5连接，电感L5的另一端连接NPN晶体管T6的发射极，NPN晶体管T6的集电极与电感L6连接，电感L6的另一端连接NPN晶体管T7的发射极，NPN晶体管T7的集电极与电感L7连接，电感L7的另一端连接NPN晶体管T8的发射极，NPN晶体管T8的集电极连接电感L8，电感L8的另一端连接电源VDD。本发明在堆叠的晶体管T5～T8之间插入级间中和电感，即L5、L6、L7，这些电感可以避免上层NPN晶体管发射极和下层NPN晶体管集电极的到地寄生电容直接并联，缓解了到地电容分流射频信号，提高了电路的高频增益并拓展电路带宽。

输出匹配单元3通过开关切换负载牵引网络实现宽带功率增强。设有电容C12、电感L10、NMOS管M1和电阻R5，电容C12一端连接NPN晶体管T8的集电极，另一端连接电感L10并连接射频输出RFout信号，电感L10的另一端接地，电感L10的抽头连接NMOS管M1的漏极，NMOS管M1的源极接地，栅极接电阻R5，电阻R5的另一端接控制信号引脚Vctrl。这种连接方法可实现通过开关M1控制电感L10抽头是否接地来改变输出阻抗匹配网络，实现不同频率的功率增强。当控制信号Vctrl为低电平时，NMOS管M1关断，使电感L10的滑动抽头接高阻，电感L10的等效到地电感量与电感L10本身电感值相同，输出匹配单元的匹配频段处于低频段，满足低频段功率增强的需求；当控制信号Vctrl为高电平时，NMOS管M1导通，使电感L10的滑动抽头接地，电感L10的等效到地电感量减小，输出匹配单元的匹配频段向高频段偏移，满足高频段功率增强的需求，因此，通过控制信号Vctrl可以改变输出匹配单元的输出阻抗，实现不同频率的宽带功率增强。

滤波单元4使用谐振在工作频段的电容消除片外寄生参数对电路的影响。包括五组，第一组的输出连接放大单元中NPN晶体管T5的基极，包括电容C13、C14、C15、C16，电感L9和电阻R1，偏置输入Vb1连接电容C16的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电容C13的一端、电容C14的一端及电容C15的一端并通过电感L9连接输入匹配单元的输出端和放大单元中NPN晶体管T5的基极，电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C15的另一端以及电容C16的另一端均接地；第二组的输出连接放大单元中NPN晶体管T6的基极，包括电容C17、C18、C19、C20和和电阻R2，偏置输入Vb2连接电容C20的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端及电容C19的一端和放大单元中NPN晶体管T6的基极，电容C17的另一端、电容C18的另一端、电容C19的另一端以及电容C20的另一端均接地；第三组的输出连接放大单元中NPN晶体管T7的基极，包括电容C21、C22、C23、C24和和电阻R3，偏置输入Vb3连接电容C24的一端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C21的一端、电容C22的一端及电容C23的一端和放大单元中NPN晶体管T7的基极，电容C21的另一端、电容C22的另一端、电容C23的另一端以及电容C24的另一端均接地；第四组的输出连接放大单元中NPN晶体管T8的基极，包括电容C25、C26、C27、C28和和电阻R4，偏置输入Vb4连接电容C28的一端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C25的一端、电容C26的一端及电容C27的一端和放大单元中NPN晶体管T8的基极，电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端以及电容C28的另一端均接地；第五组包括电容C29、C30与C31并联构成，并联后的一端连接放大单元中电感L8与电源VDD的连接端，并联后的另一端接地。

参看图4可见，相同功耗下本发明与传统堆叠结构放大器电压增益曲线比较，其结果显示本发明设计的功率放大器高频性能好，带宽更大。参看图5可见，相同功耗下本发明与传统堆叠结构放大器饱和输出功率曲线比较，其结果显示本发明设计的功率放大器输出功率高，覆盖范围大。

本发明设计的功率放大器在6.6V电源电压下工作电流约为120mA。该低噪声放大器3dB带宽约为26.5-40GHz，电压增益约为16dB，1dB压缩点约为20dBm，饱和输出功率约为23dBm。通过对比，其性能远远优于传统堆叠结构功率放大器。

Claims (5)

1.一种高输出功率宽带功率放大器，包括输入匹配单元、放大单元、输出匹配单元和滤波单元，输入匹配单元将欧姆源阻抗变换到放大单元需要的输入阻抗上，滤波单元对电源端进行滤波，提供放大单元的偏置，放大单元采用堆叠结构将信号进行放大，经输出匹配单元阻抗匹配后输出；输入匹配单元的输入端连接射频输入信号RFin，输入匹配单元的输出和滤波单元的输出分别连接放大单元的输入端，放大单元的输出连接输出匹配单元的输入端，输出匹配单元输出放大后的射频信号RFout；

