CN114362685B - 一种基于高q值差分耦合技术的功率放大器 - Google Patents
一种基于高q值差分耦合技术的功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,属于射频集成电路技术领域,包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络,本发明基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke,规避相关插损;同时结合差分放大器设计技术抑制高频寄生分量,提高电路高频特性;以及采用了输出高Q值差分耦合技术直接进行高效率的功率合成,引入插损较低,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域,具体涉及一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器的设计。
背景技术
射频功率放大器芯片作为电子通信、电子对抗、雷达等发射系统中的最后一级,直接决定了提供的线性度、功耗和功率增益。因此市场往往需要射频功率放大器芯片提供较高的功率和效率,具有较低的功耗。但是,现有的射频功率放大器芯片为了提高集成度,往往需要采用射频扼流圈来进行直流供电并阻断交流信号。此时,射频扼流圈上需要流过较大的电流,但是这对于芯片上的实现方式而言挑战较大。因为片上电感寄生电阻较大,通流能力较弱,Q值较低,因此用作射频扼流圈或者匹配电感时,引入的插损较大,为了降低插损,必须使用较宽的电感绕线,从而需要较大的芯片面积,提高了芯片成本。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,结合差分放大器设计技术及输出高Q值差分耦合技术,可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络;
所述输入差分耦合供电网络的输入端作为所述功率放大器的射频输入端,所述输入差分耦合供电网络的第一输出端与所述自偏置正向放大网络的输入端连接,所述输入差分耦合供电网络的第二输出端与所述自偏置负向放大网络的输入端连接,所述自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接,所述自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接,所述输出高Q值差分耦合网络的输出端作为所述功率放大器的射频输出端。
本发明的有益效果为:本发明基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标;采用自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络构成差分放大结构,可以抑制高频寄生分量,提高电路高频特性;采用输出高Q值差分耦合技术,可以直接进行高效率的功率合成,引入插损较低。
进一步地,所述输入差分耦合供电网络包括电容C1、电容C2、电容C3、接地电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2和变压器T1;
所述电容C1的一端作为所述输入差分耦合供电网络的输入端,并与所述接地电感L1连接,所述电容C1的另一端与电感L2的一端连接,所述电感L2的另一端与变压器T1初级线圈的同名端连接,所述变压器T1初级线圈的非同名端接地,所述变压器T1次级线圈的第一同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第一输出端,所述变压器T1次级线圈的非同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第二输出端,所述变压器T1次级线圈的第二同名端分别与电阻R1的一端和接地电容C2连接,所述电阻R1的另一端分别与接地电容C3和电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端与栅极偏置电源Vg连接。
上述进一步方案的有益效果为:该网络具有ESD保护功能,保护电路放大器输入端免于外部ESD应力的威胁,同时可以实现输入阻抗低频段的良好匹配功能。
进一步地,所述自偏置正向放大网络包括N型场效应管M1、N型场效应管M2、P型场效应管M5、P型场效应管M6、电感L3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9;
所述电感L3的一端作为所述自偏置正向放大网络的输入端,并与接地电容C4连接,所述电感L3的另一端与N型场效应管M1的栅极连接,所述N型场效应管M1的源极接地,所述N型场效应管M1的漏极与N型场效应管M2的源极连接,所述N型场效应管M2的栅极与电阻R4的一端连接,所述电阻R4的另一端分别与接地电阻R3、接地电容C5和电阻R5的一端连接,所述N型场效应管M2的漏极作为所述自偏置正向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M5的漏极连接,所述P型场效应管M5的栅极与电阻R6的一端连接,所述电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端、接地电容C6和电阻R7的一端连接,所述P型场效应管M5的源极与P型场效应管M6的漏极连接,所述P型场效应管M6的栅极与电阻R8的一端连接,所述电阻R8的另一端分别与电阻R7的另一端、接地电容C7和电阻R9的一端连接,所述电阻R9的另一端与P型场效应管M6的源极连接,并作为所述自偏置正向放大网络的第一输出端。
