CN110350872A - 一种多模八频高效率高增益功率放大器 - Google Patents

一种多模八频高效率高增益功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模八频高效率高增益功率放大器，包括依次连接的多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络；以及与所述多模八频输入匹配网络和多模八频输出匹配网络分别连接的栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络。本发明的有益效果是：采用基于自偏结构的三堆叠晶体管结构并结合了多模LC匹配网络，使得功率放大器在八个频点具有高效率、高增益、高功率输出能力的多模特性。

Description

一种多模八频高效率高增益功率放大器
技术领域
本发明涉及一种场效应管晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别涉及针对多频多模通信系统射频前端发射模块应用的一种多模八频高效率高增益功率放大器。
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多频多模、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多频多模、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，主要体现在多频多模在兼容高效率指标时难度较大相互制约。为了保证放大器的高效率高增益工作，晶体管要在多频模式下实现最佳效率与增益匹配的良好与精确的折中，但是多频功率放大器的实现一直是的技术瓶颈。
常见的高效率高增益多频功率放大器的电路解决方案有，采用多个单频点功率放大器组成负载放大系统，每个功率放大器在各自频点实现最佳电路设计，但是这种放大系统体积庞大，成本较高；采用超宽带功率放大器覆盖多个工作频点，但是受到增益带宽积的影响，超宽带放大器的输出功率、增益和效率往往比窄带电路更低；采用双频或者三频电路设计结构，这种电路可以在双频点或者三频点同时实现最佳输出功率、增益和效率匹配，但是由于多频电路的复杂度很高，这种电路结构往往无法应用到三个频点以上的系统中。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相对较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多模八频高效率高增益功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术以及多模LC匹配技术，实现八频点的多模模式下的高效率、高增益、高功率输出特性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多模八频高效率高增益功率放大器，包括栅极供电偏置网络、多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络和漏极供电偏置网络，所述多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络依次连接，所述栅极供电偏置网络分别与多模八频输入匹配网络的输出端和三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，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的输出端和多模八频输出匹配网络的输入端连接；所述多模八频输入匹配网络的输入端为整个所述多模八频高效率高增益功率放大器的输入端，所述多模八频输出匹配网络的输出端为整个所述多模八频高效率高增益功率放大器的输出端。采用基于自偏结构的三堆叠晶体管结构，并结合了多模八频输入输出匹配网络，使得电路具有八频点的多模工作模式下的高效率、高增益、高功率输出能力。
所述多模八频输入匹配网络包括依次串联的电容C1、电感L1、电感L2、电感L3、以及电感L4，电容C1一端连接多模八频输入匹配网络的输入端，另一端连接电感L1，电感L4一端连接电感L3，另一端为多模八频输入匹配网络的输出端，并同时连接栅极偏置输入网络和三堆叠自偏置功率放大网络；电容C1和电感L1的连接节点还与接地电容C2连接，电感L1和电感L2的连接节点还与电容C3的一端连接，C3的另一端与场效应管开关管SW1的漏极连接，SW1的漏极还连接了接地电阻R1，SW1的栅极连接控制电压Vct1，SW1的源极接地，电感L2和电感L3的连接节点还与电容C4的一端连接，C4的另一端与场效应管开关管SW2的漏极连接，SW2的漏极还连接了接地电阻R2，SW2的栅极连接控制电压Vct2，SW2的源极接地，电感L3和电感L4的连接节点还与电容C5的一端连接，C5的另一端与场效应管开关管SW3的漏极连接，SW3的漏极还连接了接地电阻R3，SW3的栅极连接控制电压Vct3，SW3的源极接地。采用的多模八频输入匹配网络能够实现对射频信号在八个多模频点进行输入阻抗匹配。
