CN112865717A - 一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器 - Google Patents

一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，包括输入匹配及供电网络、自适应线性化反馈网络、自偏置负反馈放大网络、基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络，核心架构采用自偏置负反馈放大网络在微波段的高功率、高增益特性，同时利用自适应线性化反馈网络调节自偏置负反馈放大网络在进行大信号功率放大的底层堆叠晶体管的线性度分量，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高线性度和高功率输出能力。

Description

一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器
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基于自适应线性化技术的高增益功率放大器。
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：传统功率放大器电压摆幅较小，单管输出功率低，往往需要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)线性度指标受限：典型的功率放大器网络的偏置电路往往设计方法比较单一，无法满足线性度指标的改善，往往需要额外的线性化电路，这就给系统应用带来了复杂因素。
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：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。
除此之外，典型的传统堆叠场效应晶体管，往往在最下方的偏置网络中加入了线性化偏置网络，这样的设置对于堆叠放大器的线性度指标的改进比较有限，忽略了上方堆叠晶体管的偏置电路对于线性度的限制。
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；典型的传统堆叠场效应晶体管在线性度偏置网络设计中存在局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，结合了场效应晶体管堆叠技术、自适应线性化技术的优点，具有在微波频段高功率、高增益且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，包括输入匹配及供电网络、自适应线性化反馈网络、自偏置负反馈放大网络、基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络；
输入匹配及供电网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其输出端与自偏置负反馈放大网络的第一输入端连接；
自适应线性化反馈网络的第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端分别与自偏置负反馈放大网络的第五输入端、第三输入端、第二输入端和第四输入端连接；
自偏置负反馈放大网络的输出端与基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接；
基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
本发明技术方案的有益效果是：采用自偏置负反馈放大网络具有高功率、高增益特性，同时利用自适应线性化反馈网络调节自偏置负反馈放大网络在进行大信号功率放大的底层堆叠晶体管的线性度分量，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高线性度和高功率输出能力。
进一步的，输入匹配及供电网络的输入端RFin连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接接地电容C2、电阻R1和电感L2，电阻R1的另一端连接电感L3，电感L3的另一端连接接地电容C3和偏置电压Vg1，电感L2的另一端连接输入匹配及供电网络的输出端；
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入匹配及供电网络除了能实现阻抗匹配外，还能改善电路的低频稳定性。
进一步的，自适应线性化反馈网络第一输入端连接电容C12,电容C12的另一端连接场效应晶体管M7的漏极和接地电阻R12，场效应晶体管M7的源极接地，场效应晶体管M7的栅极连接电阻R11和场效应晶体管M6的漏极，电阻R11的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M6的源极接地，场效应晶体管M6的栅极连接电感L9和电容C11，电感L9的另一端连接偏置电压Vct2，电容C11的另一端连接述自适应线性化反馈网络第二输出端；自适应线性化反馈网络第二输入端连接电容C10,电容C10的另一端连接场效应晶体管M5的漏极和接地电阻R10，场效应晶体管M5的源极接地，场效应晶体管M5的栅极连接电阻R9和场效应晶体管M4的漏极，电阻R9的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M4的源极接地，场效应晶体管M4的栅极连接电感L8和电容C9，电感L8的另一端连接偏置电压Vct2，电容C9的另一端连接述自适应线性化反馈网络第一输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明自适应线性化反馈网络可以调节自偏置负反馈放大网络在进行大信号功率放大时候的每个堆叠层晶体管的线性度分量，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高线性度和高功率输出能力。