上述进一步方案的有益效果为:自偏置正向放大网络基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标;同时自偏置结构简化了供电网络,提高了电路稳定性。
进一步地,所述自偏置负向放大网络包括N型场效应管M3、N型场效应管M4、P型场效应管M7、P型场效应管M8、电感L4、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16;
所述电感L4的一端作为所述自偏置负向放大网络的输入端,并与接地电容C8连接,所述电感L4的另一端与N型场效应管M3的栅极连接,所述N型场效应管M3的源极接地,所述N型场效应管M3的漏极与N型场效应管M4的源极连接,所述N型场效应管M4的栅极与电阻R11的一端连接,所述电阻R11的另一端分别与接地电阻R10、接地电容C9和电阻R12的一端连接,所述N型场效应管M4的漏极作为所述自偏置负向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M7的漏极连接,所述P型场效应管M7的栅极与电阻R13的一端连接,所述电阻R13的另一端分别与电阻R12的另一端、接地电容C10和电阻R14的一端连接,所述P型场效应管M7的源极与P型场效应管M8的漏极连接,所述P型场效应管M8的栅极与电阻R15的一端连接,所述电阻R15的另一端分别与电阻R14的另一端、接地电容C11和电阻R16的一端连接,所述电阻R16的另一端与P型场效应管M8的源极连接,并作为所述自偏置负向放大网络的第一输出端。
上述进一步方案的有益效果为:自偏置负向放大网络基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标;同时自偏置结构简化了供电网络,提高了电路稳定性。采用与自偏置正向放大网络同样的电路结构可以提高差分电路的正负向信号的对称性。
所述供电网络包括电容C15,所述电容C15的一端作为所述供电网络的输入端,并与漏极偏置电源Vd连接,所述电容C15的另一端接地。
进一步地,所述输出高Q值差分耦合网络包括电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C12、电容C13、电容C14和电阻R17;
所述电感L5的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端,所述电感L5的另一端分别与电感L10的一端、电阻R17的一端、电容C12的一端、和电感L17的一端连接,所述电感L17的另一端分别与接地电容C13、电容C14的一端和电感L8的一端连接,所述电容C14的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端,并与接地电感L9连接;
所述电感L6的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端,所述电感L6的另一端分别与电感L10的另一端、电阻R17的另一端、电容C12的另一端和电感L8的另一端连接。
上述进一步方案的有益效果为:采用输出高Q值差分耦合技术,可以直接进行高效率的功率合成,引入插损较低;同时该网络具有ESD保护功能,保护电路放大器输出端免于外部ESD应力的威胁,同时可以实现输出阻抗低频段的良好匹配功能。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的基于功率自适应偏置调节技术的放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的基于功率自适应偏置调节技术的放大器电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施例提供了一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,如图1所示,包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络;
输入差分耦合供电网络的输入端作为功率放大器的射频输入端,输入差分耦合供电网络的第一输出端与自偏置正向放大网络的输入端连接,输入差分耦合供电网络的第二输出端与自偏置负向放大网络的输入端连接,自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接,自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接,输出高Q值差分耦合网络的输出端作为功率放大器的射频输出端。
如图2所示,输入差分耦合供电网络包括电容C1、电容C2、电容C3、接地电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2和变压器T1;
电容C1的一端作为输入差分耦合供电网络的输入端,并与接地电感L1连接,电容C1的另一端与电感L2的一端连接,电感L2的另一端与变压器T1初级线圈的同名端连接,变压器T1初级线圈的非同名端接地,变压器T1次级线圈的第一同名端作为输入差分耦合供电网络的第一输出端,变压器T1次级线圈的非同名端作为输入差分耦合供电网络的第二输出端,变压器T1次级线圈的第二同名端分别与电阻R1的一端和接地电容C2连接,电阻R1的另一端分别与接地电容C3和电阻R2的一端连接,电阻R2的另一端与栅极偏置电源Vg连接。
