CN217116038U - 多倍频程宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多倍频程宽带功率放大器，包括：依次连接的LC输入匹配网络、驱动网络、级间高阶匹配网络、放大网络和输出高阶匹配网络。根据本实用新型的多倍频程宽带功率放大器，通过LC输入匹配网络、级间高阶匹配网络和输出高阶匹配网络的设置以减小级间和输出匹配网络的面积，从而使得在SOC的芯片的有限面积内实现多倍频程的带宽；同时通过级间高阶匹配网络和输出高阶匹配网络的配置，使得在基波信号的阻抗匹配中，匹配电路的阶数更高，从而让功率放大器在更宽的带宽内有更好的信号增益和平坦度。

Description

多倍频程宽带功率放大器

技术领域

本实用新型是关于电子电路技术领域，特别是关于一种多倍频程宽带功率放大器。

背景技术

图1为传统的基于变压器匹配的宽带功率放大器电路原理图，其输入、级间以及输出匹配分别由变压器T1、T2、T3和并联电容C1、C2、C3、C4、C5、C6组成，主要参数包括初级线圈电感、次级线圈电感、耦合系数k、初级线圈侧并联电容以及次级线圈侧并联电容。传统的基于变压器的匹配网络仅可以在两个频点处将负载阻抗匹配到目标阻抗。在频点以外，失配以及变压器带来的损耗会影响功率放大器的增益、输出功率以及效率，进而限制功率放大器的工作带宽。特别是在多倍频程的宽带设计中，该网络无法很好地在整个频带内都实现匹配。同时在高频段，片上变压器的损耗不可忽略，其损耗会导致功率放大器的工作带宽进一步下降。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多倍频程宽带功率放大器，其能在多倍频程的宽带内实现匹配，且在高频段能够降低片上匹配网络的损耗。

为实现上述目的，本实用新型的实施例提供了一种多倍频程宽带功率放大器，包括：依次连接的LC输入匹配网络、驱动网络、级间高阶匹配网络、放大网络和输出高阶匹配网络，所述级间高阶匹配网络包括第一变压器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第三电感和第四电感，所述第一变压器的初级线圈与驱动网络连接，所述第三电容的两端与第一变压器的次级线圈的两端相连，所述第三电感和第四电感串联后与第六电容并联且一端通过第四电容与第一变压器的次级线圈的一端连接、另一端通过第五电容与第一变压器的次级线圈的另一端连接。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述输出高阶匹配网络包括第二变压器、第九电容、第十电容、第五电感和第十一电容，所述第二变压器的初级线圈与放大网络连接，所述第九电容的两端与第二变压器的次级线圈的两端相连，所述第五电感与第十一电容并联后的一端连接输出端且通过第十电容与第二变压器的初级线圈的一端连接、另一端与第二变压器的初级线圈的另一端连接且接地。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述LC输入匹配网络包括第一电感和第二电感，所述第一电感的一端连接第一输入端、另一端连接驱动网络，所述第二电感的一端连接第二输入端、另一端连接驱动网络。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述驱动网络的等效电容为LC输入匹配网络的匹配电容。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述驱动网络包括第一晶体管、第二晶体管、第一电容、第二电容和第一电阻，所述第一电容的一端与第二晶体管的栅极和第一电阻的一端以及LC输入匹配网络连接、另一端与第一晶体管的漏极和级间高阶匹配网络连接，所述第二电容的一端与第一晶体管的栅极和第一电阻的另一端以及LC输入匹配网络连接、另一端与第二晶体管的漏极和级间高阶匹配网络连接，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极连接且接地。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述放大网络包括第七电容、第八电容、第三电阻、第三晶体管和第四晶体管，所述第七电容的一端连接第三电阻的一端和第四晶体管的栅极以及级间高阶匹配网络、另一端连接第三晶体管的漏极和输出高阶匹配网络，所述第八电容的一端连接第三电阻的另一端和第三晶体管的栅极以及级间高阶匹配网络、另一端连接第四晶体管的漏极，所述第三晶体管的源极和第四晶体管的源极相连且接地。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述LC输入匹配网络为基于切比雪夫低通滤波器的2阶LC输入匹配网络。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述第三电感和第四电感的相连处通过第二电阻连接偏置电压。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述第一电感和第二电感的直径为60～90μm。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感和/或第五电感采用传输线进行替换。

