CN109361366A - 一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，包括有输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路，还设置有有源巴伦电路和差分功放电路，所述输入匹配电路、有源巴伦电路、级间匹配电路、差分功放电路和输出匹配电路依次串联连接，其中，所述输入匹配电路的输入端构成射频输入端，所述输出匹配电路的输出端构成功率放大器的射频输出端。本发明的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，通过将有源巴伦作为差分放大器的输入巴伦，实现信号的放大，既减小了芯片面积，又提高了整个功放的增益，本发明在降低电路复杂程度、节省电路成本的同时提高了功率放大器的输出功率以及增益。

Description

一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器
技术领域
本发明涉及一种功率放大器。特别是涉及一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器.
背景技术
功率放大器是将直流功率转换成射频功率的模块，在发射机中占有至关重要的地位。其输出功率大小直接决定了发射机的作用距离、抗干扰能力和通信质量。为实现高性能的射频功率放大器，国内外主要采用三五族半导体工艺，比如GaAs、InP、GaN等。这些工艺在带宽、器件的截止频率、无源损耗、噪声等方面都具有较好的性能，但其价格昂贵、不易于集成，一定程度上阻碍了民用上的发展。而作为CMOS来说，主要不足在于电流驱动能力与高频性能不好[1]，因此适用于高频，与CMOS兼容的SiGe工艺是对现有标准工艺的一种提升，能满足很宽范围内的微波和毫米波应用。
由于基于SiGe工艺的异质结双极型晶体管的击穿电压较低，且最大电流密度小等因素，设计出高功率输出的功率放大器存在一定的困难[2]。为提高片上功率放大器的输出功率，将晶体管串联堆叠，提高其输出阻抗和最大击穿电压，从而输出更大的功率。此外，为保证功率放大器的线性度和效率，通常选择将功率放大器偏置在AB类，但这也导致了二次谐波分量大量产生，通常选择在输出和输入端添加谐波处理的匹配网络[3]，来减小谐波的影响，但这种技术设计难度较大，容易增加额外的损耗。
针对当前技术的难题，本发明在节省芯片面积的前提下，结构上采用差分堆叠形式，在增大输出功率的同时可有效抑制偶次谐波分量，输入巴伦采用有源巴伦技术提高了增益。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够增大增益，减小芯片面积，实现高输出功率，抑制偶次谐波，提高稳定性的基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，包括有输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路，还设置有有源巴伦电路和差分功放电路，所述输入匹配电路、有源巴伦电路、级间匹配电路、差分功放电路和输出匹配电路依次串联连接，其中，所述输入匹配电路的输入端构成射频输入端，所述输出匹配电路的输出端构成功率放大器的射频输出端。
所述的有源巴伦电路包括有第一双极型晶体管和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和第二双极型晶体管的集电极均连接所述输入匹配电路的输出端，所述第一双极型晶体管的基极处通过第一电阻连接外部偏置电压Vbias1，以及在第一电阻处通过第一电容接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管的发射极接地，所述第二双极型晶体管的基极依次通过第二电阻连接外部偏置电压Vbias2，以及在第二电阻处通过第二电容接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管的集电极和第二双极型晶体管的发射极均连接所述级间匹配电路的输入端。