如图2所示,自偏置正向放大网络包括N型场效应管M1、N型场效应管M2、P型场效应管M5、P型场效应管M6、电感L3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9;
电感L3的一端作为自偏置正向放大网络的输入端,并与接地电容C4连接,电感L3的另一端与N型场效应管M1的栅极连接,N型场效应管M1的源极接地,N型场效应管M1的漏极与N型场效应管M2的源极连接,N型场效应管M2的栅极与电阻R4的一端连接,电阻R4的另一端分别与接地电阻R3、接地电容C5和电阻R5的一端连接,N型场效应管M2的漏极作为自偏置正向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M5的漏极连接,P型场效应管M5的栅极与电阻R6的一端连接,电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端、接地电容C6和电阻R7的一端连接,P型场效应管M5的源极与P型场效应管M6的漏极连接,P型场效应管M6的栅极与电阻R8的一端连接,电阻R8的另一端分别与电阻R7的另一端、接地电容C7和电阻R9的一端连接,电阻R9的另一端与P型场效应管M6的源极连接,并作为自偏置正向放大网络的第一输出端。
如图2所示,自偏置负向放大网络包括N型场效应管M3、N型场效应管M4、P型场效应管M7、P型场效应管M8、电感L4、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16;
电感L4的一端作为自偏置负向放大网络的输入端,并与接地电容C8连接,电感L4的另一端与N型场效应管M3的栅极连接,N型场效应管M3的源极接地,N型场效应管M3的漏极与N型场效应管M4的源极连接,N型场效应管M4的栅极与电阻R11的一端连接,电阻R11的另一端分别与接地电阻R10、接地电容C9和电阻R12的一端连接,N型场效应管M4的漏极作为自偏置负向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M7的漏极连接,P型场效应管M7的栅极与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端分别与电阻R12的另一端、接地电容C10和电阻R14的一端连接,P型场效应管M7的源极与P型场效应管M8的漏极连接,P型场效应管M8的栅极与电阻R15的一端连接,电阻R15的另一端分别与电阻R14的另一端、接地电容C11和电阻R16的一端连接,电阻R16的另一端与P型场效应管M8的源极连接,并作为自偏置负向放大网络的第一输出端。
如图2所示,供电网络包括电容C15,电容C15的一端作为供电网络的输入端,并与漏极偏置电源Vd连接,电容C15的另一端接地。
如图2所示,输出高Q值差分耦合网络包括电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C12、电容C13、电容C14和电阻R17;
电感L5的一端作为输出高Q值差分耦合网络的第一输入端,电感L5的另一端分别与电感L10的一端、电阻R17的一端、电容C12的一端、和电感L17的一端连接,电感L17的另一端分别与接地电容C13、电容C14的一端和电感L8的一端连接,电容C14的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端,并与接地电感L9连接;
电感L6的一端作为输出高Q值差分耦合网络的第二输入端,电感L6的另一端分别与电感L10的另一端、电阻R17的另一端、电容C12的另一端和电感L8的另一端连接。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍:
射频信号进入输入差分耦合供电网络,经过输入阻抗匹配后,射频信号以等功率分配、信号相位相反的方式同时进入自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络,其中正向信号和负向信号经过放大后,在输出高Q值差分耦合网络进行功率叠加和相位合成,经过阻抗变换后,进入放大器的输出端口。由于自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络的电路结构是一致对称的,放大的射频信号是相位反向的,因此可以显著抑制高频寄生分量,提高电路高频特性;同时由于其放大结构采用了自偏置NMOS级联PMOS放大器结构,其中NMOS和PMOS管的结构和信号也是幅度对称的,因此射频信号从NMOS级联PMOS的中间节点流出的时候,等效于交流开路,直流短路到地,因此可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke,从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。
Claims (3)
1.一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,其特征在于,包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络;
所述输入差分耦合供电网络的输入端作为所述功率放大器的射频输入端,所述输入差分耦合供电网络的第一输出端与所述自偏置正向放大网络的输入端连接,所述输入差分耦合供电网络的第二输出端与所述自偏置负向放大网络的输入端连接,所述自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接,所述自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接,其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接,所述输出高Q值差分耦合网络的输出端作为所述功率放大器的射频输出端;
