CN114531121B - 一种对温度不敏感的线性功率放大器 - Google Patents

一种对温度不敏感的线性功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对温度不敏感的线性功率放大器，包括输入匹配网络、共源共栅共栅反馈放大网络、双共栅温补供电网络、共源温补供电监测网络和输出匹配网络，本发明改进型共源共栅共栅放大网络，可以实现良好的级间二次谐波阻抗匹配提升放大器的效率，结合共栅共栅自适应偏置供电网络，使得放大器可以适应温度波动及功率动态波动，具有高增益、高线性度、高效率、高输出功率的特性，还具备电源监测功能。

Description

一种对温度不敏感的线性功率放大器
技术领域
本发明属于无线通信和集成电路技术领域，具体涉及一种对温度不敏感的线性功率放大器的设计。
背景技术
随着无线通信和无线局域网（WLAN）的快速发展，射频前端发射器也向高性能、高集成、高功率、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求高增益、高线性度、低功耗线性功率放大器芯片。由于GaAs pHEMT工艺相比GaN工艺具有低成本特性，相比GaAs HBT工艺的频率特性更优，因此基于GaAs pHEMT的中功率线性功率放大器芯片的研发受到了广泛的关注。
现有基于GaAs pHEMT工艺线性放大器芯片的解决方案存在一些不足，主要体现在：
（1）基于传统共源放大器方案，该方案结构简单，设计复杂度低，但是功率增益较低，因此需要采用多级放大结构提升增益从而提高了功耗。
（2）基于共源共栅的堆叠放大器方案，可以提升单级功率增益和功率容量，但是这种放大器在进行级间匹配的时候，谐波阻抗无法实现良好的控制，因此效率有待提升。
（3）基于共源共栅的堆叠放大器的温补电路存在不足，现有共源共栅的堆叠放大器往往采用电阻馈电网络，这就导致放大器的温度波动及功率动态波动特性较差，馈电网络的温补作用较弱，线性度指标恶化。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的对温度不敏感的线性功率放大器同时解决了功率增益偏低、级间谐波阻抗控制难度大和温度一致性差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、共源温补供电监测网络、共源共栅共栅反馈放大网络、双共栅温补供电网络和输出匹配网络；
所述输入匹配网络的输入端作为所述线性功率放大器的射频输入端，所述输入匹配网络的输出端和所述共源温补供电监测网络的输出端均与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端连接，所述共源共栅共栅反馈放大网络的输出端与输出匹配网络的输入端连接，所述输出匹配网络的输出端作为所述线性功率放大器射频输出端；
所述双共栅温补供电网络的第一输出端与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端连接，所述双共栅温补供电网络的第二输出端与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端连接。
本发明的有益效果为：本发明中的改进型共源共栅共栅放大网络可以实现良好的级间二次谐波阻抗匹配提升放大器的效率，结合共栅共栅自适应偏置供电网络，使得放大器可以适应温度波动及功率动态波动，具有高增益、高线性度、高效率、高输出功率的特性，还具备电源监测功能。
进一步地，所述输入匹配网络包括电容C1、接地电容C2、电容C3、接地电感L1、电感L2、电感L3和电阻R1；
所述电容C1的一端作为所述输入匹配网络的输入端，并与所述接地电感L1连接，所述电容C1的另一端与所述电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端分别与接地电容C2和电感L3的一端连接，所述电感L3的另一端分别与电容C3的一端和电阻R1的一端连接，所述电容C3的另一端和电阻R1的另一端相互连接，并作为所述输入匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果为：本发明中的输入匹配网络实现了良好的输入驻波匹配，放大器稳定性控制，具备ESD保护功能。
进一步地，所述共源温补供电监测网络包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8、接地电容C4和场效应管M7；
所述电阻R2的一端作为所述共源温补供电网络的输出端，所述电阻R2的另一端分别与接地电容C4、电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与栅极供电电压Vg连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R8的一端和场效应管M7的漏极连接，所述电阻R8的另一端与漏极供电电压Vd连接，所述场效应管M7的源极接地，所述场效应管M7栅极通过电阻R7与检测电压Vdet连接。
上述进一步方案的有益效果为：本发明提供的共源温补供电监测网络针对共源共栅共栅反馈放大网络提供共源温补自适应供电偏置，使得共源极可以适应温度波动及功率动态波动，保证了共射堆叠共基放大网络举报良好的宽动态线性度指标和低功耗指标。
进一步地，所述双共栅温补供电网络包括场效应管M8、场效应管M9、场效应管M10、场效应管M11、接地电阻R11、接地电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、接地电阻R16、接地电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和接地电阻R21；
所述电阻R18的一端作为所述双共栅温补供电网络的第一输出端，所述电阻R18的另一端分别与电阻R14的一端、接地电阻R17和场效应管M11的漏极连接，所述电阻R14的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R19的一端和漏极供电电压Vd连接，所述电阻R13的另一端分别与场效应管M10的栅极、场效应管M10漏极和场效应管M11的栅极连接，所述场效应管M11的源极与接地电阻R16连接，所述场效应管M10的源极与电阻R15的一端连接，所述电阻R15的另一端分别与场效应管M8的漏极、场效应管M8的栅极和场效应管M9的栅极连接，所述场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，所述场效应管M9的源极与接地电阻R12连接，所述场效应管M9的漏极分别与接地电阻R21、电阻R19的另一端和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端作为所述双共栅温补供电网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果为：本发明提供的双共栅温补供电网络，针对共源共栅共栅反馈放大器提供双共栅温补自适应供电偏置，使得共栅共栅极可以适应温度波动及功率动态波动，保证共射堆叠共基放大电路具备良好的宽动态线性度指标和低功耗指标。