所述的差分功放电路包括有第三～第十双极型晶体管，其中，第四～第六双极型晶体管和第八～第十双极型晶体管的基极分别通过一个电容接地；所述第三双极型晶体管的基极通过第四电阻连接第四双极型晶体管的基极，第四双极型晶体管的基极通过第五电阻连接第五双极型晶体管的基极，第五双极型晶体管的基极通过第六电阻连接第六双极型晶体管的基极，第三双极型晶体管的基极还通过第三电阻接地，以及通过第十一电容构成正输入端连接级间匹配电路的正输出端，所述第六双极型晶体管的集电极分别通过第七电阻连接基极，通过第一扼流电感连接外部电源VCC，以及通过第十二电容构成正输出端连接所述的输出匹配电路的正输入端；所述第七双极型晶体管的基极通过第九电阻连接第八双极型晶体管的基极，第八双极型晶体管的基极通过第十电阻连接第九双极型晶体管的基极第九双极型晶体管的基极通过第十一电阻连接第十双极型晶体管的基极，第七双极型晶体管的基极还通过第八电阻接地，以及通过第十三电容构成负输入端连接级间匹配电路的包输出端，所述第十双极型晶体管的集电极分别通过第十二电阻连接基极，通过第二扼流电感连接外部电源VCC，以及通过第十四电容构成负输出连接所述的输出匹配电路的负输入端。
本发明的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，通过将有源巴伦作为差分放大器的输入巴伦，实现信号的放大，既减小了芯片面积，又提高了整个功放的增益，本发明在降低电路复杂程度、节省电路成本的同时提高了功率放大器的输出功率以及增益。
附图说明
图1是本发明一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器的构成框图；
图2是本发明中有源巴伦电路的原理图；
图3是本发明中差分功放电路的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器做出详细说明。
本发明的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，的主体电路采用差分堆叠结构，输入巴伦采用有源巴伦技术实现单端信号转差分的目的，同时可获得足够大的增益。即采用有源巴伦技术与晶体管堆叠技术相结合，使用SiGe工艺的异质结双极型晶体管(HBT)，实现了一种高增益高输出功率的功率放大器。
如图1所示，本发明的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，包括有输入匹配电路1、级间匹配电路3和输出匹配电路5，还设置有有源巴伦电路2和差分功放电路4，所述输入匹配电路1、有源巴伦电路2、级间匹配电路3、差分功放电路4和输出匹配电路5依次串联连接，其中，所述输入匹配电路1的输入端构成射频输入端RFin，所述输出匹配电路5的输出端构成功率放大器的射频输出端RFout。
所述的输入匹配电路1是采用无源元件匹配保证其增益的平坦度；所述的级间匹配电路3是分别将有源巴伦的输出采用变压器匹配到差分功放的输入端；所述的输出匹配电路5是采用变压器匹配将两路差分信号变换成一路，同时保证功率最大输出。
本发明的输入端巴伦采用有源巴伦完成平衡到不平衡的转换功能，输出端巴伦采用变压器实现不平衡到平衡的转换功能，从而组成了整个放大器的结构。有源巴伦前需要做输入匹配网络，与差分堆叠放大器之间做级间匹配，同时输出端包含由变压器组成的输出匹配网络。
如图2所示，所述的有源巴伦电路2包括有第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2，所述第一双极型晶体管Q1的基极和第二双极型晶体管Q2的集电极均连接所述输入匹配电路1的输出端，所述第一双极型晶体管Q1的基极处通过第一电阻R1连接外部偏置电压Vbias1，以及在第一电阻R1处通过第一电容C1接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管Q1的发射极均接地。所述第二双极型晶体管Q2的基极依次通过第二电阻R2连接外部偏置电压Vbias2，以及在第二电阻R2处通过第二电容C2接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管Q1的集电极和第二双极型晶体管Q2的发射极均连接所述级间匹配电路3的输入端。
有源巴伦电路2由Q1构成共发射极放大电路，Q2构成共基极放大电路，在输入端和输出端做匹配网络来满足实际应用，基极偏置处使用旁路电容C1和C2减小纹波，增强稳定性。