进一步的，自偏置负反馈放大网络中的场效应晶体管M3的源极连接电感L7，电感L7的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第五输入端、场效应晶体管M2的漏极和电感L5，电感L5的另一端连接接地电容C7，场效应晶体管M3的漏极连接自偏置负反馈放大网络的输出端和电阻R8，电阻R8的另一端连接电阻R7和电阻R6，电阻R7的另一端连接场效应晶体管M3的栅极和接地电容C8，电阻R6的另一端连接电阻R4和接地电阻R5，电阻R4的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第四输入端、电阻R3和场效应晶体管M2的栅极，电阻R3的另一端连接接地电容C6，场效应晶体管M2的源极连接电感L6，电感L6的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第三输入端、场效应晶体管M1的漏极和电感L4，电感L4的另一端连接接地电容C5，场效应晶体管M1的栅极连接自偏置负反馈放大网络的第二输入端和由电阻R2和电容C4构成的RC回路，RC回路的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第一输入端，场效应晶体管M1的源极接地。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的自偏置负反馈放大网络可以增加放大器的电压摆幅，提高功率输出能力和输出阻抗，改善输出匹配。同时，放大器的堆叠结构采用自偏置结构，简化了供电偏置网络。
进一步的，基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接电感L10，电感L10的另一端连接电感L11和接地电容C13，电感L11的另一端连接电感L12、电容C17和接地电容C14，电感L12的另一端连接接地电容C15、接地电容C16和偏置电压Vd1，电容C17的另一端连接电容C18和接地电感L13，电容C18的另一端连接基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络可以补偿堆叠放大器结构的等效输出漏源寄生电容，实现输出信号的波形整形，从而达到提高放大器效率，降低匹配网络插损作用，同时具备射频信号隔直功能。
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基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，包括输入匹配及供电网络、自适应线性化反馈网络、自偏置负反馈放大网络、基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络。
如图1所示，输入匹配及供电网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其输出端与自偏置负反馈放大网络的第一输入端连接；
自适应线性化反馈网络的第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端分别与自偏置负反馈放大网络的第五输入端、第三输入端、第二输入端和第四输入端连接；
自偏置负反馈放大网络的输出端与基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接；
基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
如图2所示，输入匹配及供电网络的输入端RFin连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接接地电容C2、电阻R1和电感L2，电阻R1的另一端连接电感L3，电感L3的另一端连接接地电容C3和偏置电压Vg1，电感L2的另一端连接输入匹配及供电网络的输出端；
自适应线性化反馈网络第一输入端连接电容C12,电容C12的另一端连接场效应晶体管M7的漏极和接地电阻R12，场效应晶体管M7的源极接地，场效应晶体管M7的栅极连接电阻R11和场效应晶体管M6的漏极，电阻R11的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M6的源极接地，场效应晶体管M6的栅极连接电感L9和电容C11，电感L9的另一端连接偏置电压Vct2，电容C11的另一端连接述自适应线性化反馈网络第二输出端；自适应线性化反馈网络第二输入端连接电容C10,电容C10的另一端连接场效应晶体管M5的漏极和接地电阻R10，场效应晶体管M5的源极接地，场效应晶体管M5的栅极连接电阻R9和场效应晶体管M4的漏极，电阻R9的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M4的源极接地，场效应晶体管M4的栅极连接电感L8和电容C9，电感L8的另一端连接偏置电压Vct2，电容C9的另一端连接述自适应线性化反馈网络第一输出端；
自偏置负反馈放大网络中的场效应晶体管M3的源极连接电感L7，电感L7的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第五输入端、场效应晶体管M2的漏极和电感L5，电感L5的另一端连接接地电容C7，场效应晶体管M3的漏极连接自偏置负反馈放大网络的输出端和电阻R8，电阻R8的另一端连接电阻R7和电阻R6，电阻R7的另一端连接场效应晶体管M3的栅极和接地电容C8，电阻R6的另一端连接电阻R4和接地电阻R5，电阻R4的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第四输入端、电阻R3和场效应晶体管M2的栅极，电阻R3的另一端连接接地电容C6，场效应晶体管M2的源极连接电感L6，电感L6的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第三输入端、场效应晶体管M1的漏极和电感L4，电感L4的另一端连接接地电容C5，场效应晶体管M1的栅极连接自偏置负反馈放大网络的第二输入端和由电阻R2和电容C4构成的RC回路，RC回路的另一端连接自偏置负反馈放大网络的第一输入端，场效应晶体管M1的源极接地；
基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接电感L10，电感L10的另一端连接电感L11和接地电容C13，电感L11的另一端连接电感L12、电容C17和接地电容C14，电感L12的另一端连接接地电容C15、接地电容C16和偏置电压Vd1，电容C17的另一端连接电容C18和接地电感L13，电容C18的另一端连接基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输出端。
