CN206211952U - 宽带功率放大器及其有源匹配电路 - Google Patents

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胡逸群
陈帅
倪文海
徐文华
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Abstract

本实用新型公开了一种宽带功率放大器的有源匹配电路，该有源匹配电路包含：晶体管，其基极电路连接宽带功率放大器的射频输入端，集电极电路连接功率放大器的驱动级放大器，发射极通过发射极电阻接地；串联连接的隔直电容和串联电阻，其电路连接在晶体管基极与射频输入端之间；串联连接的反馈电阻和反馈电容，其电路连接在晶体管集电极与射频输入端之间；直流馈电电阻，其一端连接晶体管基极，另一端连接有源匹配偏置信号；有源匹配电源，其电路连接晶体管集电极。本实用新型提供一种应用于功率放大器的有源宽带匹配结构，该结构可以有效低降阻抗匹配网络的复杂程度，降低芯片面积和成本。

Description

宽带功率放大器及其有源匹配电路
技术领域
本实用新型涉及一种功率放大器技术，具体涉及一种可以降低输入匹配难度和减小芯片面积的宽带功率放大器及其有源匹配电路。
背景技术
在需要数据高速无线传输的手机，WIFI以及可穿戴设备中,功率放大器作为信号发射的重要芯片。传统设计中往往需要2到3个功率放大器芯片来完成，现在集成到一个芯片上面。这就使功率放大器需要覆盖一个非常宽的带宽。芯片面积成为直接制约其能否应用于微型化的通信设备中，并且还是制约成本的一个关键因素。功率放大器一般分为驱动级和功率级。驱动级主要提供增益，功率级主要提供功率。在输出功率一定的情况下，随着带宽的变宽，增益会降低。通过smith圆图上的等品质因数（Q）圆，可以清楚的表达。Q=fr /Δf = |X/R|，其中X是输入阻抗的虚部，R是输入阻抗的实部。如图1所示，为当Q=1，2，5 and10时的等品质因数圆，随着Q值的升高，功率放大器带宽相应的降低。传统的功率放大器，输入匹配网络的Q值约需要7左右，而现在其Q值要求需要小于等于2. 另外一个问题是如果在两级的基础上加入一级放大，设计成三级放大结构，这会很大程度上增加芯片面积（费用）和芯片的功耗，从而导致功率附加效率PAE的降低，从而降低手机等手持终端的待机时间。
实用新型内容
本实用新型提供一种宽带功率放大器及其有源匹配电路，有效低降阻抗匹配网络的复杂程度，有效提升效率，降低芯片面积和成本。
为实现上述目的，本实用新型提供一种宽带功率放大器的有源匹配电路，其特点是，该有源匹配电路包含：
晶体管，其基极电路连接宽带功率放大器的射频输入端，集电极电路连接功率放大器的驱动级放大器，发射极通过发射极电阻接地；
串联连接的阻直电容和串联电阻，其电路连接在晶体管基极与射频输入端之间；
串联连接的反馈电阻和反馈电容，其电路连接在晶体管集电极与射频输入端之间；
直流馈电电阻，其一端连接晶体管基极，另一端连接有源匹配偏置信号；
有源匹配电源，其电路连接晶体管集电极。
上述晶体管的增益为3dB至5dB。
上述发射极电阻的电阻值为2欧姆至8欧姆。
上述串联电阻的电阻值为2欧姆至15欧姆。
上述阻直电容的电容量为0.3pf至2pf。
上述有源匹配电路的版图面积为小于等于0.01平方毫米。
上述反馈电阻的电阻值为500欧姆。
上述反馈电容的电容量为2pf。
一种宽带功率放大器，其特点是，该功率放大器包含：
如上述的有源匹配电路，其输入端接宽带功率放大器的射频输入端；
驱动级放大器，其输入端电路连接有源匹配电路的输出端；
功率级放大器，其输入端电路连接驱动级放大器的输出端，输出端接宽带功率放大器的射频输出端。
本实用新型宽带功率放大器及其有源匹配电路和现有技术的功率放大器相比，其优点在于，本实用新型提供一种应用于功率放大器的有源宽带匹配结构，该结构可以有效低降阻抗匹配网络的复杂程度，降低芯片面积和成本。
附图说明
图 1 为Smith圆图上的等品质因数圆曲线图；
图2为本实用新型宽带功率放大器的示意图；
图3为一种宽带功率放大器的有源匹配电路的电路架构示意图；
图4为阻抗S11在10MHz到10GHz的测试曲线图；
图5为本实用新型驱动级放大器和功率级放大器的稳定系数在10MHz到10GHz曲线图；
图6为本实用新型宽带功率放大器及其中有源匹配电路、驱动级放大器和功率级放大器的电流随功率的变化曲线图；
图7为本实用新型宽带功率放大器及有源匹配电路的版图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本实用新型的具体实施例。
功率放大器的设计开始于输出负载阻抗，然后由负载阻抗逆向设计到驱动级，最后到输入匹配电路。有源匹配电路的晶体管的尺寸决定于其所要承受的功率，负载阻抗和电流。当选择的晶体管尺寸过小，那么随着输入功率的增加电流增加幅度非常快。如果选择的晶体管尺寸过大，那么增益将会降低，Q值将会升高，尽而带宽就会减小。有源匹配网络的原理图如图所示。它应用电阻与电容的串联网络作为集电极和基极之间的反馈，从而提高了输入阻抗和达到驱动级对增益、稳定性、功率的要求。
如图2所示，为本实用新型公开的一种宽带功率放大器，该功率放大器包含：输入端接宽带功率放大器的射频输入端RFin的有源匹配电路AM，输入端电路连接有源匹配电路AM的输出端的驱动级放大器（Driver Stage）Q1，以及输入端电路连接驱动级放大器输出端的功率级放大器（Power Stage）Q2，功率级放大器Q2的输出端接宽带功率放大器的射频输出端RFout。
如图3所示，为本实用新型一种宽带功率放大器的有源匹配电路的实施例，该有源匹配电路包含有晶体管QAM、阻直电容CBLOCK、等效串联电阻RESR、反馈电阻RFBK、反馈电容CFBK、发射极电阻EMITTER_FEED和直流馈电电阻DC_FEED。
