CN109245737A - 一种动态体偏置e类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态体偏置E类功率放大器，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极连接输入开关信号，体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端；匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地且开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。本发明可减少MOS开关在导通状态的导通电阻和关断状态的漏电流，可有效提高E类功放的输出功率和效率。

Description

一种动态体偏置E类功率放大器

技术领域

本发明涉及一种动态体偏置E类功率放大器，属于射频功率放大器技术领域。

背景技术

自从Sokal等人于1975年提出E类功率放大器以来，人们关于它已做了大量研究。如附图1所示，理想的E类功放电路由一个作为开关的有源器件，一个模拟寄生电容的并联电容，一个谐振网络和一个负载组成。利用开关管工作期间，输出电流信号和电压信号不交叠的特点，它可以实现100％的最大理论效率。

基本的E类放大器假定晶体管是一个理想的开关，具有零切换时间，在关断状态下无输出电容C_off，在导通状态下为零电阻R_on。才能达到100％的效率。然而在实际情况中，尤其在射频频率下，以上理想情况很难实现。由于MOS功放管寄生电容存在，导通和关断均需一定的时间，此时在从导通到关断或关断到导通的非零切换时间T_switch期间，功放管上通过的电压和电流有一定交叠，从而导致一定的功率损失，如附图2所示。只有当切换时间与射频信号周期T相比较小时（即T_switch/ T << 1），开关才接近理想切换。但是，在高频频率下，寄生电容的充放电时间和半周期电平时间相比是不可忽略的，因此呈现非理想开关性能，如具有一定的切换时间、一定的导通电阻和关断电阻，成为限制E类功放性能的主要因素。

为改善功放管的开关特性，可以加大晶体管尺寸来减小晶体管导通电阻，但随之带来的是较大寄生电容，从而降低了开关切换速度。为增大开关切换速度，可以采用更大的输入驱动信号，然而这会增大驱动功耗，降低E类功放的效率。为减小开关导通时的电阻，Klaus von Arnim等人在2005年针对数字电路中的MOS开关提出通过抬高和固定体偏置电位来减少MOS管反型门槛，进而降低导通电阻，然而该技术却不能改善开关关断时的性能以及开关切换速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种动态体偏置E类功率放大器，解决传统E类功率放大器开关切换不够理想，不能改善开关关断时的性能以及开关切换速度的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种动态体偏置E类功率放大器，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、由谐振电感和谐振电容组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端，所述射频扼流圈的另一端连接电源；所述匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地，及开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间 ；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括用于提供输入开关信号和体偏置信号的五级反相器，所述五级反相器连接MOS开关管的栅极。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述五级反相器包括开关驱动整形电路、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、体电位驱动整形反相器电路；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后连入开关驱动整形电路；所述开关驱动整形电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管的源极接地；及将最后一组的反相器中PMOS和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的方波开关信号；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号同时依次经第一电容、第二电容、第三电容后连接至体电位驱动整形反相器电路；所述第一电阻的一端连接至第一电容与第二电容之间，且另一端接地；第二电阻的一端连接至第二电容与第三电容之间，且另一端接地；第三电阻连接至第三电容和体电位驱动整形反相器电路的输入端之间，且另一端连接直流电平信号；所述体电位驱动整形反相器电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和 NMOS晶体管源极接地，及将最后一组的PMOS晶体管和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的体偏置信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，具体为：

在MOS开关管关断到导通切换时：在MOS开关管导通之前通过体偏置信号的改变，提高体电位极电平使阈值电压降低；

在MOS开关管导通期间：提升MOS开关管体电位极电平，降低阈值电压；

在MOS开关管导通到关断切换时：在MOS开关管关断之前通过体偏置信号的改变，降低体电位极电平使阈值电压提高。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明在晶体管导通前将晶体管体偏置设为正电位并保持，在晶体管关断前将晶体管体偏置设为负电位并保持，从而通过对衬底的动态偏置实现阈值电压的动态变化，采用动态体偏置技术的晶体管在开启时阈值电压降低，开启速度更快，且导通期间导通电阻更小；在关断时阈值电压升高，关断速度更快，且关断过程中阈值电流降低，减小功耗。动态偏置信号使得晶体管在一个开关信号周期内都能达到更理想的开关切换。

该技术可改善传统E类功放中由于MOS管大的寄生电容造成的开关性能不理想，同时减少MOS开关在导通状态的导通电阻，减少关断状态的漏电流，可有效提高E类功放的输出功率和效率。

附图说明

图1为现有技术中理想E类功放示意图。

图2为现有技术中开关非理想特性与理想特性比较图。

图3为本发明动态体偏置E类功率放大器工作示意图。

图4为本发明动态体偏置E类功率放大器电路图。

图5为本发明中动态体偏置信号产生示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图3和图4所示，本发明设计了一种动态体偏置E类功率放大器，其电路具体包括：MOS开关管M0、射频扼流圈RF-Choke、开关充放电电容C、匹配电感L、由谐振电感L₀和谐振电容C₀组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻R，其中MOS开关管M0的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管M0的漏极分别连接射频扼流圈RF-Choke、匹配电感L的一端，且射频扼流圈RF-Choke的另一端连接电源Vcc；所述匹配电感L的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻R依次串联后接地；所述MOS开关管M0的源极接地，并且开关充放电电容C并联于MOS开关管M0的源极和漏极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管M0的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。

根据E类开关工作模式原理，当MOS开关管M0闭合时，电容和负载支路向开关支路放电，当MOS开关管M0开启时，扼流圈储存的电荷向开关电容和负载充电，开关开启闭合为一个信号周期，在一个周期内开关两端不消耗功率，负载在开关充放电过程中，形成周期信号电压。因此，E类功率放大器成功将信号频率复制到负载端，并且高效的转化了电源功率进入负载。

