CN210693874U - 一种e类开关型差分堆叠功率放大器 - Google Patents

一种e类开关型差分堆叠功率放大器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种E类开关型差分堆叠功率放大器，包括输入差分供电匹配网络、第一三堆叠自偏开关放大管、第二三堆叠自偏开关放大管、E类开关型输出供电匹配网络，本实用新型核心架构采用三堆叠自偏开关放大管在微波段的高功率、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，以及E类开关型输出匹配网络高效率的功率放大特性相结合，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

一种E类开关型差分堆叠功率放大器
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收发机末端的发射模块应用的一种E类开关型差分堆叠功率放大器。
背景技术
随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的带宽一直是电路实现的技术瓶颈。
常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，但是，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，主要体现在：传统AB类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；C类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；开关型D类、E类、F类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。
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E类开关型差分堆叠功率放大器，结合了堆叠自偏开关放大技术、差分放大器技术、E类开关型匹配技术的优点，具有在微波频段高功率、高增益、高效率且成本低等优点。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种E类开关型差分堆叠功率放大器，包括输入差分供电匹配网络、第一三堆叠自偏开关放大管、第二三堆叠自偏开关放大管、E类开关型输出供电匹配网络；
输入差分供电匹配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第一三堆叠自偏开关放大管的输入端连接，其第二输出端与所述第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接；
第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第一输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第二输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第三输入端连接；所述第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第四输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第五输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第六输入端连接；
E类开关型输出供电匹配网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
本实用新型的有益效果是：采用差分结构可以显著抑制高频寄生参数，提升放大器的高频指标，采用自偏开关放大管可以提升功率放大器的输出功率能力，同时结合E类开关型输出供电匹配网络，可以在三堆叠结构的输出端形成类似于E类功率放大器的波形整形效果，从而降低电压和电流的交流重合的成分，提升功率放大器的效率指标。
进一步的，输入差分供电匹配网络的输入端连接耦合变压器T1的初级线圈的同名端，耦合变压器T1的初级线圈的非同名端接地，耦合变压器T1的第一、第二次级线圈的中间抽头连接电感Ld，电感Ld的另一端连接偏置电压Vg和接地电容Cin，变压器T1的第一次级线圈的同名端连接第一三堆叠自偏开关放大管输入端，变压器T1的第二次级线圈的非同名端连接第二三堆叠自偏开关放大管输入端。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输入差分供电匹配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，第一三堆叠自偏开关放大管和第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接电阻Rmj，电阻Rmj的另一端连接电感Loj和电阻Rpj的a端，电感Loj的另一端连接接地电容Cmj和电感Lrj，电感Lrj的另一端连接场效应管Mrj的栅极，场效应管Mrj的源极接地，场效应管Mrj的漏极连接场效应管Mtj的源极，其中，场效应管Mt1的源极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端，场效应管Mt2的源极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端；电阻Rpj的b端连接电阻Rtj和电阻Rqj的a端，电阻Rtj的另一端连接接地电容Cpj和电阻Rcj，电阻Rcj的另一端连接场效应管Mtj的栅极，场效应管Mtj的漏极连接场效应管Msj的源极，其中，场效应管Ms1的源极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第二输出端，场效应管Ms2的源极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第二输出端；电阻Rqj的b端连接电阻Rsj的一端和电阻Rgj的a端，电阻Rsj的另一端连接接地电容Cqj和电阻Rwj，电阻Rwj的另一端连接场效应管Msj的栅极，场效应管Msj的漏极连接电感Ls1，其中场效应管Ms1的漏极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第三输出端，场效应管Ms2的漏极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第三输出端；电阻Rgj的b端连接偏置电压Vd1、接地电容Cg1和电感Ls1，电感Ls1的另一端连接场效应管Msj的漏极，其中j＝1、2。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型第一三堆叠自偏开关放大管和第二三堆叠自偏开关放大管可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时电路结构相比多路合成结构更加简单。偏置电路采用自偏置结构，简化了外围供电电路。