所述自偏置正向放大网络包括N型场效应管M1、N型场效应管M2、P型场效应管M5、P型场效应管M6、电感L3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9;
所述电感L3的一端作为所述自偏置正向放大网络的输入端,并与接地电容C4连接,所述电感L3的另一端与N型场效应管M1的栅极连接,所述N型场效应管M1的源极接地,所述N型场效应管M1的漏极与N型场效应管M2的源极连接,所述N型场效应管M2的栅极与电阻R4的一端连接,所述电阻R4的另一端分别与接地电阻R3、接地电容C5和电阻R5的一端连接,所述N型场效应管M2的漏极作为所述自偏置正向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M5的漏极连接,所述P型场效应管M5的栅极与电阻R6的一端连接,所述电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端、接地电容C6和电阻R7的一端连接,所述P型场效应管M5的源极与P型场效应管M6的漏极连接,所述P型场效应管M6的栅极与电阻R8的一端连接,所述电阻R8的另一端分别与电阻R7的另一端、接地电容C7和电阻R9的一端连接,所述电阻R9的另一端与P型场效应管M6的源极连接,并作为所述自偏置正向放大网络的第一输出端;
所述自偏置负向放大网络包括N型场效应管M3、N型场效应管M4、P型场效应管M7、P型场效应管M8、电感L4、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16;
所述电感L4的一端作为所述自偏置负向放大网络的输入端,并与接地电容C8连接,所述电感L4的另一端与N型场效应管M3的栅极连接,所述N型场效应管M3的源极接地,所述N型场效应管M3的漏极与N型场效应管M4的源极连接,所述N型场效应管M4的栅极与电阻R11的一端连接,所述电阻R11的另一端分别与接地电阻R10、接地电容C9和电阻R12的一端连接,所述N型场效应管M4的漏极作为所述自偏置负向放大网络的第二输出端,并与P型场效应管M7的漏极连接,所述P型场效应管M7的栅极与电阻R13的一端连接,所述电阻R13的另一端分别与电阻R12的另一端、接地电容C10和电阻R14的一端连接,所述P型场效应管M7的源极与P型场效应管M8的漏极连接,所述P型场效应管M8的栅极与电阻R15的一端连接,所述电阻R15的另一端分别与电阻R14的另一端、接地电容C11和电阻R16的一端连接,所述电阻R16的另一端与P型场效应管M8的源极连接,并作为所述自偏置负向放大网络的第一输出端;
所述输出高Q值差分耦合网络包括电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C12、电容C13、电容C14和电阻R17;
所述电感L5的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端,所述电感L5的另一端分别与电感L10的一端、电阻R17的一端、电容C12的一端、和电感L7的一端连接,所述电感L7的另一端分别与接地电容C13、电容C14的一端和电感L8的一端连接,所述电容C14的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端,并与接地电感L9连接;
所述电感L6的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端,所述电感L6的另一端分别与电感L10的另一端、电阻R17的另一端、电容C12的另一端和电感L8的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,其特征在于,所述输入差分耦合供电网络包括电容C1、电容C2、电容C3、接地电感L1、电感L2、电阻R1、电阻R2和变压器T1;
所述电容C1的一端作为所述输入差分耦合供电网络的输入端,并与所述接地电感L1连接,所述电容C1的另一端与电感L2的一端连接,所述电感L2的另一端与变压器T1初级线圈的同名端连接,所述变压器T1初级线圈的非同名端接地,所述变压器T1次级线圈的第一同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第一输出端,所述变压器T1次级线圈的非同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第二输出端,所述变压器T1次级线圈的第二同名端分别与电阻R1的一端和接地电容C2连接,所述电阻R1的另一端分别与接地电容C3和电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端与栅极偏置电源Vg连接。
3.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器,其特征在于,所述供电网络包括电容C15,所述电容C15的一端作为所述供电网络的输入端,并与漏极偏置电源Vd连接,所述电容C15的另一端接地。
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