CN219268826U - 功率放大器和差分功率放大器电路 - Google Patents

功率放大器和差分功率放大器电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种功率放大器和差分功率放大器电路，功率放大器包括信号输入端、输入阻抗匹配电路、第三晶体管、级间匹配电路、第一晶体管、第二晶体管、输出阻抗匹配电路、信号输出端、第一电容、第一电感、第二电感和第三电感；第一晶体管的集电极分别连接至第一电容的第一端和第一电感的第二端；第一电感的第一端连接至电源电压；第一电容的第二端分别连接至第二晶体管的发射极和第二电感的第一端；第二电感的第二端接地；第二晶体管的集电极分别连接至第三电感的第二端和信号输出端；第三电感的第一端连接至电源电压。与相关技术相比，采用本实用新型的功率放大器和差分功率放大器电路的饱和功率高。

Description

功率放大器和差分功率放大器电路
技术领域
本实用新型涉及放大器电路领域，尤其涉及一种功率放大器和差分功率放大器电路。
背景技术
随着人类进入信息化时代，无线通信技术有了飞速发展，从手机，无线局域网，蓝牙等已成为社会生活和发展不可或缺的一部分。无线通信技术的进步离不开射频电路和微波技术的发展。目前，在无线收发系统中，功率放大器是重要的组成部分之一。目前，5G通信从技术上就是把对应的频段定在超高频，具体来说，5G NR的标准就比4G LTE的标准更加严格，所需要的调制信号的带宽更宽，从而对于射频功率放大器的线性度要求就越高。通常情况下，射频功率放大器可以通过提高饱和功率来达到更高的线性度要求，因此，功率放大器的饱和功率成为重要的设计指标。
相关技术的功率放大器一般采用提高电源电压并降低负载阻抗的技术手段提高饱和功率。其中，单个功率放大器的输出功率与Vcc2/RL成比例，其中Vcc为电源电压，RL为负载阻抗。除此之外，相关技术的功率放大器还采用并联组合、差分、cascode等技术手段提高饱和功率。
然而，相关技术的功率放大器采用提高电源电压并降低负载阻抗的技术手段提高饱和功率的技术手段，对于移动手机终端来说，考虑到限定的电源电压Vcc和DC-DC转换器的效率，增加电源电压Vcc是不可取的。因此，单端功率放大器的负载阻抗比较低才能满足高功率的要求，这又导致匹配网络趋向于窄带和过度的损耗。另外，采用并联组合、差分、cascode等技术手段提高饱和功率的技术手段，都需要增加电源电压Vcc或者降低负载阻抗RL，以同时提高饱和功率和增益。
因此，实有必要提供一种新的功率放大器和差分功率放大器电路解决上述问题。
实用新型内容
针对以上现有技术的不足，本实用新型提出一种饱和功率高的功率放大器和差分功率放大器电路。
为了解决上述技术问题，第一方面，本实用新型的实施例提供了一种功率放大器，其包括依次连接的信号输入端、输入阻抗匹配电路、第三晶体管、级间匹配电路、第一晶体管、第二晶体管、输出阻抗匹配电路以及信号输出端；
所述功率放大器还包括第一电容、第一电感、第二电感和第三电感；
所述第一晶体管的集电极分别连接至所述第一电容的第一端和所述第一电感的第二端；所述第一电感的第一端连接至电源电压；
所述第一电容的第二端分别连接至所述第二晶体管的发射极和所述第二电感的第一端；所述第二电感的第二端接地；
所述第二晶体管的集电极分别连接至所述第三电感的第二端和所述信号输出端；所述第三电感的第一端连接至所述电源电压。
优选的，所述功率放大器还包括第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路以及第四电感；
所述第一偏置电路的输出端连接至所述第一晶体管的基极；所述第二偏置电路的输出端连接至所述第二晶体管的基极；所述第三偏置电路的输出端连接至所述第三晶体管的基极；所述第四电感的第二端分别连接至所述第三晶体管的集电极和所述级间匹配电路的输出端；所述第四电感的第一端连接至所述电源电压。
优选的，所述功率放大器还包括第二电容，所述第二电容的第一端连接至所述第二晶体管的基极，所述第二电容的第二端接地。
