CN116015227A - 一种并联式差分功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种并联式差分功率放大器，包括两路并联的功率放大器支路，两路功率放大器支路分别包括输入匹配网络、功率放大单元和输出匹配网络，两个支路的输入信号均来自输入巴伦，且相位相差180°；功率放大单元包括至少一只功率管，第一支路中的功率管与第二支路中的功率管通过中和电容连接。本发明的并联式差分功率放大器中两路功放的输出网络同时实现阻抗变换和180°相位补偿的作用，两路功放直接并联连接，避免了变压器的使用，克服了传统差分功率放大器在III‑V族工艺中实现时存在的高损耗、低平衡度等问题。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种并联式差分功率放大器。
背景技术
相比于单端功率放大器(Power Amplifier,PA)，差分功率放大器在增益、谐波抑制等方面具有性能优势。传统的差分PA一般是基于变压器进行设计，如图1所示，这里为了方便分析假设了输出变压器T1的匝数比是1，实际变压器的匝数比可能不是1，但是不影响分析结果。两个完全相同的PA级联在输出变压器T1和输入变压器T2的两个端子，两个PA的功率均为P，最佳负载阻抗为Zopt。由于输出变压器的电压合成作用，差分PA的总输出功率为2P，最佳负载阻抗提升为2Zopt。
硅基工艺的PA通常输出功率和Zopt较低，基于变压器的差分PA在提高输出功率的同时还能够提升最佳负载阻抗，降低了输出匹配难度，因此广受欢迎。然而，对于一些III-V族工艺，比如氮化镓(GaN)工艺，基于变压器的差分PA方案会遇到很多问题。一方面，III-V族工艺的金属层数较少，可能如无法实现宽边耦合，而窄边耦合的耦合度又难以达到要求。另一方面，由于工作电压较高，Zopt也会相应的提高，这会导致变压器的设计难度及插入损耗会急剧上升。III-V族工艺一般都会背金，即芯片背部都会有一个地平面，这会降低变压器的共模阻抗，当Zopt提高时，变压器的差模阻抗就会和共模阻抗相当，导致平衡度恶化。而且为了提高差模阻抗，变压器的线宽需要减小，这又会导致损耗增加。因此当基于III-V族工艺设计差分PA、且Zopt较高时，基于变压器的设计方案就不再适用，需要探索新的方案。
发明内容
针对传统差分PA设计方案在III-V族工艺中实现时存在的高损耗、低平衡度等问题，本发明提出一种并联式差分功率放大器，能够有效克服上述问题，而且具有结构简单，设计灵活的优势。
本发明提出的一种并联式差分功率放大器，包括两路并联的功率放大器支路，两路功率放大器支路分别包括输入匹配网络、功率放大单元和输出匹配网络，两个支路的输入信号均来自输入巴伦，且相位相差180°；所述功率放大单元包括至少一只功率管，第一支路中的功率管与第二支路中的功率管通过中和电容连接。
在一些实施例中，所述第一支路的功率放大单元包括功率管Q1a，所述第二支路的功率放大单元包括功率管Q1b，功率管Q1a的栅极和功率管Q1b的漏极通过中和电容C1a连接，功率管Q1a的漏极和功率管Q1b的栅极通过中和电容C1b连接。
在另一些实施例中，所述第一支路的功率放大单元包括两个或多个功率管Q1a、……、Qna，所述第二支路的功率放大单元相应的也包括两个或多个功率管Q1b、……、Qnb，n≥2，每个支路的相邻功率管之间连接有级间匹配网络，所述级间匹配网络一端连接前一功率管的漏极，另一端连接在后一功率管的栅极；功率管Qia的栅极和功率管Qib的漏极通过中和电容Cia连接，功率管Qia的漏极和功率管Qib的栅极通过中和电容Cib连接，i＝1、……、n。
进一步的，所述中和电容的值小于所述功率管的反馈电容的值。
进一步的，所述第一支路中的第一输出匹配网络与第二支路中的第二输出匹配网络被配置用于将100Ω变换到各自功率管的最佳负载阻抗，且所述第一输出匹配网络与所述第二输出匹配网络的相移相差180°。
进一步的，所述输入巴伦为变压器、180°耦合器、功分器加相位补偿结构或正交耦合器加相位补偿结构的任一种。
更进一步的，在所述功分器加相位补偿结构中，所述功分器为同相功分器，其后分为两条支路，每一支路中有一相位补偿网络，两个所述相位补偿网络呈180°相位差。
在所述正交耦合器加相位补偿结构中，所述正交耦合器后分为两条支路，每一支路中有一相位补偿网络，两个所述相位补偿网络呈90°相位差。
优选的，所述功分器或所述180°耦合器通过分布参数或集总参数实现。
本发明还包括一种集成电路，包括上述任一技术方案所述的并联式差分功率放大器。