与现有技术相比，根据本实用新型实施例的多倍频程宽带功率放大器，通过LC输入匹配网络、级间高阶匹配网络和输出高阶匹配网络的设置以减小级间和输出匹配网络的面积，从而使得在SOC的芯片的有限面积内实现多倍频程的带宽；同时通过级间高阶匹配网络和输出高阶匹配网络的配置，使得在基波信号的阻抗匹配中，匹配电路的阶数更高，从而让功率放大器在更宽的带宽内有更好的信号增益和平坦度。

附图说明

图1是现有技术中的基于变压器匹配的宽带功率放大器的电路原理图。

图2是根据本实用新型一实施例的多倍频程宽带功率放大器的电路原理图。

图3是根据本实用新型一实施例的多倍频程宽带功率放大器的增益带宽图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施例进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施例的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

如图2所示，一种多倍频程宽带功率放大器，包括：依次连接的LC输入匹配网络10、驱动网络20、级间高阶匹配网络30、放大网络40和输出高阶匹配网络50。

如图2所示，LC输入匹配网络10包括第一电感L1和第二电感L2以及分别与第一电感L1和第二电感L2连接的匹配电容。第一电感L1的一端连接第一输入端Input+、另一端连接驱动网络20。第二电感L2的一端连接第二输入端Input-、另一端连接驱动网络20。在本实施例中，LC输入匹配网络10为基于切比雪夫低通滤波器的2阶LC输入匹配网络。在LC输入匹配网络10中，分别与第一电感L1和第二电感L2连接的匹配电容为驱动网络20的等效电容。

在本实施例中，第一电感和第二电感的直径为60～90μm，优选为80μm，第一电感和第二电感属于面积很小的电感。由于功率放大器也作为上一级的负载，LC输入匹配网络10的目标阻抗由前一级决定，通过采用小面积的第一电感和第二电感便可以满足前一级阻抗变换的要求，从而在保证阻抗变换的前提下在芯片上占据更小的面积。

如图2所示，驱动网络20包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电容C1、第二电容C2和第一电阻R1。第一电容C1的一端与第二晶体管M2的栅极和第一电阻R1的一端以及LC输入匹配网络10的第二电感L2连接、另一端与第一晶体管M1的漏极和级间高阶匹配网络30连接。第二电容C2的一端与第一晶体管M1的栅极和第一电阻R1的另一端以及LC输入匹配网络10的第一电感L1连接、另一端与第二晶体管M2的漏极和级间高阶匹配网络30连接。第一晶体管M1的源极和第二晶体管M2的源极连接且接地。

如图2所示，级间高阶匹配网络30包括第一变压器T1、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第三电感L3和第四电感L4。第一变压器T1的初级线圈两端分别与驱动网络20的第一晶体管M1的漏极以及第二晶体管M2的漏极连接。第三电容C3的两端与第一变压器T1的次级线圈的两端相连，第三电感L3和第四电感L4串联后与第六电容C6并联且一端通过第四电容C4与第一变压器T1的次级线圈的一端连接、另一端通过第五电容C5与第一变压器T1的次级线圈的另一端连接。第三电感L3和第四电感L4串联后与第六电容C6并联的两端同时与放大网络40连接。第三电感L3和第四电感L4的相连处通过第二电阻R2连接偏置电压V_G2。在本实施例中，由于在SOC(片上系统)上，芯片的面积总是有限的，通过第一变压器T1可以在相同的面积上实现更高的阶数，从而在保证匹配带宽的前提下占据更小的面积，减小了级间匹配网络的面积。

如图2所示，放大网络40包括第七电容C7、第八电容C8、第三电阻R3、第三晶体管M3和第四晶体管M4。第七电容C7的一端连接第三电阻R3的一端和第四晶体管M4的栅极以及级间高阶匹配网络30的第六电容C6的一端、另一端连接第三晶体管M3的漏极和输出高阶匹配网络50。第八电容C8的一端连接第三电阻R3的另一端和第三晶体管M3的栅极以及级间高阶匹配网络30的第六电容C6的另一端、另一端连接第四晶体管M4的漏极，第三晶体管M3的源极和第四晶体管M4的源极相连且接地。