优选的，所述功率放大器还包括第三电容、第四电容和第五电容；
所述第三电容的第一端连接至所述输入阻抗匹配电路的输出端；所述第三电容的第二端连接至所述第三晶体管的基极；
所述第四电容的第一端连接至所述级间匹配电路的输出端；所述第四电容的第二端连接至所述第一晶体管的基极；
所述第五电容的第一端连接至所述第二晶体管的集电极；所述第五电容的第二端连接至所述输出阻抗匹配电路的输入端。
第二方面，本实用新型的实施例还提供了一种差分功率放大器电路，所述差分功率放大器电路包括第一变压器、第二变压器、第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器均为如本实用新型的实施例提供上述的功率放大器；
所述第一变压器的初级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路的输入端；所述第一变压器的初级线圈的第二端接地；
所述第一变压器的次级线圈的第一端连接至所述第一放大器的输入端；所述第一变压器的次级线圈的第二端连接至所述第二放大器的输入端；所述第一变压器的次级线圈的中间抽头端接地；
所述第一放大器的输出端连接至所述第二变压器的初级线圈的第一端；所述第二放大器的输出端连接至所述第二变压器的初级线圈的第二端；所述第二变压器的初级线圈的中间抽头端接地；
所述第二变压器的次级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路的输出端；
所述第二变压器的次级线圈的第二端接地。
与相关技术相比，本实用新型的功率放大器和差分功率放大器电路，通过在功率放大器设置第一电容、第一电感、第二电感和第三电感；所述第二晶体管的发射极通过一个所述第二电感后接地，所述第二晶体管的发射极电压是0(直流部分)±VCC(射频部分)。所述第二晶体管的发射极和所述第一晶体管的集电极中间串联了一个所述第一电容，所述第一电容有隔直通交的作用。所述第一晶体管的集电极通过一个所述第一电感后接地。因此所述第一晶体管的集电极电压是VCC(直流部分)±VCC(射频部分)。这时，所述第二晶体管的集电极电压则是VCC(直流部分)±2VCC(射频部分)。由此可见，输出的交流电压摆幅是原来的两倍。假设所述第一晶体管的负载阻抗与本实用新型的功率放大器的负载阻抗相同，而所述第二晶体管的负载阻抗又是所述第一晶体管的负载阻抗的两倍。所以本实用新型的功率放大器的电路结构可以使得交流电压摆幅和负载阻抗翻倍，相较于相关技术的单端功率放大器，本实用新型的功率放大器的饱和功率和增益都要高。因此，实现本实用新型的功率放大器和差分功率放大器电路的饱和功率高。
附图说明
下面结合附图详细说明本实用新型。通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中,
图1为本实用新型实施例的功率放大器的电路结构图；
图2为本实用新型实施例的差分功率放大器电路的电路结构图；
图3为本实用新型实施例的差分功率放大器电路的饱和功率与输入功率关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本实用新型实施方式及本实用新型范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型提供一种功率放大器100。
请参考图1所示，图1为本实用新型实施例的功率放大器100的电路结构图。
具体的，所述功率放大器100包括依次连接的信号输入端RFin、输入阻抗匹配电路1、第三晶体管Q3、级间匹配电路2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、输出阻抗匹配电路3以及信号输出端RFout。
所述信号输入端RFin用于接收外部的射频信号。所述功率放大器100由两级放大器单元构成。所述第三晶体管Q3作为第一级放大器单元，即所述第三晶体管Q3为驱动级。