本发明的并联式差分功率放大器中两路功放的输出网络同时实现阻抗变换和180°相位补偿的作用，两路功放直接并联连接，避免了变压器的使用，克服了传统差分功率放大器在III-V族工艺中实现时存在的高损耗、低平衡度等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统差分功率放大器结构示意图；
图2为本发明实施例并联式差分功率放大器为单级结构的示意图；
图3为本发明实施例并联式差分功率放大器为两级结构的示意图；
图4(a)为图2和图3实施例中输入巴伦为变压器的结构图；
图4(b)为图2和图3实施例中输入巴伦为180°耦合器时的结构示意图；
图4(c)为图2和图3实施例中输入巴伦为同相功分器加相位补偿网络时的结构示意图；
图4(d)为图2和图3实施例中输入巴伦为正交耦合器加相位补偿网络时的结构示意图；
图5(a)为6GHz设计实例中采用的第一输出匹配网络结构示意图；
图5(b)为6GHz设计实例中采用的第二输出匹配网络结构示意图；
图6(a)为图5设计实例的输出匹配网络仿真匹配效果图；
图6(b)为图5设计实例的输出匹配网络仿真相位差图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实施例介绍的一种并联式差分功率放大器，包括两路并联的功率放大器支路，两路功率放大器支路分别包括输入匹配网络、功率放大单元和输出匹配网络，两个支路的输入信号均来自输入巴伦，且相位相差180°；功率放大单元包括至少一只功率管，为了提高增益，第一支路中的功率管与第二支路中的功率管通过中和电容连接。
在一些实施方式中，两个支路的功率放大单元均包括一只功率管，即单级结构，如图2所示。第一支路的功率放大单元包括功率管Q1a，第二支路的功率放大单元包括功率管Q1b，功率管Q1a的栅极和功率管Q1b的漏极通过中和电容C1a连接，功率管Q1a的漏极和功率管Q1b的栅极通过中和电容C1b连接。
还有一种情况，两个支路的功率放大单元分别包括两只以上功率管，称为多级结构。图3以两只功率管的功率放大器为例，可看出第一支路的功率放大单元包括两个功率管Q1a和Q2a，第二支路的功率放大单元相应的也包括两个功率管Q1b和Q2b，两个支路的相邻功率管之间连接有一级间匹配网络，级间匹配网络一端连接前一功率管的漏极，另一端连接在后一功率管的栅极；功率管Q1a的栅极和功率管Q1b的漏极通过中和电容C1连接，功率管Q1a的漏极和功率管Q1b的栅极通过中和电容C1b连接；功率管Q2a的栅极和功率管Q2b的漏极通过中和电容C2a连接，功率管Q2a的漏极和功率管Q2b的栅极通过中和电容C2b连接。
当两支路功率放大单元包括三只乃至更多功率管的结构以此类推，相邻功率管之间连接有级间匹配网络，所述级间匹配网络一端连接前一功率管的漏极，另一端连接在后一功率管的栅极；功率管Qia的栅极和功率管Qib的漏极通过中和电容Cia连接，功率管Qia的漏极和功率管Qib的栅极通过中和电容Cib连接。
上述实施方式中，中和电容的值小于对应的功率管的反馈电容的值，以避免产生自激。举例如图3中，中和电容C1a和C1b的值小于功率管Q1a和Q1b的反馈电容的值，C2a和C2b的值小于功率管Q2a和Q2b的反馈电容的值。
图2和图3的实施例中，两个支路的输入匹配网络完全相同，第一支路中的第一输出匹配网络与第二支路中的第二输出匹配网络用于将100Ω变换到各自功率管的最佳负载阻抗Zopt，且第一输出匹配网络与第二输出匹配网络的相移相差180°，确保两路功放的功率能够同相合成。图2中第一输出匹配网络和第二输出匹配网络的相移分别标识为θ和θ-180°。功率管Q1的输出寄生参数，比如输出电容，被吸收进输出匹配网络中，图2中的Zopt是指功率管漏极根部的最佳负载阻抗。
在一些具体实施方式中，输入巴伦可以为变压器、180°耦合器、功分器加相位补偿结构或正交耦合器加相位补偿结构的任一种。图4(a)～图4(d)分别是四种输入巴伦的实现形式。
其中图4(c)所示的功分器加相位补偿结构中，所述功分器为同相功分器，优选的为Wilkinson功分器，其后分为两条支路，每一支路中有一相位补偿网络，两个相位补偿网络呈180°相位差。
图4(d)所示的正交耦合器加相位补偿结构中，所述正交耦合器优选的为分支线耦合器，其后分为两条支路，两条支路相位差为90°，每一支路中有一相位补偿网络，两个相位补偿网络又产生90°相位差，故两支路的输出相位差为180°。
根据不同的工作频段以及不同的尺寸要求，所述功分器或所述180°耦合器通过分布参数或集总参数实现。
