CN110350877A - 一种高增益分布式变压器合成的功率放大器 - Google Patents

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陈思维
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Abstract

本发明公开了一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，包括输入单端转差分网络、第一堆叠差分放大网络、第二堆叠差分放大网络、第三堆叠差分放大网络、第四堆叠差分放大网络、分布式变压器电网络以及与分布式变压器电网络相连的第一至第四漏极偏置网络。本发明核心架构采用第一至第四堆叠差分放大网络，利用差分放大器良好的寄生参数抑制性，同时利用堆叠晶体管高功率增益特性，与分布式变压器电网络良好的功率合成特性相结合，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高效率和高功率输出能力。

Description

一种高增益分布式变压器合成的功率放大器
技术领域
本发明涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对射频微波收发机末端的发射模块应用的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器。
背景技术
随着无线通信系统和射频微波电路的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有高输出功率、高增益、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。
然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：
(1)高功率、高效率能力受限：传统功率放大器采用多路并联合成结构，或者是分布式结构，这两种结构的合成效率有限，导致一部分功率损耗在合成网络中，限制了高功率、高效率能力。
(2)低功耗、高增益放大能力受限：传统单端共源晶体管的功率放大器受到晶体管寄生参数的影响，在高频工作时增益较低，同时功率能力大大受限，实现低功耗的难度较大。
常见的高增益、高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是多级、多路合成单端功率放大器，但是，传统多级、多路合成单端功率放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：
①传统多级、多路合成单端功率放大器采用多路并联合成结构时的输出阻抗较低，因此输出合成网络需要实现高阻抗变换比的阻抗匹配，这样往往需要牺牲放大器的增益、降低功率，因此限制了高功率、高效率能力。
②传统多级、多路合成单端功率放大器中，为了提高放大器增益提高隔离度的影响，也有采用Cascode晶体管放大结构，但是Cascode晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法增益随频率显著恶化的趋势，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，降低了输出功率特性。
由此可以看出，基于集成电路工艺的高增益、高功率放大器设计难点为：高功率、高效率输出难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的多路合成结构存在很多局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，结合了晶体管堆叠技术、分布式变压器合成技术的优点，具有高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性，且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，包括输入单端转差分网络、第一堆叠差分放大网络、第二堆叠差分放大网络、第三堆叠差分放大网络、第四堆叠差分放大网络、分布式变压器电网络以及与分布式变压器电网络相连的第一至第四漏极偏置网络；
所述输入单端转差分网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端同时与所述第一至第四堆叠差分放大网络的第一输入端连接，其第二输出端同时与所述第一至第四堆叠差分放大网络的第二输入端连接；
所述第一堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第一输入端和第二输入端连接；所述第二堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第三输入端和第四输入端连接；所述第三堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第五输入端和第六输入端连接；所述第四堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第七输入端和第八输入端连接；
所述第一至第四漏极偏置网络的输出端分别与所述分布式变压器网络的第九至第十二输入端连接；
所述分布式变压器电网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
进一步的，输入单端转差分网络的输入端连接变压器Tin的初级线圈的非同名端，Tin的初级线圈的同名端接地；变压器Tin的次级线圈的中间抽头点连接接地电容Ci1和电阻Ri1，电阻Ri1的另一端连接接地电容Ci2、接地电阻Ri2和供电电压Vb，变压器Tin的次级线圈两端通过电容Ci3连接，电容Ci3的两端分别连接电感Li1和电感Li2,电感Li1的另一端和电感Li2的另一端通过电容Ci4连接，电感Li1和电容Ci4的连接节点为输入转单端差分网络的第一输出端，电感Li2和电容Ci4的连接节点为输入转单端差分网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入单端转差分网络除了能实现输入射频信号的单端信号转差分外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。