所述第一晶体管Q1和所述第二晶体管Q2组成第二级放大器单元，即放大级。所述第三晶体管Q3是单端放大器，提供部分增益，用于驱动第二级放大器单元。所述第一晶体管Q1和所述第二晶体管Q2组成交流电压堆叠电路。
需要指出是，输入阻抗匹配电路1、第三晶体管Q3、级间匹配电路2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、输出阻抗匹配电路3均为本领域常用的模块电路和晶体管，具体型号和指标根据实际设计需求进行选择，在此，不作详细赘述。
所述功率放大器100还包括第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3。相对于相关技术的单端功率放大器，为了提高饱和功率，所述功率放大器100同时增加了所述第一电容C1、所述第一电感L1、所述第二电感L2和所述第三电感L3。
所述功率放大器100的内部电路连接关系为：
所述第一晶体管Q1的集电极分别连接至所述第一电容C1的第一端和所述第一电感L1的第二端。所述第一电感L1的第一端连接至电源电压VCC。
所述第一电容C1的第二端分别连接至所述第二晶体管Q2的发射极和所述第二电感L2的第一端。所述第二电感L2的第二端接地GND。
所述第二晶体管Q2的集电极分别连接至所述第三电感L3的第二端和所述信号输出端RFout。所述第三电感L3的第一端连接至所述电源电压VCC。
所述第二电感L2和所述第三电感L3均作为轭流电感，防止射频信号进入直流通路。所述第一电容C1隔直通交，使所述第一晶体管Q1输出的射频信号进入所述第二晶体管Q2。所述第二电感L2的作用是使得Q2发射极直流电压为0。所述第二晶体管Q2的发射极通过一个所述第二电感L2后接地，所述第二晶体管Q2的发射极电压是0(直流部分)±VCC(射频部分)。所述第二晶体管Q2的发射极和所述第一晶体管Q1的集电极中间串联了一个所述第一电容C1，所述第一电容C1有隔直通交的作用。所述第一晶体管Q1的集电极通过一个所述第一电感L1后接地。因此所述第一晶体管Q1的集电极电压是VCC(直流部分)±VCC(射频部分)。其中，射频部分这里指的是交流部分。这时，所述第二晶体管Q2的集电极电压则是VCC(直流部分)±2VCC(射频部分)。由此可见，输出的交流电压摆幅是原来的两倍。假设所述第一晶体管Q1的负载阻抗与本实用新型的功率放大器100的负载阻抗相同，而所述第二晶体管Q2的负载阻抗又是所述第一晶体管Q1的负载阻抗的两倍。所以本实用新型的功率放大器100的电路结构可以使得交流电压摆幅和负载阻抗翻倍，相较于相关技术的单端功率放大器，本实用新型的功率放大器100的饱和功率和增益都要高。理论上，本实用新型的功率放大器100相较于相关技术的单端功率放大器，本实用新型的功率放大器100的饱和功率和增益都要高3dB。
本实施例中，所述功率放大器100还包括第一偏置电路4、第二偏置电路5、第三偏置电路6以及第四电感L4。其中，所述第一偏置电路4的输出端连接至所述第一晶体管Q1的基极。所述第一偏置电路4用于给所述第一晶体管Q1提供直流偏置电压。
所述第二偏置电路5的输出端连接至所述第二晶体管Q2的基极。所述第二偏置电路5用于给所述第二晶体管Q2提供直流偏置电压。
所述第三偏置电路6的输出端连接至所述第三晶体管Q3的基极。所述第三偏置电路6用于给所述第三晶体管Q3提供直流偏置电压。
所述第四电感L4的第二端分别连接至所述第三晶体管Q3的集电极和所述级间匹配电路2的输出端；所述第四电感L4的第一端连接至所述电源电压VCC。其中，所述第四电感L4作为轭流电感，防止射频信号进入直流通路。
需要指出是，第一偏置电路4、第二偏置电路5、第三偏置电路6均为本领域常用的模块电路，具体型号和指标根据实际设计需求进行选择，在此，不作详细赘述。
本实施例中，所述功率放大器100还包括第二电容C2。所述第二电容C2的第一端连接至所述第二晶体管Q2的基极。所述第二电容C2的第二端接地GND。所述第二电容C2有隔直通交的作用，可以将所述第二晶体管Q2的基极交流信号滤掉。
所述功率放大器100还包括第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5。