其特征在于：输出匹配单元包括电容C12、电感L10、NMOS管M1和电阻R5，电容C12的一端作为输出匹配单元的输入端连接放大单元的输出端，电容C12的另一端连接电感L10的一端并作为输出匹配单元的输出端输出放大后的射频信号RFout，电感L10的另一端接地，电感L10的滑动抽头连接NMOS管M1的漏极，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接控制信号Vctrl，当控制信号Vctrl为低电平时，NMOS管M1关断，使电感L10的滑动抽头接高阻，电感L10的等效到地电感量与电感L10本身电感值相同，输出匹配单元的匹配频段处于低频段，满足低频段功率增强的需求；当控制信号Vctrl为高电平时，NMOS管M1导通，使电感L10的滑动抽头接地，电感L10的等效到地电感量减小，输出匹配单元的匹配频段向高频段偏移，满足高频段功率增强的需求，通过控制信号Vctrl能够改变输出匹配单元的输出阻抗，实现不同频率的宽带功率增强。

2.根据权利要求1所述的高输出功率宽带功率放大器，其特征在于：所述输入匹配单元采用6阶LC阻抗匹配网络，包括电感L3、L4和电容C9、C10、C11，射频输入信号RFin连接电感L3的一端和电容C9的一端，电容C9的另一端连接电感L4的一端和电容C10的一端，电感L3的另一端和电容C10的另一端接地，电感L4的另一端连接电容C11的一端，电容C11的另一端作为输入匹配单元的输出端连接放大单元。

3.根据权利要求1所述的高输出功率宽带功率放大器，其特征在于：所述放大单元采用级间中和电感改善电路带宽，包括电感L5、L6、L7、L8和NPN晶体管T5、T6、T7、T8，NPN晶体管T5的基极连接输入匹配单元的输出端，NPN晶体管T5的发射极接地，晶体管T5的集电极连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接NPN晶体管T6的发射极，NPN晶体管T6的集电极连接电感L6的一端，电感L6的另一端连接NPN晶体管T7的发射极，NPN晶体管T7的集电极连接电感L7的一端，电感L7的另一端连接NPN晶体管T8的发射极，NPN晶体管T8的集电极连接电感L8的一端并作为放大单元的输出端与输出匹配单元的输入端连接，电感L8的另一端连接电源VDD。

4.根据权利要求1所述的高输出功率宽带功率放大器，其特征在于：所述滤波单元使用谐振在工作频段内的去耦电容消除寄生参数的影响，滤波单元包括五组，第一组的输出连接放大单元中NPN晶体管T5的基极，包括电容C13、C14、C15、C16，电感L9和电阻R1，偏置输入Vb1连接电容C16的一端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电容C13的一端、电容C14的一端及电容C15的一端并通过电感L9连接输入匹配单元的输出端和放大单元中NPN晶体管T5的基极，电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C15的另一端以及电容C16的另一端均接地；第二组的输出连接放大单元中NPN晶体管T6的基极，包括电容C17、C18、C19、C20和和电阻R2，偏置输入Vb2连接电容C20的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端及电容C19的一端和放大单元中NPN晶体管T6的基极，电容C17的另一端、电容C18的另一端、电容C19的另一端以及电容C20的另一端均接地；第三组的输出连接放大单元中NPN晶体管T7的基极，包括电容C21、C22、C23、C24和和电阻R3，偏置输入Vb3连接电容C24的一端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C21的一端、电容C22的一端及电容C23的一端和放大单元中NPN晶体管T7的基极，电容C21的另一端、电容C22的另一端、电容C23的另一端以及电容C24的另一端均接地；第四组的输出连接放大单元中NPN晶体管T8的基极，包括电容C25、C26、C27、C28和和电阻R4，偏置输入Vb4连接电容C28的一端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C25的一端、电容C26的一端及电容C27的一端和放大单元中NPN晶体管T8的基极，电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端以及电容C28的另一端均接地；第五组包括电容C29、C30与C31并联构成，并联后的一端连接放大单元中电感L8与电源VDD的连接端，并联后的另一端接地。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的高输出功率宽带功率放大器，其特征在于：所述输入匹配单元、放大单元、输出匹配单元和滤波单元全部集成在芯片内，采用SiGe BiCMOS工艺以及其它硅基工艺或三五族工艺制成。