进一步的，第N堆叠差分放大网络的第一输入端和第二输入端分别通过电感Lsj和Lpj连接，第一输入端连接场效应晶体管Msj的栅极，第二输入端连接场效应晶体管Mpj的栅极,场效应晶体管Msj和Mpj的源极接地，场效应晶体管Msj的漏极连接场效应晶体管Mtj的源极，场效应晶体管Mtj的栅极连接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端连接接地电阻Rsj和电阻Rrj，电阻Rrj的另一端连接场效应晶体管Mtj的漏极，场效应晶体管Mpj的漏极连接场效应晶体管Mqj的源极，场效应晶体管Mqj的栅极连接接地电容Cqj和电阻Rqj，电阻Rqj的另一端连接接地电阻Rpj和电阻Roj,电阻Roj的另一端连接场效应晶体管Mqj的漏极，场效应晶体管Mtj和场效应晶体管Mqj的漏极通过电容Cdj连接，场效应晶体管Mtj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mqj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第二输出端，其中，N为一、二、三和四，j＝1、2、3和4。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的堆叠差分放大网络可以显著提升功率放大器的增益以及功率容量，同时降低等效输出电容拓展放大器带宽,同时堆叠型差分放大器同传统双晶体管堆叠结构相比,具有更好的抑制高频寄生参数的特性,因此也可以提高放大器的高频工作特性。
进一步的，分布式变压器电网络包括依次耦合的变压器T1、T2、T3和T4，变压器T1的初级线圈的同名端连接变压器T2的第一初级线圈的非同名端，变压器T2的第二初级线圈的同名端连接变压器T3的级线圈的非同名端，变压器T3的初级线圈的同名端连接变压器T4的初级线圈的非同名端，变压器T4的初级线圈的同名端连接变压器T1的初级线圈的非同名端，同时变压器T2的第一初级线圈的同名端连接分布式变压器电网络的输出端和接地电容Cout，变压器T2的第二初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第二输入端、第三输入端，变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第四输入端、第五输入端，变压器T3的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第六输入端、第七输入端，变压器T4的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第八输入端、第一输入端，变压器T1、T2、T3和T4的次级线圈的中间抽头点分别连接分布式变压器电网络的第九至第十二输入端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的分布式变压器电网络除了能实现四路差分射频信号的差分转单端功能，还可以高效地实现四路射频信号的功率合成及阻抗匹配，大大提升了功率放大器的功率容量和效率。
进一步的，第一至第四漏极偏置网络的输出端连接电感Lcj,电感Lcj的另一端连接偏置电压Vd和接地电容Cj,其中，j＝1、2、3和4。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的漏极偏置网络可以给本放大器实现良好的漏极供电，抑制低频杂散和自激。
附图说明
图1为本发明功率放大器原理框图；
图2为本发明功率放大器电路图。
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高增益分布式变压器合成的功率放大器，包括输入单端转差分网络、第一堆叠差分放大网络、第二堆叠差分放大网络、第三堆叠差分放大网络、第四堆叠差分放大网络、分布式变压电器网络以及与分布式变压电器网络相连的第一至第四漏极偏置网络。
如图1所示，输入单端转差分网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端同时与第一至第四堆叠差分放大网络的第一输入端连接，其第二输出端同时与第一至第四堆叠差分放大网络的第二输入端连接；
第一堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与分布式变压器电网络的第一输入端和第二输入端连接；第二堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与分布式变压器电网络的第三输入端和第四输入端连接；第三堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与分布式变压器电网络的第五输入端和第六输入端连接；第四堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与分布式变压器电网络的第七输入端和第八输入端连接。
第一至第四漏极偏置网络分别与分布式变压器网络的第九至第十二输入端连接。
如图2所示，输入单端转差分网络的输入端连接变压器Tin的初级线圈的非同名端，Tin的初级线圈的同名端接地。变压器Tin的次级线圈的中间抽头点连接接地电容Ci1和电阻Ri1，电阻Ri1的另一端连接接地电容Ci2、接地电阻Ri2和供电电压Vb，变压器Tin的次级线圈两端通过电容Ci3连接，电容Ci3的两端分别连接电感Li1和电感Li2,电感Li1的另一端和电感Li2的另一端通过电容Ci4连接，电感Li1和电容Ci4的连接节点为输入转单端差分网络的第一输出端，电感Li2和电容Ci4的连接节点为输入转单端差分网络的第二输出端。
第N堆叠差分放大网络的第一输入端和第二输入端通过电感Lsj和Lpj连接，第一输入端连接场效应晶体管Msj的栅极，第二输入端连接场效应晶体管Mpj的栅极,场效应晶体管Msj和Mpj的源极接地，场效应晶体管Msj的漏极连接场效应晶体管Mtj的源极，场效应晶体管Mtj的栅极连接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端连接接地电阻Rsj和电阻Rrj，电阻Rrj的另一端连接场效应晶体管Mtj的漏极，场效应晶体管Mpj的漏极连接场效应晶体管Mqj的源极，场效应晶体管Mqj的栅极连接接地电容Cqj和电阻Rqj，电阻Rqj的另一端连接接地电阻Rpj和电阻Roj,电阻Roj的另一端连接场效应晶体管Mqj的漏极，场效应晶体管Mtj和场效应晶体管Mqj的漏极通过电容Cdj连接，场效应晶体管Mtj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mqj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第二输出端，其中，N为一、二、三和四，j＝1、2、3和4。
分布式变压器电网络包括依次耦合的变压器T1、T2、T3和T4，变压器T1的初级线圈的同名端连接变压器T2的第一初级线圈的非同名端，变压器T2的第二初级线圈的同名端连接变压器T3的级线圈的非同名端，变压器T3的初级线圈的同名端连接变压器T4的初级线圈的非同名端，变压器T4的初级线圈的同名端连接变压器T1的初级线圈的非同名端，同时变压器T2的第一初级线圈的同名端连接分布式变压器电网络的输出端和接地电容Cout，变压器T2的第二初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第二输入端、第三输入端，变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第四输入端、第五输入端，变压器T3的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第六输入端、第七输入端，变压器T4的次级线圈的非同名端和同名端分别连接分布式变压器电网络的第八输入端、第一输入端，变压器T1、T2、T3、T4的次级线圈的中间抽头点分别连接分布式变压器电网络的第九至第十二输入端。