晶体管QAM的基极电路连接宽带功率放大器的射频输入端RFin，集电极电路连接功率放大器的驱动级放大器（Driver Stage）Q1，发射极通过发射极电阻EMITTER_FEED接地。晶体管QAM的增益为3dB至5dB，晶体管QAM的选取可以通过该工艺的应用手册，也可以通过Load-Pull仿真来确定晶体管QAM的尺寸，若通过Load-Pull仿真将会得到所需增益、电流、功率和输入阻抗的信息。
晶体管QAM的集电极还电路连接有源匹配电源AM_VCC。
发射极电阻EMITTER_FEED的电阻值为2欧姆至8欧姆。此电阻对功率放大器的电学和热学稳定有显著提升，同时增大了输入阻抗的实部。
阻直电容CBLOCK和串联电阻RESR串联连接，电路连接在晶体管QAM基极与射频输入端RFin之间。
阻直电容CBLOCK的电容量为0.3pf至2pf。阻直电容CBLOCK通过改变输入阻抗的虚部，降低输入阻抗匹配网络的元件数量，加入CBLOCK后输入匹配网络最多需要一个元件电容（或电感）的串联或并联，或者完全不用匹配元件即可完成输入匹配。
等效串联电阻RESR的电阻值为2欧姆至15欧姆。等效串联电阻RESR的加入对有源匹配电路的输入阻抗的实部有一定的提升和对射频信号RF增益有一定的降低作用。
反馈电阻RFBK和反馈电容CFBK串联连接，且电路连接在晶体管QAM集电极与射频输入端RFin之间。反馈电阻RFBK和反馈电容CFBK的加入对带宽的增加有显著的提升。其中，反馈电阻的RFBK电阻值为500欧姆。反馈电容CFBK的电容量为2pf。
直流馈电电阻DC_FEED一端连接晶体管QAM基极，另一端连接有源匹配偏置信号AM_Bias。直流馈电电阻DC_FEED的数值需要通过Gummel曲线仿真来确定。如果该电阻选择过大，它将会限制最大输出功率，如果选择太小又会带来热稳定的问题。
如图4所示，是该有源匹配电路从RFin测试所得的输入阻抗S11曲线。该阻抗S11越小，表明阻抗匹配越好，功率传输的效率更高。工程中一般要求在所需带宽内小于-10dB。在该设计中，功率放大器的频率范围从2.3GHz到2.69GHz，覆盖LTE的Band 7、Band30、Band38、Band40和Band41。事实上阻抗匹配的带宽已经覆盖2GHz到3GHz。
本实用新型所公开的宽带功率放大器是一种多级功率放大器，对于多级功率放大器来说，稳定性是一个至关重要的问题。如图5所示，为宽带功率放大器中驱动级放大器（Driver Stage）Q1及其连接的功率级放大器（Power Stage）Q2的稳定系数测试图。根据图5可以看到，应用了有源匹配电路的两级功率放大器（驱动级放大器和功率级放大器），其稳定系数Mur和Mu_Prime在全频段内均大于1，处于绝对稳定状态。
如图6所示，为宽带功率放大器及其中有源匹配电路、驱动级放大器和功率级放大器的电流随功率的变化曲线。在这个设计中输出功率等于1.3dBm时，电流消耗为8mA；当输出功率达28dBm时候，电流消耗为16mA；在输出功率等于28dBm时，整个宽带功率放大器PA消耗的电流为481mA。
如图7所示，为本实用新型公开的有源匹配电路的版图。整个宽带功率放大器的芯片面积0.533 mm2，而有源匹配电路的面积是0.01 mm2。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种宽带功率放大器的有源匹配电路，其特征在于，该有源匹配电路包含：
晶体管，其基极电路连接宽带功率放大器的射频输入端，集电极电路连接功率放大器的驱动级放大器，发射极通过发射极电阻接地；
串联连接的阻直电容和串联电阻，其电路连接在晶体管基极与射频输入端之间；
串联连接的反馈电阻和反馈电容，其电路连接在晶体管集电极与射频输入端之间；
直流馈电电阻，其一端连接晶体管基极，另一端连接有源匹配偏置信号；
有源匹配电源，其电路连接晶体管集电极。
2.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述晶体管的增益为3dB至5dB。
3.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述发射极电阻的电阻值为2欧姆至8欧姆。
4.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述串联电阻的电阻值为2欧姆至15欧姆。
5.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述阻直电容的电容量为0.3pf至2pf。
6.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述有源匹配电路的版图面积为小于等于0.01平方毫米。
7.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述反馈电阻的电阻值为500欧姆。
8.如权利要求1所述的有源匹配电路，其特征在于，所述反馈电容的电容量为2pf。
9.一种宽带功率放大器，其特征在于，该功率放大器包含：
如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的有源匹配电路，其输入端接宽带功率放大器的射频输入端；
驱动级放大器，其输入端电路连接有源匹配电路的输出端；
功率级放大器，其输入端电路连接驱动级放大器的输出端，输出端接宽带功率放大器的射频输出端。
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