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，通过输入匹配及供电网络匹配后，进入自偏置负反馈放大网络的第一输入端，通过放大网络进行功率放大后，从自偏置负反馈放大网络输出端输出，再经过基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的阻抗匹配后从输出端RFout输出。同时，自适应线性化反馈网络的第一输入端、第二输入端接收来自偏置负反馈放大网络中晶体管M1和M2的漏极电压信号，并形成反馈线性化电压信号，通过自适应线性化反馈网络的第一输出端、第二输出端传递给自偏置负反馈放大网络中M1和M2的栅极，从而调整放大器的线性化指标，为电路提供合适的线性化工作状态。
基于上述电路分析，本发明提出的一种基于自适应线性化技术的高增益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带有自适应线性化反馈网络的自偏置负反馈放大网络：
自偏置负反馈放大网络与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；
自偏置负反馈放大网络与Cascode放大器的不同之处在于：Cascode晶体管的共源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，而自偏置负反馈放大网络中三堆叠场效应晶体管共源管的堆叠栅极补偿电容是容值很小的电容，用于实现栅极的交流同步摆动，非交流接地。
在整个一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、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)

1.一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，包括输入匹配及供电网络、自适应线性化反馈网络、自偏置负反馈放大网络、基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络；
所述输入匹配及供电网络的输入端为整个所述放大器的输入端，其输出端与所述自偏置负反馈放大网络的第一输入端连接；
所述自适应线性化反馈网络的第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端分别与所述自偏置负反馈放大网络的第五输入端、第三输入端、第二输入端和第四输入端连接；
所述自偏置负反馈放大网络的输出端与所述基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接；
所述基于寄生参数补偿的高效率输出匹配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所述的一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，所述输入匹配及供电网络的输入端RFin连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接接地电容C2、电阻R1和电感L2，电阻R1的另一端连接电感L3，电感L3的另一端连接接地电容C3和偏置电压Vg1，电感L2的另一端连接输入匹配及供电网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，所述自适应线性化反馈网络第一输入端连接电容C12,电容C12的另一端连接场效应晶体管M7的漏极和接地电阻R12，场效应晶体管M7的源极接地，场效应晶体管M7的栅极连接电阻R11和场效应晶体管M6的漏极，电阻R11的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M6的源极接地，场效应晶体管M6的栅极连接电感L9和电容C11，电感L9的另一端连接偏置电压Vct2，电容C11的另一端连接述自适应线性化反馈网络第二输出端；所述自适应线性化反馈网络第二输入端连接电容C10,电容C10的另一端连接场效应晶体管M5的漏极和接地电阻R10，场效应晶体管M5的源极接地，场效应晶体管M5的栅极连接电阻R9和场效应晶体管M4的漏极，电阻R9的另一端连接偏置电压Vct1,场效应晶体管M4的源极接地，场效应晶体管M4的栅极连接电感L8和电容C9，电感L8的另一端连接偏置电压Vct2，电容C9的另一端连接述自适应线性化反馈网络第一输出端。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，所述自偏置负反馈放大网络中的场效应晶体管M3的源极连接电感L7，电感L7的另一端连接所述自偏置负反馈放大网络的第五输入端、场效应晶体管M2的漏极和电感L5，电感L5的另一端连接接地电容C7，场效应晶体管M3的漏极连接所述自偏置负反馈放大网络的输出端和电阻R8，电阻R8的另一端连接电阻R7和电阻R6，电阻R7的另一端连接场效应晶体管M3的栅极和接地电容C8，电阻R6的另一端连接电阻R4和接地电阻R5，电阻R4的另一端连接所述自偏置负反馈放大网络的第四输入端、电阻R3和场效应晶体管M2的栅极，电阻R3的另一端连接接地电容C6，场效应晶体管M2的源极连接电感L6，电感L6的另一端连接所述自偏置负反馈放大网络的第三输入端、场效应晶体管M1的漏极和电感L4，电感L4的另一端连接接地电容C5，场效应晶体管M1的栅极连接所述自偏置负反馈放大网络的第二输入端和由电阻R2和电容C4构成的RC回路，RC回路的另一端连接所述自偏置负反馈放大网络的第一输入端，场效应晶体管M1的源极接地。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应线性化技术的高增益功率放大器，其特征在于，所述基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输入端连接电感L10，电感L10的另一端连接电感L11和接地电容C13，电感L11的另一端连接电感L12、电容C17和接地电容C14，电感L12的另一端连接接地电容C15、接地电容C16和偏置电压Vd1，电容C17的另一端连接电容C18和接地电感L13，电容C18的另一端连接所述基于寄生参数补偿的高效率输出匹配网络的输出端。
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