如图3所示，所述的差分功放电路4包括有第三～第十双极型晶体管Q3～Q10，其中，第四～第六双极型晶体管Q4～Q6和第八～第十双极型晶体管Q8～Q10的基极分别通过一个电容C4、C5、C6、C8、C9、C10接地；所述第三双极型晶体管Q3的基极通过第四电阻R4连接第四双极型晶体管Q4的基极，第四双极型晶体管Q4的基极通过第五电阻R5连接第五双极型晶体管Q5的基极，第五双极型晶体管Q5的基极通过第六电阻R6连接第六双极型晶体管Q6的基极，第三双极型晶体管Q3的基极还通过第三电阻R3接地，以及通过第十一电容C11构成正输入端连接级间匹配电路3的正输出端，所述第六双极型晶体管Q6的集电极分别通过第七电阻R7连接基极，通过第一扼流电感RF choke1连接外部电源VCC，以及通过第十二电容C12构成正输出端连接所述的输出匹配电路5的正输入端；所述第七双极型晶体管Q7的基极通过第九电阻R9连接第八双极型晶体管Q8的基极，第八双极型晶体管Q8的基极通过第十电阻R10连接第九双极型晶体管Q9的基极第九双极型晶体管Q9的基极通过第十一电阻R10连接第十双极型晶体管Q10的基极，第七双极型晶体管Q7的基极还通过第八电阻R8接地，以及通过第十三电容C13构成负输入端连接级间匹配电路3的包输出端，所述第十双极型晶体管Q10的集电极分别通过第十二电阻R12连接基极，通过第二扼流电感RF choke2连接外部电源VCC，以及通过第十四电容C14构成负输出连接所述的输出匹配电路5的负输入端。

Claims (3)

1.一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，包括有输入匹配电路(1)、级间匹配电路(3)和输出匹配电路(5)，其特征在于，还设置有有源巴伦电路(2)和差分功放电路(4)，所述输入匹配电路(1)、有源巴伦电路(2)、级间匹配电路(3)、差分功放电路(4)和输出匹配电路(5)依次串联连接，其中，所述输入匹配电路(1)的输入端构成射频输入端(RFin)，所述输出匹配电路(5)的输出端构成功率放大器的射频输出端(RFout)。
2.根据权利要求1所述的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于，所述的有源巴伦电路(2)包括有第一双极型晶体管(Q1)和第二双极型晶体管(Q2)，所述第一双极型晶体管(Q1)的基极和第二双极型晶体管(Q2)的集电极均连接所述输入匹配电路(1)的输出端，所述第一双极型晶体管(Q1)的基极处通过第一电阻(R1)连接外部偏置电压Vbias1，以及在第一电阻(R1)处通过第一电容(C1)接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管(Q1)的发射极接地，所述第二双极型晶体管(Q2)的基极依次通过第二电阻(R2)连接外部偏置电压Vbias2，以及在第二电阻(R2)处通过第二电容(C2)接地作为旁路电容，所述第一双极型晶体管(Q1)的集电极和第二双极型晶体管(Q2)的发射极均连接所述级间匹配电路(3)的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于有源巴伦技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于，所述的差分功放电路(4)包括有第三～第十双极型晶体管(Q3～Q10)，其中，第四～第六双极型晶体管(Q4～Q6)和第八～第十双极型晶体管(Q8～Q10)的基极分别通过一个电容(C4、C5、C6、C8、C9、C10)接地；所述第三双极型晶体管(Q3)的基极通过第四电阻(R4)连接第四双极型晶体管(Q4)的基极，第四双极型晶体管(Q4)的基极通过第五电阻(R5)连接第五双极型晶体管(Q5)的基极，第五双极型晶体管(Q5)的基极通过第六电阻(R6)连接第六双极型晶体管(Q6)的基极，第三双极型晶体管(Q3)的基极还通过第三电阻(R3)接地，以及通过第十一电容(C11)构成正输入端连接级间匹配电路(3)的正输出端，所述第六双极型晶体管(Q6)的集电极分别通过第七电阻(R7)连接基极，通过第一扼流电感(RF choke1)连接外部电源VCC，以及通过第十二电容(C12)构成正输出端连接所述的输出匹配电路(5)的正输入端；所述第七双极型晶体管(Q7)的基极通过第九电阻(R9)连接第八双极型晶体管(Q8)的基极，第八双极型晶体管(Q8)的基极通过第十电阻(R10)连接第九双极型晶体管(Q9)的基极第九双极型晶体管(Q9)的基极通过第十一电阻(R10)连接第十双极型晶体管(Q10)的基极，第七双极型晶体管(Q7)的基极还通过第八电阻(R8)接地，以及通过第十三电容(C13)构成负输入端连接级间匹配电路(3)的包输出端，所述第十双极型晶体管(Q10)的集电极分别通过第十二电阻(R12)连接基极，通过第二扼流电感(RF choke2)连接外部电源VCC，以及通过第十四电容(C14)构成负输出连接所述的输出匹配电路(5)的负输入端。
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