进一步的，E类开关型输出供电匹配网络的第一、二、三输入端分别连接电容Cd5、Cd3、Cd1，电容Cd5、Cd3、Cd1的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的非同名端和电容C5的a端,E类开关型输出供电匹配网络的第四、五、六输入端分别连接电容Cd6、Cd4、Cd2，电容Cd6、Cd4、Cd2的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的同名端和电容C5的b端,变压器T2的次级线圈的中间抽头接地，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接地电容Cout和电感Lc，电感Lc另一端为E类开关型输出供电匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的E类开关型输出供电匹配网络，利用E类功率放大器的原理，在晶体管导通和关闭的瞬间，使得晶体管电压和电流的交叠为零，显著提升了放大器的工作效率。此外，除了能实现两路差分射频信号的功率合成外，还能将两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。
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E类开关型差分堆叠功率放大器，包括输入差分供电匹配网络、第一三堆叠自偏开关放大管、第二三堆叠自偏开关放大管、E类开关型输出供电匹配网络。
如图1所示，输入差分供电匹配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第一三堆叠自偏开关放大管的输入端连接，其第二输出端与所述第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接；
第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第一输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第二输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第三输入端连接；所述第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第四输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第五输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第六输入端连接；
E类开关型输出供电匹配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，输入差分供电匹配网络的输入端连接耦合变压器T1初级线圈的同名端，变压器T1初级线圈的非同名端接地，变压器T1的第一、第二次级线圈的中间抽头连接电感Ld，电感Ld的另一端连接偏置电压Vg和接地电容Cin，变压器T1的第一次级线圈的同名端连接第一三堆叠自偏开关放大管输入端，变压器T1的第二次级线圈的非同名端连接第二三堆叠自偏开关放大管输入端。
进一步的，第一三堆叠自偏开关放大管和第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接电阻Rmj，电阻Rmj的另一端连接电感Loj和电阻Rpj的a端，电感Loj的另一端连接接地电容Cmj和电感Lrj，电感Lrj的另一端连接场效应管Mrj的栅极，场效应管Mrj的源极接地，场效应管Mrj的漏极连接场效应管Mtj的源极，其中，场效应管Mt1的源极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端，场效应管Mt2的源极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端；电阻Rpj的b端连接电阻Rtj和电阻Rqj的a端，电阻Rtj的另一端连接接地电容Cpj和电阻Rcj，电阻Rcj的另一端连接场效应管Mtj的栅极，场效应管Mtj的漏极连接场效应管Msj的源极，其中，场效应管Ms1的源极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第二输出端，场效应管Ms2的源极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第二输出端；电阻Rqj的b端连接电阻Rsj的一端和电阻Rgj的a端，电阻Rsj的另一端连接接地电容Cqj和电阻Rwj，电阻Rwj的另一端连接场效应管Msj的栅极，场效应管Msj的漏极连接电感Ls1，其中场效应管Ms1的漏极还连接第一三堆叠自偏开关放大管的第三输出端，场效应管Ms2的漏极还连接第二三堆叠自偏开关放大管的第三输出端；电阻Rgj的b端连接偏置电压Vd1、接地电容Cg1和电感Ls1，电感Ls1的另一端连接场效应管Msj的漏极，其中j＝1、2。
E类开关型输出供电匹配网络的第一、二、三输入端分别连接电容Cd5、Cd3、Cd1，电容Cd5、Cd3、Cd1的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的非同名端和电容C5的a端,E类开关型输出供电匹配网络的第四、五、六输入端分别连接电容Cd6、Cd4、Cd2，电容Cd6、Cd4、Cd2的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的同名端和电容C5的b端,变压器T2的次级线圈的中间抽头接地，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接地电容Cout和电感Lc，电感Lc另一端为E类开关型输出供电匹配网络的输出端。
