CN117155312A - 一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路。主要包括功率放大器及其偏置网络，其中，功率放大器包括三层晶体管堆叠和层与层之间的高频补偿电感，高频补偿电感在高频处补偿晶体管寄生电容的影响，保证每层晶体管的负载阻抗等于该晶体管的最佳负载阻抗，减小由晶体管之间不匹配导致的输出功率和效率消耗；偏置网络由串联的电阻组成，偏置网络一端连接电源电压，一端接地，通过串联电阻分压提供各个晶体管的栅极偏置保证晶体管工作在需要的工作状态。本发明能够有效改善晶体管之间阻抗匹配、补偿高频功率损耗、提高输出功率。
Description
技术领域
本发明属微电子与固体电子学的射频与模拟集成电路技术领域，具体涉及一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，智能手机、平板电脑等便携式终端逐渐成为人们日常生活中不可或缺的工具，功率放大器作为无线收发机前端的核心模块，其带宽和输出功率直接决定了发射链路的射频输出能力和信号发送距离，因此扩展功放的带宽以及提高其输出功率具有重要的研究意义。
硅基CMOS工艺以其低成本和高集成度成为单片实现各个模块集成的不错方案，但是由于CMOS工艺的MOS管击穿电压较低，CMOS工艺的低阻抗衬底带来的高损耗，使得基于CMOS工艺设计的功放在输出功率、效率、带宽等方面表现性能较差。
文献“J.Tsai,T.Yu and W.Huang,"An X-Band 29.6-dBm CMOS Power AmplifierUsing Folded Radial Splitter and Binary Combiner Network,"in IEEE Microwaveand Wireless Components Letters,vol.29,no.9,pp.607-609,Sept.2019”采用了功率合成的方法实现具有高输出功率的功率放大器电路，利用基于变压器的折叠径向功分器和二进制功率合成器网络，在11GHz处提供29.6dBm饱和输出功率(Psat)，测量增益为11.2dB，1dB压缩点输出为28.2dBm，峰值功率附加效率(PAE)为15.5％。虽然可以实现高输出功率，但是其带宽仅有10-12GHz，并且芯片面积较大。由于该电路采用了多路功率合成的方式，导致电路尺寸较大，同时，带宽受到功分器和功率合成器的限制。
堆叠技术通过将n个晶体管串联堆叠达到输出电压摆幅和输出阻抗增加n倍的效果，能够在不使用功率合成技术或阻抗变换技术的前提下有效的提高输出功率。文献“H.-F.Wu,Q.-F.Cheng,X.-G.Li and H.-P.Fu,"Analysis and Design of an UltrabroadbandStacked Power Amplifier in CMOS Technology,"in IEEE Transactions on Circuitsand Systems II:Express Briefs,vol.63,no.1,pp.49-53,Jan.2016”采用堆叠晶体管的方法实现了具有高输出功率的功率放大器电路，利用两级三堆叠的结构，该功率放大器在0.1-6.5GHz的194％分数带宽范围内实现了22-24.3dBm的饱和输出功率和13％-20％的功率附加效率。但是该电路对于每两层晶体管之间的匹配问题考虑的不全面，在设计中作了负载阻抗为纯实数的近似。
综上，采用功率合成技术或堆叠技术设计功率放大器能够实现高输出功率，但是功率合成技术实现面积较大，带宽受到功分器和功率合成器的限制；堆叠技术对于晶体管之间的匹配问题考虑不全面，导致高频功率损耗。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路。主要包括功率放大器及其偏置网络，其中，功率放大器包括三层晶体管堆叠和层与层之间的高频补偿电感，高频补偿电感在高频处补偿晶体管寄生电容的影响，保证每层晶体管的负载阻抗等于该晶体管的最佳负载阻抗，减小由晶体管之间不匹配导致的输出功率和效率消耗；偏置网络由串联的电阻组成，偏置网络一端连接电源电压，一端接地，通过串联电阻分压提供各个晶体管的栅极偏置保证晶体管工作在需要的工作状态。本发明能够有效改善晶体管之间阻抗匹配、补偿高频功率损耗、提高输出功率。
一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路，其特征在于主要包括：功率放大器及其偏置网络，其中，功率放大器采用堆叠式功率放大器结构，包括三层晶体管堆叠和高频补偿电感，最下层晶体管连接电路输入端，最上层晶体管连接电路输出端和电源端，输入端和输出端之间通过电阻-电容反馈扩展带宽，高频补偿电感串联在每两层晶体管之间，在高频处补偿晶体管寄生电容的影响；偏置网络由串联分压电阻组成，提供晶体管栅极偏置，偏置网络的一端连接电源电压，一端接地。
具体地，所述的功率放大器包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，所述的偏置网络包括顺序串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，其中，第一晶体管M1漏极通过电感Lout连接电源端、通过输出隔直电容Cout连接输出端、连接反馈网络电阻R5的一端和偏置网络中第一电阻R1的一端，第一晶体管M1源极与第一电感L1一端相接，第一晶体管M1栅极接第一电容C1的一端、偏置网络中第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第一电感L1另一端与第二晶体管M2漏极相接，第二晶体管M2栅极连接第二电容C2的一端、偏置网络中第三电阻R3的一端和第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，第二晶体管M2源极与第二电感L2一端相接，第二电感L2另一端与第三晶体管M3漏极相接，第三晶体管M3栅极接第三电容C3并通过输入隔直电容Cin连接输入端，第三晶体管M3栅极还连接偏置网络中第四电阻R4的一端和第三电阻R3的另一端，第三晶体管M3源极接地，偏置网络中第四电阻R4的另一端接地，反馈网络电阻R5的另一端通过输入隔直电容Cin连接输入端；第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3的体端口与源极相接，三个晶体管的工作状态保持一致，偏置网络中的电阻按比例提供各个晶体管的栅极偏置保证晶体管工作在需要的工作状态。
