CN210693866U - 一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，包括输入匹配单端转差分供电网络、交流三堆叠放大网络以及输出匹配差分转单端供电网络，本实用新型核心架构采用交流三堆叠放大网络具有在低供电电压时的高功率、高增益特性，同时利用差分放大器在微波频段的良好的寄生参数抑制性，与变压器网络功率合成特性相结合，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高效率和高功率输出能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对射频微波通信系统中的一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器。
背景技术
随着无线通信系统和射频微波电路的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有高输出功率、高增益、高效率、低成本等性能。然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：
(1)高功率、高效率能力受限：典型功率放大器采用多路并联合成结构，或者是分布式结构，这两种结构的合成效率有限，导致一部分功率损耗在合成网络中，限制了高功率、高效率能力。
(2)低电压放大能力受限：为了提高放大器的输出功率，往往采用晶体管堆叠结构提升放大器的偏置电压，同时提高交流电压摆幅。常规差分堆叠晶体管的级间堆叠结构是直流和交流直接连接，这种连接结构就需要高电压供电，无法适应当今通信系统终端中低电压的供电趋势。
由此可以看出，基于集成电路工艺的高增益、高功率放大器设计难点为：高功率、高效率输出难度较大；当今通信系统终端中低电压的供电要求下，典型高电压供电的堆叠结构存在一定的缺陷和不足。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，结合了交流三堆叠晶体管放大技术、差分放大器技术的优点，具有在微波频段高功率、高增益且成本低的特点。同时该放大器可以采用低电压供电，解决了高电压供电的难题。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，包括输入匹配单端转差分供电网络、交流三堆叠放大网络以及输出匹配差分转单端供电网络；
输入匹配单端转差分供电网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述交流三堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与所述交流三堆叠放大网络的第二输入端连接；
交流三堆叠放大网络的第一输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端连接；交流三堆叠放大网络的第二输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第二输入端连接；
输出匹配差分转单端供电网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
本实用新型技术方案的有益效果：采用差分交流三堆叠结构，可以在常规低电压供电的条件下显著提升功率放大器的功率容量，同时采用差分结构可以显著抑制寄生参数对于高频指标的恶化，结合输出差分转单端供电网络的低插损特性，可以提升功率放大器的效率指标。
进一步的，输入匹配单端转差分供电网络的输入端连接电感Li1,电感Li1的另一端连接变压器T1初级线圈的同名端和接地电容Ci1，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第一输出端，变压器T1的次级线圈的非同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第二输出端。连接变压器T1的次级线圈的中间抽头连接电感Li2，电感Li2的另一端连接偏置电压Vg和接地电感Ci2。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输入匹配单端转差分供电网络除了能实现输入射频信号的功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配及相位调节，同时实现单端信号到差分信号的转换，保证差分信号的相位差。同时将差分信号的两路供电电路整合到一路，简化了供电网络。
进一步的，交流三堆叠放大网络的第一输入端连接电感Lo1，电感Lo1的另一端连接场效应晶体管Mo1的栅极和电感Lr1的a端，场效应晶体管Mo1的源极接地，场效应晶体管Mo1的漏极连接电感Ls1和电容Co1,电感Ls1的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极，和接地电感Lt1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rp1,电阻Rp1的另一端连接接地电容Cp1和电阻Rs1,电阻Rs1的另一端连接电感Lr1的b端和电感Lp1的a端,场效应晶体管Mp1的漏极连接电感Lu1和电容Cr1,电感Lu1的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极和接地电感Lq1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rq1,电阻Rq1的另一端连接接地电容Cq1和电阻Rr1,电阻Rr1的另一端连接电感Lp1的b端，场效应晶体管Mp1的漏极连接电容Ct1的a端,交流三堆叠放大网络的第二输入端连接电感Lo2，电感Lo2的另一端连接场效应晶体管Mo2的栅极和电感Lr2的a端，场效应晶体管Mo2的源极接地，场效应晶体管Mo2的漏极连接电感Ls2和电容Co2,电感Ls2的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极，和接地电感Lt2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rp2,电阻Rp2的另一端连接接地电容Cp2和电阻Rs2,电阻Rs2的另一端连接电感Lr2的b端和电感Lp2的a端,场效应晶体管Mp2的漏极连接电感Lu2和电容Cr2,电感Lu2的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极和接地电感Lq2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rq2,电阻Rq2的另一端连接接地电容Cq2和电阻Rr2,电阻Rr2的另一端连接电感Lp2的b端，场效应晶体管Mp2的漏极连接电容Ct1的b端，场效应晶体管Mq1的漏极为交流三堆叠放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mq2的漏极为交流三堆叠放大网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型差分交流堆叠放大网络中采用的核心电路是基于交流三堆叠的晶体管，可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时交流堆叠结构不需要高电压供电，可以适应于终端系统中低电压供电的需求；同时采用差分信号的结构，可以降低交流堆叠网络对于高频寄生参数的敏感特性，提高高频段的增益和效率指标。