所述第三电容C3的第一端连接至所述输入阻抗匹配电路1的输出端。所述第三电容C3的第二端连接至所述第三晶体管Q3的基极。所述第三电容C3有隔直通交的作用，防止由所述输入阻抗匹配电路1输出的交流信号进入到所述第三晶体管Q3的基极。
所述第四电容C4的第一端连接至所述级间匹配电路2的输出端。所述第四电容C4的第二端连接至所述第一晶体管Q1的基极。所述第四电容C4有隔直通交的作用，防止由所述级间匹配电路2输出的交流信号进入到所述第一晶体管Q1的基极。
所述第五电容C5的第一端连接至所述第二晶体管Q2的集电极。所述第五电容C5的第二端连接至所述输出阻抗匹配电路3的输入端。所述第五电容C5有隔直通交的作用，防止由所述第二晶体管Q2的集电极输出的交流信号进入到所述输出阻抗匹配电路3的输入端。
本实用新型还提供的一种差分功率放大器电路200。
请参考图2所示，图2为本实用新型实施例的差分功率放大器电路200的电路结构图。
具体的，所述差分功率放大器电路200包括第一变压器TF1、第二变压器TF2、第一放大器PA1和第二放大器PA2。所述第一放大器PA1和第二放大器PA2均为所述功率放大器100。
所述差分功率放大器电路200的内部电路连接关系为：
所述第一变压器TF1的初级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路200的输入端Yin。所述第一变压器TF1的初级线圈的第二端接地GND。
所述第一变压器TF1的次级线圈的第一端连接至所述第一放大器PA1的输入端。所述第一变压器TF1的次级线圈的第二端连接至所述第二放大器PA2的输入端。所述第一变压器TF1的次级线圈的中间抽头端接地GND。
所述第一放大器PA1的输出端连接至所述第二变压器TF2的初级线圈的第一端。所述第二放大器PA2的输出端连接至所述第二变压器TF2的初级线圈的第二端。所述第二变压器TF2的初级线圈的中间抽头端接地GND。
所述第二变压器TF2的次级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路200的输出端Yout。
所述第二变压器TF2的次级线圈的第二端接地GND。
所述差分功率放大器电路200的工作过程为：
所述差分功率放大器电路200的输入端Yin接收外部的单端信号，单端信号经过所述第一变压器TF1由单端信号转为差分信号，再通过所述第一放大器PA1和所述第二放大器PA2放大生成两路放大信号，经由所述第二变压器TF2将两路的放大信号合成并输出。这一工作过程可以再次使输出的电压摆幅翻倍，输出阻抗点也翻倍，而输出功率由于正比于VCC2/RL，RL为负载阻抗，所以输出功率翻倍，即提高3dB。
为了验证所述差分功率放大器电路200可提升饱和功率，通过电路仿真进行验证。仿真的结果请参考图3所示，图3为本实用新型实施例的差分功率放大器电路200的饱和功率与输入功率关系曲线图。
如图3的点A1的输入功率为20.000dBm；点A1的饱和功率为37.186dBm。即采用本实施例的差分功率放大器电路200的饱和功率大于相关技术的功率放大器所达到的饱和功率，仿真下约为40dBm。
需要指出是，第一变压器TF1和第二变压器TF2均为本领域常用的变压器，具体型号和指标根据实际设计需求进行选择，在此，不作详细赘述。
本实用新型实施例提供的所述差分功率放大器电路200能够实现所述功率放大器100实施例中的各个实施方式，以及相应有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
需要指出的是，本实用新型采用的相关电路模块、电阻、电容、电感及晶体管均为本领域常用的电路模块、元器件，对应的具体的指标和参数根据实际应用进行调整，在此，不作详细赘述。