进一步地，所述共源共栅共栅反馈放大网络包括场效应管M1、场效应管M2、场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、场效应管M6、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、接地电容C9、接地电容C10、电容C11、接地电容C12、接地电容C13、电阻R5、电阻R6、电阻R10和电阻R9；
所述场效应管M5的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端，并分别与所述接地电容C9和场效应管M6的栅极连接，所述场效应管M5的漏极分别与电感L9的一端和电阻R5的一端连接，所述电感L9的一端分别与电感L11的一端、接地电容C12、电感L10的一端和电容C11的一端连接，并作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的输出端，所述电感L11的另一端分别与接地电容C13和漏极供电电压Vd连接，所述电阻R5的另一端分别与电感L10的另一端和场效应管M6的漏极连接；
所述场效应管M5的源极分别与电感L6的一端和电容C7的一端连接，所述电感L6的另一端分别与场效应管M3的漏极、电容C7的另一端和电阻R10的一端连接，所述电阻R10的另一端分别与电感L7的一端、电容C8的一端和场效应管M4的漏极连接，所述电感L7的另一端和电容C8的另一端相互连接，并与场效应管M6的源极连接；
所述场效应管M3的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端，并分别与场效应管M4的栅极和接地电容C10连接，所述场效应管M3的源极分别与电感L4的一端和电容C5的一端连接，所述电感L4的另一端分别与场效应管M1的漏极、电容C5的另一端和电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与电感L5的一端、电容C6的一端和场效应管M2的漏极连接，所述电感L5的另一端和电容C6的另一端相互连接，并与场效应管M4的源极连接；
所述场效应管M1的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端，并分别与场效应管M2的栅极和电阻R6的一端连接，所述场效应管M1的源极接地，所述场效应管M2的源极接地，所述电阻R6的另一端与电感L8的一端连接，所述电感L8的另一端与电容C11的另一端连接。
上述进一步方案的有益效果为：本发明提供的共源共栅共栅反馈放大器可以提供良好的增益、低功耗特性，同时二路合成架构可以成倍提升放大器输出功率容量，并且具备抑制差模振荡的功能，RLC负反馈网络提升放大器的相应带宽，并且放大器的级间网络利用LC谐振网络提升级间高效率匹配特性，从而提升放大网络的效率。
进一步地，所述输出匹配网络包括电感L12、电感L13、接地电感L14、接地电容C14和电容C15；
所述电感L12的一端作为所述输出匹配网络的输入端，所述电感L12的另一端分别与接地电容C14和电感L13的一端连接，所述电感L13的另一端与电容C15的一端连接，所述电容C15的另一端与接地电感L4连接，并作为所述输出匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果为：本发明中的输出匹配网络实现了良好的输出驻波匹配，具备ESD保护功能。
附图说明
图1为本发明提供的对温度不敏感的线性功率放大器原理框图。
图2为本发明提供的对温度不敏感的线性功率放大器电路图。
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对温度不敏感的线性功率放大器，如图1所示，包括输入匹配网络、共源温补供电监测网络、共源共栅共栅反馈放大网络、双共栅温补供电网络和输出匹配网络；
输入匹配网络的输入端作为线性功率放大器的射频输入端，输入匹配网络的输出端和共源温补供电监测网络的输出端均与共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端连接，共源共栅共栅反馈放大网络的输出端与输出匹配网络的输入端连接，输出匹配网络的输出端作为线性功率放大器射频输出端；
双共栅温补供电网络的第一输出端与共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端连接，双共栅温补供电网络的第二输出端与共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端连接。
如图2所示，输入匹配网络包括电容C1、电容C3、接地电容C2、接地电感L1、电感L2、电感L3和电阻R1；
电容C1的一端作为输入匹配网络的输入端，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的另一端分别与接地电容C2和电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与电容C3的一端和电阻R1的一端连接，电容C3的另一端和电阻R1的另一端相互连接，并作为输入匹配网络的输出端。
如图2所示，共源温补供电监测网络包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8、接地电容C4和场效应管M7；
电阻R2的一端作为共源温补供电网络的输出端，电阻R2的另一端分别与接地电容C4、电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与栅极供电电压Vg连接，电阻R4的另一端分别与电阻R8的一端和场效应管M7的漏极连接，电阻R8的另一端与漏极供电电压Vd连接，场效应管M7的源极接地，场效应管M7栅极通过电阻R7与检测电压Vdet连接。