第一至第四漏极偏置网络的输出端连接电感Lcj,电感Lcj的另一端连接偏置电压Vd和接地电容Cj,其中，j＝1、2、3和4。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号通过输入端RFin进入电路，通过输入单端转差分网络进行阻抗变换匹配后，以差分信号的形式同时进入第一至第四堆叠差分放大网络的第一输入端(Vg+)和第二输入端(Vg-)，通过二堆叠差分放大器进行功率放大后，以差分信号的形式同时从第一至第四堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端输出，再经过分布式变压器电网络后，将四路差分信号合成为一路单端信号从输出端RFOUT输出。
基于上述电路分析，本发明提出的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用堆叠型差分放大网络：
堆叠型差分放大器与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；
堆叠型差分放大器与Cascode差分放大器的不同之处在于：Cascode晶体管的共栅管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地，而堆叠型放大器中的堆叠结构的共栅管的补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动。
在整个一种高增益分布式变压器合成的功率放大器电路中，晶体管的尺寸和其他电阻、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，实现在高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，其特征在于，包括输入单端转差分网络、第一堆叠差分放大网络、第二堆叠差分放大网络、第三堆叠差分放大网络、第四堆叠差分放大网络、分布式变压器电网络以及与分布式变压器电网络相连的第一至第四漏极偏置网络；
所述输入单端转差分网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端同时与所述第一至第四堆叠差分放大网络的第一输入端连接，其第二输出端同时与所述第一至第四堆叠差分放大网络的第二输入端连接；
所述第一堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第一输入端和第二输入端连接；所述第二堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第三输入端和第四输入端连接；所述第三堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第五输入端和第六输入端连接；所述第四堆叠差分放大网络的第一输出端和第二输出端分别与所述分布式变压器电网络的第七输入端和第八输入端连接；
所述第一至第四漏极偏置网络的输出端分别与所述分布式变压器网络的第九至第十二输入端连接；
所述分布式变压器电网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，其特征在于，所述输入单端转差分网络的输入端连接变压器Tin的初级线圈的非同名端，Tin的初级线圈的同名端接地；变压器Tin的次级线圈的中间抽头点连接接地电容Ci1和电阻Ri1，电阻Ri1的另一端连接接地电容Ci2、接地电阻Ri2和供电电压Vb，变压器Tin的次级线圈两端通过电容Ci3连接，电容Ci3的两端分别连接电感Li1和电感Li2,电感Li1的另一端和电感Li2的另一端通过电容Ci4连接，电感Li1和电容Ci4的连接节点为所述输入转单端差分网络的第一输出端，电感Li2和电容Ci4的连接节点为所述输入转单端差分网络的第二输出端。
3.根据权利要求1所述的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，其特征在于，所述第N堆叠差分放大网络的第一输入端和第二输入端分别通过电感Lsj和Lpj连接，第一输入端连接场效应晶体管Msj的栅极，第二输入端连接场效应晶体管Mpj的栅极,场效应晶体管Msj和Mpj的源极接地，场效应晶体管Msj的漏极连接场效应晶体管Mtj的源极，场效应晶体管Mtj的栅极连接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端连接接地电阻Rsj和电阻Rrj，电阻Rrj的另一端连接场效应晶体管Mtj的漏极，场效应晶体管Mpj的漏极连接场效应晶体管Mqj的源极，场效应晶体管Mqj的栅极连接接地电容Cqj和电阻Rqj，电阻Rqj的另一端连接接地电阻Rpj和电阻Roj,电阻Roj的另一端连接场效应晶体管Mqj的漏极，场效应晶体管Mtj和场效应晶体管Mqj的漏极通过电容Cdj连接，场效应晶体管Mtj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mqj的漏极连接第N堆叠差分放大网络的第二输出端，其中，N为一、二、三和四，j＝1、2、3和4。
4.根据权利要求1所述的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，其特征在于，所述分布式变压器电网络包括依次耦合的变压器T1、T2、T3和T4，变压器T1的初级线圈的同名端连接变压器T2的第一初级线圈的非同名端，变压器T2的第二初级线圈的同名端连接变压器T3的级线圈的非同名端，变压器T3的初级线圈的同名端连接变压器T4的初级线圈的非同名端，变压器T4的初级线圈的同名端连接变压器T1的初级线圈的非同名端，同时变压器T2的第一初级线圈的同名端连接所述分布式变压器电网络的输出端和接地电容Cout，变压器T2的第二初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的非同名端和同名端分别连接所述分布式变压器电网络的第二输入端、第三输入端，变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端分别连接所述分布式变压器电网络的第四输入端、第五输入端，变压器T3的次级线圈的非同名端和同名端分别连接所述分布式变压器电网络的第六输入端、第七输入端，变压器T4的次级线圈的非同名端和同名端分别连接所述分布式变压器电网络的第八输入端和第一输入端，变压器T1、T2、T3和T4的次级线圈的中间抽头点分别连接所述分布式变压器电网络的第九至第十二输入端。
5.根据权利要求1所述的一种高增益分布式变压器合成的功率放大器，其特征在于，所述第一至第四漏极偏置网络的输出端连接电感Lcj,电感Lcj的另一端连接偏置电压Vd和接地电容Cj,其中，j＝1、2、3和4。
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