所述三堆叠自偏置功率放大网络包括底层晶体管Md1、中层晶体管Md2和顶层晶体管Md3；其中Md1的源极接地，Md1漏极连接微带线TL1，TL1的另一端连接Md2的源极，Md2漏极连接微带线TL2，TL2的另一端连接Md3的源极，Md3漏极连接三堆叠自偏置功率放大网络的输出端；底层晶体管Md1栅极为三堆叠自偏置功率放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极连接偏置电阻R14和R4，电阻R14的另一端连接接地电容C8，电阻R4的另一端分别与电阻R6的一端以及接地电阻R5连接，电阻R6的另一端连接电阻R9；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，其栅极连接偏置电阻R7和R8，电阻R7另一端连接到接地电容C9，电阻R8另一端连接到电阻R9与电阻R6的连接节点上，电阻R9的另一端与漏极供电偏置网络连接。核心架构采用的三堆叠自偏置功率放大网络，可以帮助现有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功率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。
所述栅极供电偏置网络包括电感L5，L5的另一端连接栅极供电电源VG，VG端同时连接接地电容C7和接地电容C6。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。
所述多模八频输出匹配网络包括依次串联的电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、以及电容C16，电感L7的另一端为多模八频输出匹配网络的输入端，并同时连接漏极偏置输入网络，电容C16另一端为多模八频输出匹配网络的输出端；电感L7和电感L8的连接节点还与电容C12的一端连接，电容C12的另一端与场效应管开关管SW4的漏极连接，SW4的漏极还连接了接地电阻R11，SW4的栅极连接控制电压Vct1，SW4的源极接地，电感L8和电感L9的连接节点还与电容C13的一端连接，C13的另一端与场效应管开关管SW5的漏极连接，SW5的漏极还连接了接地电阻R12，SW5的栅极连接控制电压Vct2，SW5的源极接地，电感L9和电感L10的连接节点还与电容C14的一端连接，C14的另一端与场效应管开关管SW6的漏极连接，SW6的漏极还连接了接地电阻R13，SW6的栅极连接控制电压Vct3，SW6的源极接地，电感L10和电容C16的连接节点还与接地电容C15连接。多模八频输出匹配网使得电路可以实现AB类功率放大器对射频信号在八个多模频点的输出阻抗匹配。
所述漏极供电偏置网络包括电感L6，电感L6的另一端连接漏极供电电压VD，VD同时与接地电容C10和接地电容C11连接。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。
所述多模八频输入匹配网络和多模八频输出匹配网络中包含的开关SWi(其中，i＝1,2,3,4,5,6)的控制电压为高电平或者低电平，当开关SWi控制电压Vcti取高电平时，开关SWi打开；当SWi控制电压Vcti取低电平时，开关SWi关闭；其实现八个频点多模的信号控制方式为：Vcti未明确高低电平时均为低电平，当Vct1取高电平放大器工作在频点f1，当Vct2取高电平放大器工作在频点f2，当Vct3取高电平放大器工作在频点f3，当Vct1、Vct2均取高电平放大器工作在频点f4，当Vct2、Vct3均取高电平放大器工作在频点f5，当Vct1、Vct3均取高电平放大器工作在频点f6，当Vct1、Vct2和Vct3均取高电平放大器工作在频点f7，当Vct1、Vct2和Vct3均取低电平放大器工作在频点f8。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多模八频高效率高增益功率放大器原理框图，
图2是本发明实施例提供的一种多模八频高效率高增益功率放大器电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
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。
本发明实施提供了一种多模八频高效率高增益功率放大器，如图1所示，多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；多模八频输入匹配网络的输入端为整个多模八频高效率高增益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；多模八频输出匹配网络的输出端为整个多模八频高效率高增益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；栅极供电偏置网络与多模八频输入匹配网络连接，漏极供电偏置网络与三堆叠自偏置功率放大网络以及多模八频输出匹配网络连接。
如图2所示，多模八频输入匹配网络包括依次串联的电容C1、电感L1、电感L2、电感L3、以及电感L4，电容C1一端连接多模八频输入匹配网络的输入端，另一端连接电感L1，电感L4一端连接电感L3，另一端为多模八频输入匹配网络的输出端，并同时连接栅极偏置输入网络和三堆叠自偏置功率放大网络；电容C1和电感L1的连接节点还与接地电容C2连接，电感L1和电感L2的连接节点还与电容C3的一端连接，C3的另一端与场效应管开关管SW1的漏极连接，SW1的漏极还连接了接地电阻R1，SW1的栅极连接控制电压Vct1，SW1的源极接地，电感L2和电感L3的连接节点还与电容C4的一端连接，C4的另一端与场效应管开关管SW2的漏极连接，SW2的漏极还连接了接地电阻R2，SW2的栅极连接控制电压Vct2，SW2的源极接地，电感L3和电感L4的连接节点还与电容C5的一端连接，C5的另一端与场效应管开关管SW3的漏极连接，SW3的漏极还连接了接地电阻R3，SW3的栅极连接控制电压Vct3，SW3的源极接地；