如图2所示，双共栅温补供电网络包括场效应管M8、场效应管M9、场效应管M10、场效应管M11、接地电阻R11、接地电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、接地电阻R16、接地电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和接地电阻R21；
电阻R18的一端作为双共栅温补供电网络的第一输出端，电阻R18的另一端分别与电阻R14的一端、接地电阻R17和场效应管M11的漏极连接，电阻R14的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R19的一端和漏极供电电压Vd连接，电阻R13的另一端分别与场效应管M10的栅极、场效应管M10漏极和场效应管M11的栅极连接，场效应管M11的源极与接地电阻R16连接，场效应管M10的源极与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端分别与场效应管M8的漏极、场效应管M8的栅极和场效应管M9的栅极连接，场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，场效应管M9的源极与接地电阻R12连接，场效应管M9的漏极分别与接地电阻R21、电阻R19的另一端和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端作为双共栅温补供电网络的第二输出端。
如图2所示，共源共栅共栅反馈放大网络包括场效应管M1、场效应管M2、场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、场效应管M6、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、接地电容C9、接地电容C10、电容C11、接地电容C12、接地电容C13、电阻R5、电阻R6、电阻R10和电阻R9；
场效应管M5的栅极作为共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端，并分别与接地电容C9和场效应管M6的栅极连接，场效应管M5的漏极分别与电感L9的一端和电阻R5的一端连接，电感L9的一端分别与电感L11的一端、接地电容C12、电感L10的一端和电容C11的一端连接，并作为共源共栅共栅反馈放大网络的输出端，电感L11的另一端分别与接地电容C13和漏极供电电压Vd连接，电阻R5的另一端分别与电感L10的另一端和场效应管M6的漏极连接；
场效应管M5的源极分别与电感L6的一端和电容C7的一端连接，电感L6的另一端分别与场效应管M3的漏极、电容C7的另一端和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电感L7的一端、电容C8的一端和场效应管M4的漏极连接，电感L7的另一端和电容C8的另一端相互连接，并与场效应管M6的源极连接；
场效应管M3的栅极作为共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端，并分别与场效应管M4的栅极和接地电容C10连接，场效应管M3的源极分别与电感L4的一端和电容C5的一端连接，电感L4的另一端分别与场效应管M1的漏极、电容C5的另一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别与电感L5的一端、电容C6的一端和场效应管M2的漏极连接，电感L5的另一端和电容C6的另一端相互连接，并与场效应管M4的源极连接；
场效应管M1的栅极作为共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端，并分别与场效应管M2的栅极和电阻R6的一端连接，场效应管M1的源极接地，场效应管M2的源极接地，电阻R6的另一端与电感L8的一端连接，电感L8的另一端与电容C11的另一端连接。
如图2所示，输出匹配网络包括电感L12、电感L13、接地电感L14、接地电容C14和电容C15；
电感L12的一端作为输出匹配网络的输入端，电感L12的另一端分别与接地电容C14和电感L13的一端连接，电感L13的另一端与电容C15的一端连接，电容C15的另一端与接地电感L4连接，并作为输出匹配网络的输出端。
下面对本实施例中的线性功率放大器的工作原理及过程进行介绍：
射频信号进入输入匹配网络，经过输入阻抗匹配后，进入共源共栅共栅反馈放大网络进行信号放大，之后进入输出匹配网络，经过输出阻抗匹配后进入放大器的输出端口；
其中，共源共栅共栅反馈放大网络中的连接共源共栅或者共栅共栅结构的LC并联网络，如L4和C5，其并联谐振点在放大器的二次谐波频段，从而提升级间高效率匹配特性和放大器的效率；
其中，在外界温度波动较大的时候，双共栅温补供电网络，会根据温度波动导致的偏置电流的波动，形成负反馈调节作用拉低或者拉高共源共栅共栅反馈放大网络中放大器的静态工作点补偿电路偏差，从而起到调节温度波动的目的；
其中，共源温补供电监测网络可以一方面给共源共栅共栅反馈放大网络提供供电网络，同时一方面监控放大器的输出端的电压监测情况，便于外部控制信号干预放大器偏置工作状态。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述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 (5)

1.一种对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、共源温补供电监测网络、共源共栅共栅反馈放大网络、双共栅温补供电网络和输出匹配网络；
所述输入匹配网络的输入端作为所述线性功率放大器的射频输入端，所述输入匹配网络的输出端和所述共源温补供电监测网络的输出端均与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端连接，所述共源共栅共栅反馈放大网络的输出端与输出匹配网络的输入端连接，所述输出匹配网络的输出端作为所述线性功率放大器射频输出端；
所述双共栅温补供电网络的第一输出端与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端连接，所述双共栅温补供电网络的第二输出端与所述共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端连接；