其中，本发明中MOS开关管M0可采用TSMC 0.18μm RF CMOS 工艺中的DNW-NMOS管。为了使栅极信号和体偏置信号相关，且体偏置在开关切换前提前给出，栅极开关信号和体偏置信号由图5的驱动级给出，驱动级由五级反相器构成，五级反相器用于提供输入开关信号和体偏置信号，所述五级反相器连接MOS开关管的栅极。

所述五级反相器分别包括开关驱动整形电路和体电位驱动整形反相器电路、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后连入开关驱动整形电路；所述开关驱动整形电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极相连短接且漏极相连，及PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管的源极接地；及将最后一组的反相器中PMOS晶体管和NMOS晶体管的的漏极相连后输出整形完成的方波开关信号；如图5所述，包括晶体管M1至 M10，其中M1、M3、M5、M7、M9是PMOS晶体管，M2、M4、M6、M8、M10是NMOS晶体管。

所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后依次经第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3后连接至体电位驱动整形反相器电路；所述第一电阻R1的一端连接至第一电容C1、第二电容C2之间，且另一端接地；第二电阻R2的一端连接至第二电容C2、第三电容C3之间，且另一端接地；第三电阻R3连接至第三电容C3和NMOS晶体管组之间，且另一端连接直流电平信号；所述体电位驱动整形反相器由5组反相器串联形成，其中每组反相器由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极相连短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管的源极接地，及将最后一组反相器中的PMOS晶体管和一个NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的体偏置信号。结合图5， 其中M13、M15、M17、M19、M21是PMOS晶体管，M14、M16、M18、M20、M22是NMOS晶体管。

五级反相器包括开关驱动整形电路和体电位驱动整形反相器电路，各由5组包含PMOS晶体管和NMOS晶体管组成的反相器串联组成，晶体管尺寸逐级成近2倍关系递增；五级反相器逐级对输入开关信号进行整形，整形后的开关信号接近理想开关的方波信号，经过5级推挽式放大，信号功率增强，达到驱动效果；

五级级联反相器作为栅极和体电极的驱动，RC移相网络包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2，它提供体偏置相对栅信号的必要相移，以达到提前调整阈值电压的目的。其中RF_IN为正弦射频信号，由于RC网络会削弱射频信号的幅度，DRIVE_BIAS提供一定的直流电平以将其正确整形为50%的方波。实现E类网络所用到的无源器件如电阻、电容、电感和扼流圈，均可采用现有技术中提供的高Q值器件实现。

所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制，在晶体管导通前将晶体管体偏置设为正电位并保持，在晶体管关断前将晶体管体偏置设为负电位并保持，从而通过对体电位极的动态电压偏置实现阈值电压的动态变化，具体控制过程如下：

(1)MOS开关管关断到导通切换：在图3，MOS开关管M0开关闭合之前通过体偏置信号的改变，提高体电位极电平可使阈值电压降低，达到更早、更快开启开关的效果。

(2)MOS开关管导通期间：提升MOS开关管M0体电位极电平，可降低阈值电压，进而晶体管导通电阻减小，则晶体管开启状态下由导通电阻耗能减小，可以提升效率和输出功率。

(3)MOS开关管导通到关断切换：在MOS开关管M0关断之前通过体偏置信号的改变，降低体电位极电平可使阈值电压提高，达到更早、更快关断开关的效果。

(4)将体电位极接负电位可以获得相对较高的阈值电压，从而减小漏电流并节省功耗。

综上所述，采用动态体偏置技术的晶体管在开启时阈值电压降低，开启速度更快，且导通期间导通电阻更小；在关断时阈值电压升高，关断速度更快，且关断过程中漏电流降低，从而减小功耗。动态偏置信号使得晶体管在一个开关信号周期内都能达到更理想的开关切换。

因此本发明可减少传统E类功放中由于MOS功放管寄生电容造成的开关切换性能不理想，同时减少MOS开关在导通状态的导通电阻，减少关断状态的漏电流，可有效提高E类功放的输出功率和效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种动态体偏置E类功率放大器，其特征在于，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、由谐振电感和谐振电容组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端，所述射频扼流圈的另一端连接电源；所述匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地，及开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间 ；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。

2.根据权利要求1所述动态体偏置E类功率放大器，其特征在于：还包括用于提供输入开关信号和体偏置信号的五级反相器，所述五级反相器连接MOS开关管的栅极。

3. 根据权利要求2所述动态体偏置E类功率放大器，其特征在于：所述五级反相器包括开关驱动整形电路、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、体电位驱动整形反相器电路；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后连入开关驱动整形电路；所述开关驱动整形电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管的源极接地；及将最后一组的反相器中PMOS和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的方波开关信号；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号同时依次经第一电容、第二电容、第三电容后连接至体电位驱动整形反相器电路；所述第一电阻的一端连接至第一电容与第二电容之间，且另一端接地；第二电阻的一端连接至第二电容与第三电容之间，且另一端接地；第三电阻连接至第三电容和体电位驱动整形反相器电路的输入端之间，且另一端连接直流电平信号；所述体电位驱动整形反相器电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和 NMOS晶体管源极接地，及将最后一组的PMOS晶体管和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的体偏置信号。

4.根据权利要求1所述动态体偏置E类功率放大器，其特征在于，所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，具体为：

在MOS开关管关断到导通切换时：在MOS开关管导通之前通过体偏置信号的改变，提高体电位极电平使阈值电压降低；

在MOS开关管导通期间：提升MOS开关管体电位极电平，降低阈值电压；

在MOS开关管导通到关断切换时：在MOS开关管关断之前通过体偏置信号的改变，降低体电位极电平使阈值电压提高。