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，通过输入四路变压耦合功率合成网络进行阻抗变换匹配后，以差分信号的形式同时进入第一至第四场效应管达林顿三堆叠功率放大网络的输入端，通过放大网络进行功率放大后，以差分信号的形式同时从第一至第四场效应管达林顿三堆叠功率放大网络的输出端输出，再经过输出四路变压耦合功率合成网络后，将四路信号合成为一路单端信号从输出端RFout输出。
基于以上电路分析，本实用新型提出的一种E类开关型差分堆叠功率放大器与以往的基于半导体工艺的功率放大器结构的不同之处在于：
1.高效率放大器的核心架构采用差分形式的三堆叠自偏置放大网络。
传统高效率开关功率放大器往往采用单一晶体管，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低；而三堆叠放大网络可以帮助现有高效率开关功率放大器提升功率容量和功率增益。并且本实用新型采用的三堆叠自偏置放大网络加入了自偏置结构，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。同时采用了差分放大结构，可以显著改善现有堆叠放大器在高频的随寄生参数恶化的现象。
2.高效率放大器的输出匹配网络采用针对三路E类匹配架构：
以往设计方法中，这种E类控制电路是针对三个堆叠晶体管的三个漏极输出波形实现分别整形后再合成的。这样可以显著改善现有堆叠E类匹配的电路结构，改善堆叠级间的波形交叠情况，提高堆叠放大器的效率。
在整个一种E类开关型差分堆叠功率放大器中，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E类开关型差分堆叠功率放大器，其特征在于，包括输入差分供电匹配网络、第一三堆叠自偏开关放大管、第二三堆叠自偏开关放大管、E类开关型输出供电匹配网络；
所述输入差分供电匹配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第一三堆叠自偏开关放大管的输入端连接，其第二输出端与所述第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接；
所述第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第一输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第二输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第三输入端连接；所述第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第四输入端连接，第二输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第五输入端连接，第三输出端与所述E类开关型输出供电匹配网络的第六输入端连接；
所述E类开关型输出供电匹配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E类开关型差分堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入差分供电匹配网络的输入端连接耦合变压器T1的初级线圈的同名端，变压器T1的初级线圈的非同名端接地，变压器T1的次级线圈的中间抽头连接电感Ld，电感Ld的另一端连接偏置电压Vg和接地电容Cin，变压器T1的次级线圈的同名端连接第一三堆叠自偏开关放大管输入端，变压器T1的次级线圈的非同名端连接第二三堆叠自偏开关放大管输入端。
3.根据权利要求1所述的一种E类开关型差分堆叠功率放大器，其特征在于，所述第一三堆叠自偏开关放大管和第二三堆叠自偏开关放大管的输入端连接电阻Rmj，电阻Rmj的另一端连接电感Loj和电阻Rpj的a端，电感Loj的另一端连接接地电容Cmj和电感Lrj，电感Lrj的另一端连接场效应管Mrj的栅极，场效应管Mrj的源极接地，场效应管Mrj的漏极连接场效应管Mtj的源极，其中，场效应管Mt1的源极还连接所述第一三堆叠自偏开关放大管的第一输出端，场效应管Mt2的源极还连接所述第二三堆叠自偏开关放大管的第一输出端；电阻Rpj的b端连接电阻Rtj和电阻Rqj的a端，电阻Rtj的另一端连接接地电容Cpj和电阻Rcj，电阻Rcj的另一端连接场效应管Mtj的栅极，场效应管Mtj的漏极连接场效应管Msj的源极，其中，场效应管Ms1的源极还连接所述第一三堆叠自偏开关放大管的第二输出端，场效应管Ms2的源极还连接所述第二三堆叠自偏开关放大管的第二输出端；电阻Rqj的b端连接电阻Rsj的一端和电阻Rgj的a端，电阻Rsj的另一端连接接地电容Cqj和电阻Rwj，电阻Rwj的另一端连接场效应管Msj的栅极，场效应管Msj的漏极连接电感Ls1，其中场效应管Ms1的漏极还连接所述第一三堆叠自偏开关放大管的第三输出端，场效应管Ms2的漏极还连接所述第二三堆叠自偏开关放大管的第三输出端；电阻Rgj的b端连接偏置电压Vd1、接地电容Cg1和电感Ls1，电感Ls1的另一端连接场效应管Msj的漏极，其中j＝1、2。
4.根据权利要求1所述的一种E类开关型差分堆叠功率放大器，其特征在于，所述E类开关型输出供电匹配网络的第一输入端、第二输入端和三输入端分别连接电容Cd5、Cd3和Cd1，电容Cd5、Cd3和Cd1的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的非同名端和电容C5的a端,所述E类开关型输出供电匹配网络的第四输入端、第五输入端和第六输入端分别连接电容Cd6、Cd4和Cd2，电容Cd6、Cd4和Cd2的另一端同时连接变压器T2的次级线圈的同名端和电容C5的b端,变压器T2的次级线圈的中间抽头接地，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接地电容Cout和电感Lc，电感Lc另一端为E类开关型输出供电匹配网络的输出端。
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