所述共源温补供电监测网络包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8、接地电容C4和场效应管M7；
所述电阻R2的一端作为所述共源温补供电监测 网络的输出端，所述电阻R2的另一端分别与接地电容C4、电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与栅极供电电压Vg连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R8的一端和场效应管M7的漏极连接，所述电阻R8的另一端与漏极供电电压Vd连接，所述场效应管M7的源极接地，所述场效应管M7栅极通过电阻R7与检测电压Vdet连接。
2.根据权利要求1所述的对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括电容C1、电容C3、接地电容C2、接地电感L1、电感L2、电感L3和电阻R1；
所述电容C1的一端作为所述输入匹配网络的输入端，并与所述接地电感L1连接，所述电容C1的另一端与所述电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端分别与接地电容C2和电感L3的一端连接，所述电感L3的另一端分别与电容C3的一端和电阻R1的一端连接，所述电容C3的另一端和电阻R1的另一端相互连接，并作为所述输入匹配网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，所述双共栅温补供电网络包括场效应管M8、场效应管M9、场效应管M10、场效应管M11、接地电阻R11、接地电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、接地电阻R16、接地电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和接地电阻R21；
所述电阻R18的一端作为所述双共栅温补供电网络的第一输出端，所述电阻R18的另一端分别与电阻R14的一端、接地电阻R17和场效应管M11的漏极连接，所述电阻R14的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R19的一端和漏极供电电压Vd连接，所述电阻R13的另一端分别与场效应管M10的栅极、场效应管M10漏极和场效应管M11的栅极连接，所述场效应管M11的源极与接地电阻R16连接，所述场效应管M10的源极与电阻R15的一端连接，所述电阻R15的另一端分别与场效应管M8的漏极、场效应管M8的栅极和场效应管M9的栅极连接，所述场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，所述场效应管M9的源极与接地电阻R12连接，所述场效应管M9的漏极分别与接地电阻R21、电阻R19的另一端和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端作为所述双共栅温补供电网络的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，所述共源共栅共栅反馈放大网络包括场效应管M1、场效应管M2、场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、场效应管M6、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、接地电容C9、接地电容C10、电容C11、接地电容C12、接地电容C13、电阻R5、电阻R6、电阻R10和电阻R9；
所述场效应管M5的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第二输入端，并分别与所述接地电容C9和场效应管M6的栅极连接，所述场效应管M5的漏极分别与电感L9的一端和电阻R5的一端连接，所述电感L9的一端分别与电感L11的一端、接地电容C12、电感L10的一端和电容C11的一端连接，并作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的输出端，所述电感L11的另一端分别与接地电容C13和漏极供电电压Vd连接，所述电阻R5的另一端分别与电感L10的另一端和场效应管M6的漏极连接；
所述场效应管M5的源极分别与电感L6的一端和电容C7的一端连接，所述电感L6的另一端分别与场效应管M3的漏极、电容C7的另一端和电阻R10的一端连接，所述电阻R10的另一端分别与电感L7的一端、电容C8的一端和场效应管M4的漏极连接，所述电感L7的另一端和电容C8的另一端相互连接，并与场效应管M6的源极连接；
所述场效应管M3的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第三输入端，并分别与场效应管M4的栅极和接地电容C10连接，所述场效应管M3的源极分别与电感L4的一端和电容C5的一端连接，所述电感L4的另一端分别与场效应管M1的漏极、电容C5的另一端和电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与电感L5的一端、电容C6的一端和场效应管M2的漏极连接，所述电感L5的另一端和电容C6的另一端相互连接，并与场效应管M4的源极连接；
所述场效应管M1的栅极作为所述共源共栅共栅反馈放大网络的第一输入端，并分别与场效应管M2的栅极和电阻R6的一端连接，所述场效应管M1的源极接地，所述场效应管M2的源极接地，所述电阻R6的另一端与电感L8的一端连接，所述电感L8的另一端与电容C11的另一端连接。
5.根据权利要求1所述的对温度不敏感的线性功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络包括电感L12、电感L13、接地电感L14、接地电容C14和电容C15；
所述电感L12的一端作为所述输出匹配网络的输入端，所述电感L12的另一端分别与接地电容C14和电感L13的一端连接，所述电感L13的另一端与电容C15的一端连接，所述电容C15的另一端与接地电感L4连接，并作为所述输出匹配网络的输出端。
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