进一步的，输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端、第二输入端分别连接变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端，变压器T2的次级线圈的中间抽头点连接电感Lout1，电感Lout1的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容Cout1,变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接电感Lout2和接地电容Cout2，电感Lout2的另一端连接输出匹配差分转单端供电网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输出四路功率合成匹配网络除了能实现四路差分射频信号的功率合成外，还能将四路差分信号转换为单端信号，引入的插损较小，同时保障了所述放大器的输出功率和效率。同时将差分信号的两路供电电路整合到一路，简化了供电网络。
附图说明
图1为本实用新型功率放大器原理框图；
图2为本实用新型功率放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。
本实用新型实施例提供了一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，包括输入匹配单端转差分供电网络、交流三堆叠放大网络以及输出匹配差分转单端供电网络。
如图1所示，输入匹配单端转差分供电网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述交流三堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与所述交流三堆叠放大网络的第二输入端连接；
交流三堆叠放大网络的第一输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端连接；交流三堆叠放大网络的第二输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第二输入端连接；
输出匹配差分转单端供电网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
如图2所示，输入匹配单端转差分供电网络的输入端连接电感Li1,电感Li1的另一端连接变压器T1初级线圈的同名端和接地电容Ci1，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第一输出端，变压器T1的次级线圈的非同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第二输出端。变压器T1的次级线圈的中间抽头连接电感Li2，电感Li2的另一端连接偏置电压Vg和接地电感Ci2。
交流三堆叠放大网络的第一输入端连接电感Lo1，电感Lo1的另一端连接场效应晶体管Mo1的栅极和电感Lr1的a端，场效应晶体管Mo1的源极接地，场效应晶体管Mo1的漏极连接电感Ls1和电容Co1,电感Ls1的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极和接地电感Lt1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rp1,电阻Rp1的另一端连接接地电容Cp1和电阻Rs1,电阻Rs1的另一端连接电感Lr1的b端和电感Lp1的a端,场效应晶体管Mp1的漏极连接电感Lu1和电容Cr1,电感Lu1的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极和接地电感Lq1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rq1,电阻Rq1的另一端连接接地电容Cq1和电阻Rr1,电阻Rr1的另一端连接电感Lp1的b端，场效应晶体管Mp1的漏极连接电容Ct1的a端,交流三堆叠放大网络的第二输入端连接电感Lo2，电感Lo2的另一端连接场效应晶体管Mo2的栅极和电感Lr2的a端，场效应晶体管Mo2的源极接地，场效应晶体管Mo2的漏极连接电感Ls2和电容Co2,电感Ls2的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极，和接地电感Lt2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rp2,电阻Rp2的另一端连接接地电容Cp2和电阻Rs2,电阻Rs2的另一端连接电感Lr2的b端和电感Lp2的a端,场效应晶体管Mp2的漏极连接电感Lu2和电容Cr2,电感Lu2的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极和接地电感Lq2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rq2,电阻Rq2的另一端连接接地电容Cq2和电阻Rr2,电阻Rr2的另一端连接电感Lp2的b端，场效应晶体管Mp2的漏极连接电容Ct1的b端，场效应晶体管Mq1的漏极为交流三堆叠放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mq2的漏极为交流三堆叠放大网络的第二输出端。