本发明的有益效果是：由于采用具有高频补偿电感的堆叠式功率放大器，解决了现有堆叠结构中晶体管寄生电容层与层之间的阻抗匹配影响，能够保证每层晶体管的负载阻抗等于该晶体管的最佳负载阻抗，有效减小由晶体管之间不匹配导致的输出功率和效率消耗；由于偏置网络由串联分压电阻构成，通过串联电阻分压提供各个晶体管的栅极偏置，能够保证晶体管工作在需要的工作状态，且有效减小电路面积。
附图说明
图1是本发明的一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路结构示意图；
图2是本发明的输出功率仿真结果图；
图3是本发明的效率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明为了改进传统的堆叠结构中层与层晶体管之间阻抗不匹配导致功率消耗的问题，利用具有高频补偿电感的堆叠式功率放大器电路，补偿高频处晶体管寄生电容的影响；在有用信号频段，具有高频补偿电感的堆叠式功率放大器，能够保证每层晶体管的负载阻抗等于该晶体管的最佳负载阻抗，减小输出功率和效率的消耗。
如图1所示，本发明提供了一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路，主要包括功率放大器及其偏置网络，其中，功率放大器采用堆叠式功率放大器结构，包括三层晶体管堆叠和层与层之间的高频补偿电感，具有高频补偿电感的的堆叠式功率放大器能够在高频处补偿晶体管寄生电容的影响，保证每层晶体管的负载阻抗等于该晶体管的最佳负载阻抗，减小由晶体管之间不匹配导致的输出功率和效率消耗；偏置网络由四个串联的电阻组成，偏置网络一端连接电源电压，一端接地，通过串联电阻分压提供各个晶体管的栅极偏置保证晶体管工作在需要的工作状态。
具体地，功率放大器及其偏置网络，功率放大器包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，M1和M2采用cascode晶体管，M3采用共源级晶体管；偏置网络包括顺序串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4；此外，堆叠功率放大器电路还包括反馈网络电阻R5、输入隔直电容Cin、输出隔直电容Cout、电感Lout。其中，M1的漏极连接Lout的端口2、Cout的端口1、R1的端口1、R5的端口1，M1的栅极连接R1的端口2、R2的端口1、C1的端口1，M1的源极连接M1的体端口、L1的端口1，M2的漏极连接L1的端口2，M2的栅极连接R2的端口2、R3的端口1、C2的端口1，M2的源极连接L2的端口1、M2的体端口，M3的漏极连接L2的端口2，M3的栅极连接R3的端口2、R4的端口1、C3的端口2，M3的源极接地(GND)、M3的体端口，Cin的端口1连接输入端in，Cin的端口2连接R5的端口2、C3的端口1，C1的端口2、C2的端口2、R4的端口2接地(GND)，Lout的端口1接电源电压VDD，Cout的端口2接输出端out。
图2给出了采用CMOS工艺实现的本发明的输出功率(Pout)仿真结果，还给出了加入补偿电感前的功率放大器电路的输出功率(Pout)仿真结果，从图中可以看出，在有用信号频段，具有高频补偿电感的堆叠式功率放大器，对于输出功率都有提升，特别是高频处的输出功率损耗大大减小，说明本发明采用的高频补偿电感能够有效提升输出功率。
图3给出了本发明的效率(PAE)仿真结果，还给出了加入补偿电感前的功率放大器电路的效率(PAE)仿真结果，从图中可以看出，在有用信号频段，具有高频补偿电感的堆叠式功率放大器，对于效率都有提升，特别是高频处的效率损耗大大减小，说明本发明采用的高频补偿电感能够有效提升效率。
Claims (2)
1.一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路，其特征在于主要包括：功率放大器及其偏置网络，其中，功率放大器采用堆叠式功率放大器结构，包括三层晶体管堆叠和高频补偿电感，最下层晶体管连接电路输入端，最上层晶体管连接电路输出端和电源端，输入端和输出端之间通过电阻-电容反馈扩展带宽，高频补偿电感串联在每两层晶体管之间，在高频处补偿晶体管寄生电容的影响；偏置网络由串联分压电阻组成，提供晶体管栅极偏置，偏置网络的一端连接电源电压，一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有高频补偿电感的堆叠功率放大器电路，其特征在于：所述的功率放大器包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，所述的偏置网络包括顺序串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，其中，第一晶体管M1漏极通过电感Lout连接电源端、通过输出隔直电容Cout连接输出端、连接反馈网络电阻R5的一端和偏置网络中第一电阻R1的一端，第一晶体管M1源极与第一电感L1一端相接，第一晶体管M1栅极接第一电容C1的一端、偏置网络中第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第一电感L1另一端与第二晶体管M2漏极相接，第二晶体管M2栅极连接第二电容C2的一端、偏置网络中第三电阻R3的一端和第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，第二晶体管M2源极与第二电感L2一端相接，第二电感L2另一端与第三晶体管M3漏极相接，第三晶体管M3栅极接第三电容C3并通过输入隔直电容Cin连接输入端，第三晶体管M3栅极还连接偏置网络中第四电阻R4的一端和第三电阻R3的另一端，第三晶体管M3源极接地，偏置网络中第四电阻R4的另一端接地，反馈网络电阻R5的另一端通过输入隔直电容Cin连接输入端；第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3的体端口与源极相接，三个晶体管的工作状态保持一致，偏置网络中的电阻按比例提供各个晶体管的栅极偏置保证晶体管工作在需要的工作状态。
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