三堆叠自偏置功率放大网络包括底层晶体管Md1、中层晶体管Md2和顶层晶体管Md3；其中Md1的源极接地，Md1漏极连接微带线TL1，TL1的另一端连接Md2的源极，Md2漏极连接微带线TL2，TL2的另一端连接Md3的源极，Md3漏极连接三堆叠自偏置功率放大网络的输出端；底层晶体管Md1栅极为三堆叠自偏置功率放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极连接偏置电阻R14和R4，电阻R14的另一端连接接地电容C8，电阻R4的另一端分别与电阻R6的一端以及接地电阻R5连接，电阻R6的另一端连接电阻R9；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，其栅极连接偏置电阻R7和R8，电阻R7另一端连接到接地电容C9，电阻R8另一端连接到电阻R9与电阻R6的连接节点上，电阻R9的另一端与漏极供电偏置网络连接；
栅极供电偏置网络包括电感L5，L5的另一端连接栅极供电电源VG，VG端同时连接接地电容C7和接地电容C6。
多模八频输出匹配网络包括依次串联的电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、以及电容C16，电感L7的另一端为多模八频输出匹配网络的输入端，并同时连接漏极偏置输入网络，电容C16另一端为多模八频输出匹配网络的输出端；电感L7和电感L8的连接节点还与电容C12的一端连接，电容C12的另一端与场效应管开关管SW4的漏极连接，SW4的漏极还连接了接地电阻R11，SW4的栅极连接控制电压Vct1，SW4的源极接地，电感L8和电感L9的连接节点还与电容C13的一端连接，C13的另一端与场效应管开关管SW5的漏极连接，SW5的漏极还连接了接地电阻R12，SW5的栅极连接控制电压Vct2，SW5的源极接地，电感L9和电感L10的连接节点还与电容C14的一端连接，C14的另一端与场效应管开关管SW6的漏极连接，SW6的漏极还连接了接地电阻R13，SW6的栅极连接控制电压Vct3，SW6的源极接地，电感L10和电容C16的连接节点还与接地电容C15连接；
漏极供电偏置网络包括电感L6，电感L6的另一端连接漏极供电电压VD，VD同时与接地电容C10和接地电容C11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进入多模八频高效率高增益功率放大器的多模八频输入匹配网络，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三个按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构对输入信号进行放大，能够有效提升多模八频高效率高增益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R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9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。此外，微带线TL1用于实现多模八频高效率高增益功率放大器在晶体管堆叠间的漏极电压波形整形。
经三堆叠自偏置功率放大网络放大后的信号进入多模八频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。
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。
Vcti(其中，i＝1,2,3,4,5,6)未明确高低电平时均为低电平，当Vct1取高电平时放大器工作在频点f1，当Vct2取高电平时放大器工作在频点f2，当Vct3取高电平时放大器工作在频点f3，当Vct1、Vct2均取高电平时放大器工作在频点f4，当Vct2、Vct3均取高电平时放大器工作在频点f5，当Vct1、Vct3均取高电平时放大器工作在频点f6，当Vct1、Vct2和Vct3均取高电平时放大器工作在频点f7，当Vct1、Vct2和Vct3均取低电平时放大器工作在频点f8。
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、匹配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，实现在多模八频点下的高增益、高功率、高效率和良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里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 (7)

1.一种多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，包括栅极供电偏置网络、多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络和漏极供电偏置网络，所述多模八频输入匹配网络、三堆叠自偏置功率放大网络、多模八频输出匹配网络依次连接，所述栅极供电偏置网络分别与多模八频输入匹配网络的输出端和三堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，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的输出端和多模八频输出匹配网络的输入端连接；所述多模八频输入匹配网络的输入端为整个所述多模八频高效率高增益功率放大器的输入端，所述多模八频输出匹配网络的输出端为整个所述多模八频高效率高增益功率放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述多模八频输入匹配网络包括依次串联的电容C1、电感L1、电感L2、电感L3、以及电感L4，所述电容C1一端连接多模八频输入匹配网络的输入端，另一端连接电感L1，所述电感L4一端连接电感L3，另一端为多模八频输入匹配网络的输出端，并同时连接栅极偏置输入网络和三堆叠自偏置功率放大网络；