输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端和第二输入端分别连接变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端，变压器T2的次级线圈的中间抽头点连接电感Lout1，电感Lout1的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容Cout1,变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接电感Lout2和接地电容Cout2，电感Lout2的另一端连接输出匹配差分转单端供电网络的输出端。
下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号通过输入端RFin进入电路，通过输入匹配单端转差分供电网络进行阻抗变换匹配后，以差分信号的形式同时进入交流三堆叠放大网络的输入端，通过放大网络进行功率放大后，以差分信号的形式同时从交流三堆叠放大网络的输出端输出，再经过输出匹配差分转单端供电网络后，将两路信号合成为一路单端信号从输出端RFout输出。
基于上述电路分析，本实用新型提出的一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用差分交流三堆叠晶体管的放大器结构：
差分交流三堆叠晶体管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；
差分交流三堆叠晶体管与常规差分堆叠晶体管的不同之处在于：常规差分堆叠晶体管的级间堆叠结构是直流和交流直接连接，这种连接结构就需要高电压供电；而差分交流三堆叠晶体管只有交流信号的连接，直流偏置仍然可以采用常规低电压供电模式，更适合终端应用。
在整个大功率增强型场效应晶体管功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，其特征在于，包括输入匹配单端转差分供电网络、交流三堆叠放大网络以及输出匹配差分转单端供电网络；
所述输入匹配单端转差分供电网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述交流三堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与所述交流三堆叠放大网络的第二输入端连接；
所述交流三堆叠放大网络的第一输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端连接；交流三堆叠放大网络的第二输出端与所述输出匹配差分转单端供电网络的第二输入端连接；
所述输出匹配差分转单端供电网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入匹配单端转差分供电网络的输入端连接电感Li1,电感Li1的另一端连接变压器T1的初级线圈的同名端和接地电容Ci1，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的次级线圈的同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第一输出端，变压器T1的次级线圈的非同名端连接输入匹配单端转差分供电网络的第二输出端；连接变压器T1的次级线圈的中间抽头连接电感Li2，电感Li2的另一端连接偏置电压Vg和接地电容Ci2。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，其特征在于，所述交流三堆叠放大网络的第一输入端连接电感Lo1，电感Lo1的另一端连接场效应晶体管Mo1的栅极和电感Lr1的a端，场效应晶体管Mo1的源极接地，场效应晶体管Mo1的漏极连接电感Ls1和电容Co1,电感Ls1的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极，和接地电感Lt1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rp1,电阻Rp1的另一端连接接地电容Cp1和电阻Rs1,电阻Rs1的另一端连接电感Lr1的b端和电感Lp1的a端,场效应晶体管Mp1的漏极连接电感Lu1和电容Cr1,电感Lu1的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr1的另一端连接场效应晶体管Mp1的源极和接地电感Lq1,场效应晶体管Mp1的栅极连接电阻Rq1,电阻Rq1的另一端连接接地电容Cq1和电阻Rr1,电阻Rr1的另一端连接电感Lp1的b端，场效应晶体管Mp1的漏极连接电容Ct1的a端,所述交流三堆叠放大网络的第二输入端连接电感Lo2，电感Lo2的另一端连接场效应晶体管Mo2的栅极和电感Lr2的a端，场效应晶体管Mo2的源极接地，场效应晶体管Mo2的漏极连接电感Ls2和电容Co2,电感Ls2的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容Cs1；电容Co2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极和接地电感Lt2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rp2,电阻Rp2的另一端连接接地电容Cp2和电阻Rs2,电阻Rs2的另一端连接电感Lr2的b端和电感Lp2的a端,场效应晶体管Mp2的漏极连接电感Lu2和电容Cr2,电感Lu2的另一端连接偏置电压Vd2，电容Cr2的另一端连接场效应晶体管Mp2的源极和接地电感Lq2,场效应晶体管Mp2的栅极连接电阻Rq2,电阻Rq2的另一端连接接地电容Cq2和电阻Rr2,电阻Rr2的另一端连接电感Lp2的b端，场效应晶体管Mp2的漏极连接电容Ct1的b端，场效应晶体管Mq1的漏极为所述交流三堆叠放大网络的第一输出端，场效应晶体管Mq2的漏极为所述交流三堆叠放大网络的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线终端的差分交流堆叠功率放大器，其特征在于，所述输出匹配差分转单端供电网络的第一输入端和第二输入端分别连接变压器T2的次级线圈的非同名端和同名端，变压器T2的次级线圈的中间抽头点连接电感Lout1，电感Lout1的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容Cout1,变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接电感Lout2和接地电容Cout2，电感Lout2的另一端连接所述输出匹配差分转单端供电网络的输出端。
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