CN110868160A - 一种互补型功率合成的功率放大器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频集成电路领域，具体提供一种互补型功率合成的功率放大器结构，用以解决现有采用电容补偿技术的功率放大器功耗大、效率低的问题。本发明结构有效利用N型功率放大器和P型功率放大器的互补特性，通过P型功率放大器进行电容补偿，有效保证功率放大器结构线性度；同时，采用变压器将P型功率放大器的输出信号和N型功率放大器的输出信号进行功率合成，保证P型功率放大器的能量没有被浪费掉，使得整个功率放大器的输出功率得到提升，效率也得到提高；另外，提出失配调节网络，解决N型功率放大器与P型功率放大器输出匹配阻抗不同的问题；综上，本发明结构能够在保证功率放大器线性度的同时，提高输出功率及效率。

Description

一种互补型功率合成的功率放大器结构
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，涉及功率放大器，具体为一种互补型功率合成的功率放大器结构。
背景技术
功率放大器通常用在通信系统中，用以将射频小信号进行功率放大；但是由于一些非线性特性的原因，导致功率放大器在大功率输出下不能线性的放大信号；引起功率放大器非线性特性的因素特别多，如寄生元件导致的功率放大器的记忆效应、寄生电阻的热效应等。幅度/相位失真用以表达功率放大器的非线性特性；幅度失真是指：当输入功率增加时，功率放大器的功率增益不能保持为一个定值，而是会随着输入功率的增加而减小，因此功率增益下降1分贝的输出功率值为功率放大器的输出1dB压缩点，功率放大器的工作状态不应该超过输出1dB压缩点，保证功率增益能够保持在一个恒定的值；而相位失真是指：在不同的输入功率下，功率放大器输出电压的相位值与输入电压的相位值不能保持在一个恒定的值，从而产生相位的失真。幅度和相位失真都会使得信号点在星座图上面发生偏移，较大的失真甚至会导致信息不能正确的被解调出来；因此，对功率放大器线性度的提升可以从幅度/相位失真的改善上进行。
在现代通信系统中，高的功率峰均比的信号对功率放大器的线性度的要求就变得特别的高。对功率放大器幅度/相位的失真研究，有助于提升功率放大器的线性度，在幅度失真方面，可以通过控制功率放大器输出功率的大小，使得功率放大器的幅度失真变小；而在相位失真方面，主要是因为在不同输入功率下，功率放大器的晶体管的栅/基极电容是一个变化的值；对于N型晶体管，栅/基极电容会随着输入电压的增加而增加，导致相位的失真变大；在功率放大器的设计中，由于P型晶体管具有与N型晶体管相反的特性，P型晶体管的栅/基极电容会随着输入电压的增加而减小，因此可以利用P型晶体管和N型晶体管的互补特性，减小功率放大器的相位失真。
通常利用P型晶体管进行补偿的技术叫做电容补偿技术，利用N型晶体管设计的功率放大器称为N型功率放大器，通过在N型功率放大器的晶体管的栅/基极并联P型晶体管，N型晶体管的栅/基极和P型晶体管的栅/基极并联在一起，这时的P型晶体管的作用其实起到的是一个电容作用；如文献“A Nonlinear Capacitance Cancellation Technique andits Appli cation to a CMOS Class AB Power Amplifier”中采用的结构。但是，该类结构都存在一个缺点：通常功率放大器的晶体管的尺寸都比较大，为了补偿N型晶体管的栅/基极电容，需要一个同样很大的P型晶体管，另外P型晶体管也需要另外增加一个独立的电源；因此，为了得到较好的线性度，P型晶体管部分会产生较大的功耗，从而使得整个功率放大器的功耗变大，功率附加效率变低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述采用电容补偿技术的功率放大器功耗大、效率低的问题，提供了一种互补型功率合成的功率放大器；该功率放大器结构基于电容补充技术，采用变压器将P型功率放大器的输出信号和N型功率放大器的输出信号进行功率合成，进而提升整个功率放大器的输出功率与效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种互补型功率合成的功率放大器结构，包括：N型功率放大器101、P型功率放大器102、变压器103、输出匹配网络104与失配调节网络105；其中，输入差分信号Vin+、Vin-分别输入到N型功率放大器101和P型功率放大器102进行功率放大，分别得到N型功率放大器输出差分信号Voutn+、Voutn-和P型功率放大器输出差分信号Voutp+和Voutp-；所述输出差分信号Voutn+、Voutn-和Voutp+、Voutp-经过失配调节网络105进行阻抗匹配后，由变压器103进行功率合成，最后通过输出匹配网络104传递到负载阻抗R0；其特征在于，所述失配调节网络105由电容C1与电容C2构成，所述电容C1的两端分别连接于N型功率放大器101的输出正端和输出负端，所述电容C2的两端分别连接于P型功率放大器102的输出正端和输出负端。
进一步的，所述失配调节网络中，电容C1与电容C2需要满足如下关系：
Figure BDA0002291314030000021
其中，Znmos为N型功率放大器的输出阻抗，Zpmos为P型功率放大器的输出阻抗，Z2为变压器的输入阻抗，ω＝2πf、f为功率放大器工作频率。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种互补型功率合成的功率放大器结构，该结构有效利用N型功率放大器和P型功率放大器的互补特性，通过P型功率放大器进行电容补偿，有效保证功率放大器结构线性度；同时，采用变压器将P型功率放大器的输出信号和N型功率放大器的输出信号进行功率合成，保证P型功率放大器的能量没有被浪费掉，使得整个功率放大器的输出功率得到提升，效率也得到提高；另外，本发明提出失配调节网络，解决N型功率放大器与P型功率放大器输出匹配阻抗不同的问题；综上，本发明结构能够在保证功率放大器线性度的同时，提高输出功率及效率。