所述电容C1和电感L1的连接节点还与接地电容C2连接，所述电感L1和电感L2的连接节点还与电容C3的一端连接，C3的另一端与场效应管开关管SW1的漏极连接，SW1的漏极还连接了接地电阻R1，SW1的栅极连接控制电压Vct1，SW1的源极接地，所述电感L2和电感L3的连接节点还与电容C4的一端连接，C4的另一端与场效应管开关管SW2的漏极连接，SW2的漏极还连接了接地电阻R2，SW2的栅极连接控制电压Vct2，SW2的源极接地，所述电感L3和电感L4的连接节点还与电容C5的一端连接，C5的另一端与场效应管开关管SW3的漏极连接，SW3的漏极还连接了接地电阻R3，SW3的栅极连接控制电压Vct3，SW3的源极接地。
3.根据权利要求1所述的多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述三堆叠自偏置功率放大网络包括底层晶体管Md1、中层晶体管Md2和顶层晶体管Md3，其中Md1的源极接地，Md1漏极连接微带线TL1，TL1的另一端连接Md2的源极，Md2漏极连接微带线TL2，TL2的另一端连接Md3的源极，Md3漏极连接所述三堆叠自偏置功率放大网络的输出端；
所述底层晶体管Md1栅极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的栅极连接偏置电阻R14和R4，电阻R14的另一端连接接地电容C8，电阻R4的另一端分别与电阻R6的一端以及接地电阻R5连接，电阻R6的另一端连接电阻R9；
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，其栅极连接偏置电阻R7和R8，电阻R7另一端连接到接地电容C9，电阻R8另一端连接到电阻R9与电阻R6的连接节点上，电阻R9的另一端与漏极供电偏置网络连接。
4.根据权利要求1所述的多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述栅极供电偏置网络包括电感L5，L5的另一端连接栅极供电电源VG，VG端同时连接接地电容C7和接地电容C6。
5.根据权利要求1所述的多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述多模八频输出匹配网络包括依次串联的电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、以及电容C16，电感L7的另一端为多模八频输出匹配网络的输入端，并同时连接漏极偏置输入网络，电容C16另一端为多模八频输出匹配网络的输出端；
所述电感L7和电感L8的连接节点还与电容C12的一端连接，所述电容C12的另一端与场效应管开关管SW4的漏极连接，SW4的漏极还连接了接地电阻R11，SW4的栅极连接控制电压Vct1，SW4的源极接地，所述电感L8和电感L9的连接节点还与电容C13的一端连接，C13的另一端与场效应管开关管SW5的漏极连接，SW5的漏极还连接了接地电阻R12，SW5的栅极连接控制电压Vct2，SW5的源极接地，所述电感L9和电感L10的连接节点还与电容C14的一端连接，C14的另一端与场效应管开关管SW6的漏极连接，SW6的漏极还连接了接地电阻R13，SW6的栅极连接控制电压Vct3，SW6的源极接地，电感L10和电容C16的连接节点还与接地电容C15连接。
6.根据权利要求1所述的多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述漏极供电偏置网络包括电感L6，电感L6的另一端连接漏极供电电压VD，VD同时与接地电容C10和接地电容C11连接。
7.根据权利要求1所述的一种多模八频高效率高增益功率放大器，其特征在于，所述多模八频输入匹配网络和多模八频输出匹配网络中包含的开关SWi(其中，i＝1,2,3,4,5,6)的控制电压为高电平或者低电平，当开关SWi控制电压Vcti取高电平时，开关SWi打开；当SWi控制电压Vcti取低电平时，开关SWi关闭；其实现八个频点多模的信号控制方式为：Vcti未明确高低电平时均为低电平，当Vct1取高电平放大器工作在频点f1，当Vct2取高电平放大器工作在频点f2，当Vct3取高电平放大器工作在频点f3，当Vct1、Vct2均取高电平放大器工作在频点f4，当Vct2、Vct3均取高电平放大器工作在频点f5，当Vct1、Vct3均取高电平放大器工作在频点f6，当Vct1、Vct2和Vct3均取高电平放大器工作在频点f7，当Vct1、Vct2和Vct3均取低电平放大器工作在频点f8。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115913146A (zh) * 2023-03-09 2023-04-04 成都嘉纳海威科技有限责任公司 一种可重构放大器芯片

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