与相关技术相比，本实用新型的功率放大器和差分功率放大器电路，通过在功率放大器设置第一电容、第一电感、第二电感和第三电感；所述第二晶体管的发射极通过一个所述第二电感后接地，所述第二晶体管的发射极电压是0(直流部分)±VCC(射频部分)。所述第二晶体管的发射极和所述第一晶体管的集电极中间串联了一个所述第一电容，所述第一电容有隔直通交的作用。所述第一晶体管的集电极通过一个所述第一电感后接地。因此所述第一晶体管的集电极电压是VCC(直流部分)±VCC(射频部分)。这时，所述第二晶体管的集电极电压则是VCC(直流部分)±2VCC(射频部分)。由此可见，输出的交流电压摆幅是原来的两倍。假设所述第一晶体管的负载阻抗与本实用新型的功率放大器的负载阻抗相同，而所述第二晶体管的负载阻抗又是所述第一晶体管的负载阻抗的两倍。所以本实用新型的功率放大器的电路结构可以使得交流电压摆幅和负载阻抗翻倍，相较于相关技术的单端功率放大器，本实用新型的功率放大器的饱和功率和增益都要高。因此，实现本实用新型的功率放大器和差分功率放大器电路的饱和功率高。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (5)

1.一种功率放大器，其包括依次连接的信号输入端、输入阻抗匹配电路、第三晶体管、级间匹配电路、第一晶体管、第二晶体管、输出阻抗匹配电路以及信号输出端；其特征在于，
所述功率放大器还包括第一电容、第一电感、第二电感和第三电感；
所述第一晶体管的集电极分别连接至所述第一电容的第一端和所述第一电感的第二端；所述第一电感的第一端连接至电源电压；
所述第一电容的第二端分别连接至所述第二晶体管的发射极和所述第二电感的第一端；所述第二电感的第二端接地；
所述第二晶体管的集电极分别连接至所述第三电感的第二端和所述信号输出端；所述第三电感的第一端连接至所述电源电压。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路以及第四电感；
所述第一偏置电路的输出端连接至所述第一晶体管的基极；所述第二偏置电路的输出端连接至所述第二晶体管的基极；所述第三偏置电路的输出端连接至所述第三晶体管的基极；所述第四电感的第二端分别连接至所述第三晶体管的集电极和所述级间匹配电路的输出端；所述第四电感的第一端连接至所述电源电压。
3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括第二电容，所述第二电容的第一端连接至所述第二晶体管的基极，所述第二电容的第二端接地。
4.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括第三电容、第四电容和第五电容；
所述第三电容的第一端连接至所述输入阻抗匹配电路的输出端；所述第三电容的第二端连接至所述第三晶体管的基极；
所述第四电容的第一端连接至所述级间匹配电路的输出端；所述第四电容的第二端连接至所述第一晶体管的基极；
所述第五电容的第一端连接至所述第二晶体管的集电极，所述第五电容的第二端连接至所述输出阻抗匹配电路的输入端。
5.一种差分功率放大器电路，其特征在于，所述差分功率放大器电路包括第一变压器、第二变压器、第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器均为如权利要求1-4中任意一项所述的功率放大器；
所述第一变压器的初级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路的输入端；所述第一变压器的初级线圈的第二端接地；
所述第一变压器的次级线圈的第一端连接至所述第一放大器的输入端；所述第一变压器的次级线圈的第二端连接至所述第二放大器的输入端；所述第一变压器的次级线圈的中间抽头端接地；
所述第一放大器的输出端连接至所述第二变压器的初级线圈的第一端；所述第二放大器的输出端连接至所述第二变压器的初级线圈的第二端；所述第二变压器的初级线圈的中间抽头端接地；
所述第二变压器的次级线圈的第一端作为所述差分功率放大器电路的输出端；
所述第二变压器的次级线圈的第二端接地。
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