如图2所示，输出高阶匹配网络50包括第二变压器T2、第九电容C9、第十电容C10、第五电感L5和第十一电容C11。第二变压器T2的初级线圈两端分别与放大网络40的第三晶体管M3的漏极以及第四晶体管M4的漏极连接。第九电容C9的两端与第二变压器T2的次级线圈的两端相连，第五电感L5与第十一电容C11并联后的一端连接输出端Output+且通过第十电容C10与第二变压器T2的次级线圈的一端连接、另一端与第二变压器T2的次级线圈的另一端连接且接地END。在本实施例中，由于在SOC(片上系统)上，芯片的面积总是有限的，通过第二变压器T2可以在相同的面积上实现更高的阶数，从而在保证匹配带宽的前提下占据更小的面积，减小了输出匹配网络的面积。另外，第二变压器T2在输出端还能够作为巴伦，实现差分-单端转换的功能。

在本实施例中，通过减小LC输入匹配网络10、级间高阶匹配网络30、输出高阶匹配网络50的面积，从而实现在有限的面积内实现多倍频程的带宽。

在本实施例中，串联的第三电感L3和第四电感L4、第三电容C3和第六电容C6与第一变压器T1并联，第五电感L5、第九电容和第十一电容C11与第二变压器T2并联。各变压器和电容、电感直接参与到基波信号的阻抗匹配中，由于各电感、电容、变压器都参与基波的匹配，因此该电路中，基波的匹配电路阶数更高，可以让功率放大器在更宽的带宽内有更好的信号增益和平坦度。图3中的横坐标表示为频率，纵坐标表示为增益，从图3中可以看出，本实施例的功率放大器在6GHz～18GHz的带宽内具有非常高的信号增益且平坦度也非常好，特别是在频率为9GHz时，具有最高的信号增益20.9dB。

在其他实施例中，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4和第五电感L5均可由传输线代替。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，包括：依次连接的LC输入匹配网络、驱动网络、级间高阶匹配网络、放大网络和输出高阶匹配网络，所述级间高阶匹配网络包括第一变压器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第三电感和第四电感，所述第一变压器的初级线圈与驱动网络连接，所述第三电容的两端与第一变压器的次级线圈的两端相连，所述第三电感和第四电感串联后与第六电容并联且一端通过第四电容与第一变压器的次级线圈的一端连接、另一端通过第五电容与第一变压器的次级线圈的另一端连接。

2.如权利要求1所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述输出高阶匹配网络包括第二变压器、第九电容、第十电容、第五电感和第十一电容，所述第二变压器的初级线圈与放大网络连接，所述第九电容的两端与第二变压器的次级线圈的两端相连，所述第五电感与第十一电容并联后的一端连接输出端且通过第十电容与第二变压器的初级线圈的一端连接、另一端与第二变压器的初级线圈的另一端连接且接地。

3.如权利要求2所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述LC输入匹配网络包括第一电感和第二电感，所述第一电感的一端连接第一输入端、另一端连接驱动网络，所述第二电感的一端连接第二输入端、另一端连接驱动网络。

4.如权利要求3所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述驱动网络的等效电容为LC输入匹配网络的匹配电容。

5.如权利要求1所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述驱动网络包括第一晶体管、第二晶体管、第一电容、第二电容和第一电阻，所述第一电容的一端与第二晶体管的栅极和第一电阻的一端以及LC输入匹配网络连接、另一端与第一晶体管的漏极和级间高阶匹配网络连接，所述第二电容的一端与第一晶体管的栅极和第一电阻的另一端以及LC输入匹配网络连接、另一端与第二晶体管的漏极和级间高阶匹配网络连接，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极连接且接地。

6.如权利要求1所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述放大网络包括第七电容、第八电容、第三电阻、第三晶体管和第四晶体管，所述第七电容的一端连接第三电阻的一端和第四晶体管的栅极以及级间高阶匹配网络、另一端连接第三晶体管的漏极和输出高阶匹配网络，所述第八电容的一端连接第三电阻的另一端和第三晶体管的栅极以及级间高阶匹配网络、另一端连接第四晶体管的漏极，所述第三晶体管的源极和第四晶体管的源极相连且接地。

7.如权利要求1所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述LC输入匹配网络为基于切比雪夫低通滤波器的2阶LC输入匹配网络。

8.如权利要求1所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述第三电感和第四电感的相连处通过第二电阻连接偏置电压。

9.如权利要求3所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述第一电感和第二电感的直径为60～90μm。

10.如权利要求3所述的多倍频程宽带功率放大器，其特征在于，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感和/或第五电感采用传输线进行替换。

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