失配调节网络部分解决了N型功率放大器和P型功率放大器输出匹配阻抗不同的问题。
本发明实施提供利用功率合成的方法，使用N型功率放大器和P型功率放大器并进行功率合成，在解决了线性度的基础上，实现了高效率和较大的输出功率的性能。并提出了失配调节技术，解决了N型和P型功率放大器在功率合成时输出阻抗匹配不一致的问题。
附图说明
图1为本发明互补型功率合成的功率放大器结构示意图。
图2为本发明失配调节网络的结构示意图。
图3为本发明变压器阻抗变换示意图。
图4为本发明输出匹配网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
为了解决现有的利用P型晶体管进行电容补偿，用以提高N型功率放大器的线性度时会有功耗大、效率低的问题；本发明充分考虑了消耗在P型晶体管上面的能量，并将此部分能量通过变压器与N型功率放大器的输出功率进行功率耦合，实现了在保证线性度的同时，还能得到大的输出功率，保证较高的效率。
本实施例提供了一种互补型功率合成的功率放大器结构，其结构如图1所示，包括：N型功率放大器101、P型功率放大器102、变压器103、输出匹配网络104与失配调节网络105；其中，将输入差分信号分别输入到N型功率放大器101和P型功率放大器102，输入的差分信号Vin+和Vin-分别经过N型功率放大器101和P型功率放大器102进行功率放大，分别得到输出差分信号Voutn+、Voutn-和Voutp+、Voutp-；输出差分信号Voutn+、Voutn-和Voutp+、Voutp-经过失配调节网络105进行阻抗匹配后，再经变压器103进行功率合成，最后通过输出匹配网络传递到负载阻抗R0。
从工作原来上讲：由于N型功率放大器101的N型晶体管的栅/基极和P型功率放大器102的P型晶体管的栅/基极对应相连，P型功率放大器102能对N型功率放大器101起到电容补偿的作用，从而提高整个功率放大器的的线性度。在实际进行阻抗匹配时，N型功率放大器101和P型功率放大器102所需要匹配到的阻抗是不一样的，这个阻抗值的确定可以出于不同目的：如最大输出功率、最大效率、最大的1dB输出功率压缩点，具体情况不限于这些但包括这些。而为了解决N型功率放大器101和P型功率放大器102所需要匹配到的阻抗不一样的问题，本发明采用失配调节网络105，如图2所示，N型功率放大器101和P型功率放大器102的两个阻抗分别为Znmos、Zpmos，调节的方法是分别利用两个并联电容C1和C2，电容C1的两端分别接在N型功率放大器101的输出正端Voutn+和负端Voutn-，电容C2的两端分别接在P型功率放大器的输出正端Voutp+和负端Voutp-。由于变压器原线圈是相同结构，所以从失配调节网络105往变压器104里看的输入阻抗是相同的，变压器部分的输入阻抗为Z2；故，为了实现阻抗匹配，两个电容则分别满足以下表达式(1)和(2)：
Figure BDA0002291314030000041
Figure BDA0002291314030000042
其中，ω＝2πf，f为功率放大器工作频率；
负载阻抗R0经过如图4所示输出匹配网络104之后，将负载阻抗R0匹配到Z1，再经过如图3所示的变压器103，阻抗Z1变换成阻抗Z2。
在本发明互补型功率合成的功率放大器结构中，有效利用N型功率放大器和P型功率放大器的互补特性，利用P型功率放大器进行电容补偿，有效保证功率放大器结构线性度；同时，采用变压器103将P型功率放大器102的输出信号和N型功率放大器101的输出信号进行功率合成，P型功率放大器102的能量没有被浪费掉，整个功率放大器的输出功率得到了提升，效率也得到了提高；另外，提出失配调节网络105，解决N型功率放大器与P型功率放大器输出匹配阻抗不同的问题；综上，本发明结构能够在保证功率放大器线性度的同时保证较大的输出功率和较高的效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种互补型功率合成的功率放大器结构，包括：N型功率放大器(101)、P型功率放大器(102)、变压器(103)、输出匹配网络(104)与失配调节网络(105)；其中，输入差分信号分别输入到N型功率放大器(101)和P型功率放大器(102)进行功率放大，分别得到N型功率放大器输出差分信号和P型功率放大器输出差分信号；所述N型功率放大器输出差分信号和P型功率放大器输出差分信号经过失配调节网络(105)进行阻抗匹配后，由变压器(103)进行功率合成，最后通过输出匹配网络(104)传递到负载阻抗；其特征在于，所述失配调节网络(105)由电容C1与电容C2构成，所述电容C1的两端分别连接于N型功率放大器(101)的输出正端和输出负端，所述电容C2的两端分别连接于P型功率放大器(102)的输出正端和输出负端。
2.按权利要求1所述互补型功率合成的功率放大器结构，其特征在于，所述失配调节网络中，电容C1与电容C2需要满足如下关系：
Figure FDA0002291314020000011
其中，Znmos为N型功率放大器的输出阻抗，Zpmos为P型功率放大器的输出阻抗，Z2为变压器的输入阻抗，ω＝2πf、f为功率放大器工作频率。
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