输出匹配网络的设计是并联式差分PA的设计难点，因为需要选择合适的网络同时实现阻抗变换和相位补偿的功能，这里给出一个设计实例进行说明。设计实例基于0.25umGaN工艺，工作电压28V，中心频率6GHz，功率管Q1的尺寸为4X200um，提取出Zopt为84Ω，输出电容Cout为0.38pF。第一输出匹配网络和第二输出匹配网络分别采用图5(a)和图5(b)所示的电路。通过联合优化两个网络，可以在5-7GHz频段内都实现较好的匹配效果，而且两个网络呈现179°～183°的相位差，如图6(a)和图6(b)所示。
需要说明的是，以上提到的电阻、电感、电容并不实指一个电子器件，还可以是经过并联、串联或其他方式搭建的电路等效而成的电阻、电感和电容。
本实施例还提供一种集成电路，包括上述任一技术方案中所述的并联式差分功率放大器。该集成电路可以封装在一个芯片中，也可以封装在不同芯片或者PCB板上。该集成电路可用于蜂窝通信系统的用户设备、基站、无线网络的接入点、无线电通信装置等通信设备中。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种并联式差分功率放大器，包括两路并联的功率放大器支路，其特征在于，两路功率放大器支路分别包括输入匹配网络、功率放大单元和输出匹配网络，两个支路的输入信号均来自输入巴伦，且相位相差180°；所述功率放大单元包括至少一只功率管，第一支路中的功率管与第二支路中的功率管通过中和电容连接。
2.根据权利要求1所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述第一支路的功率放大单元包括功率管Q1a，所述第二支路的功率放大单元包括功率管Q1b，功率管Q1a的栅极和功率管Q1b的漏极通过中和电容C1a连接，功率管Q1a的漏极和功率管Q1b的栅极通过中和电容C1b连接。
3.根据权利要求1所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述第一支路的功率放大单元包括两个或多个功率管Q1a、……、Qna，所述第二支路的功率放大单元相应的也包括两个或多个功率管Q1b、……、Qnb，n≥2，每个支路的相邻功率管之间连接有级间匹配网络，所述级间匹配网络一端连接前一功率管的漏极，另一端连接在后一功率管的栅极；功率管Qia的栅极和功率管Qib的漏极通过中和电容Cia连接，功率管Qia的漏极和功率管Qib的栅极通过中和电容Cib连接，i＝1、……、n。
4.根据权利要求1所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述中和电容的值小于对应的功率管的反馈电容的值。
5.根据权利要求1所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述第一支路中的第一输出匹配网络与第二支路中的第二输出匹配网络被配置用于将100Ω变换到各自功率管的最佳负载阻抗，且所述第一输出匹配网络与所述第二输出匹配网络的相移相差180°。
6.根据权利要求1所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述输入巴伦为变压器、180°耦合器、功分器加相位补偿结构或正交耦合器加相位补偿结构的任一种。
7.根据权利要求6所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，在所述功分器加相位补偿结构中，所述功分器为同相功分器，其后分为两条支路，每一支路中有一相位补偿网络，两个所述相位补偿网络呈180°相位差。
8.根据权利要求6所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，在所述正交耦合器加相位补偿结构中，所述正交耦合器后分为两条支路，每一支路中有一相位补偿网络，两个所述相位补偿网络呈90°相位差。
9.根据权利要求6～8任一项所述的并联式差分功率放大器，其特征在于，所述功分器或所述180°耦合器通过分布参数或集总参数实现。
10.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的并联式差分功率放大器。
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| CN116317978B (zh) * | 2023-05-22 | 2023-07-21 | 广东工业大学 | 一种双模功率放大器、功率放大方法及其相关设备 |
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| CN116015227B (zh) | 2024-01-23 |
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