一種雙級(jí)逆d類(lèi)功率放大電路及射頻功率放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于射頻通信領(lǐng)域，尤其涉及一種雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路及射頻功率放 大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線(xiàn)通信業(yè)的快速發(fā)展，使得人們的生活日益便捷，這導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)已經(jīng)成 為了人們不可或缺的一部分。通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，使得節(jié)能 減排成為了現(xiàn)今通信系統(tǒng)發(fā)展所務(wù)必考慮的關(guān)鍵內(nèi)容。作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)最為耗能的射頻 功率放大器，在收發(fā)設(shè)備中消耗了 85%以上的功率，因此如何提升功率放大器的效率成為 了節(jié)能減排的核心；同時(shí)在發(fā)射機(jī)信號(hào)功率經(jīng)過(guò)多級(jí)放大時(shí)，末級(jí)功率放大器的功率增益 也將影響系統(tǒng)的整體工作效率，所以提升末級(jí)功率放大器的功率增益也具有重要的意義； 再次，為提高發(fā)射功率，功率合成技術(shù)也一直是放大器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研宄重點(diǎn)問(wèn)題。所以，實(shí) 現(xiàn)功率放大器高效率、高功率增益、提高輸出功率的指標(biāo)折衷是一個(gè)重要且有價(jià)值的工程 問(wèn)題。
[0003] 逆D類(lèi)功率放大器是一種開(kāi)關(guān)功率放大器，理想情況下，其效率可以達(dá)到100%。 逆D類(lèi)功率放大器結(jié)構(gòu)與推挽B類(lèi)放大器的結(jié)構(gòu)很接近，結(jié)合圖1(a)，但它的輸出端不是一 個(gè)寬帶的電阻負(fù)載，而是RLC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。逆D類(lèi)放大器包含兩只推挽結(jié)構(gòu)的晶體管M1、 M2,兩個(gè)晶體管Ml、M2在放大信號(hào)時(shí)交替工作，前半個(gè)周期一個(gè)導(dǎo)通另一個(gè)截止，后半個(gè)周 期開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)互換，因此可以看作理想的開(kāi)關(guān)。由于RLC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的存在，該網(wǎng)絡(luò)兩 端口的電壓應(yīng)僅有基頻成分，即電壓應(yīng)該為理想的正弦信號(hào)，從而輸出變壓器首級(jí)線(xiàn)圈兩 端的電壓也為理想的正弦信號(hào)，又因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管各導(dǎo)通半個(gè)周期，則當(dāng)一個(gè)晶體管截止 時(shí)，其漏極的電壓應(yīng)為半正弦波，而另一個(gè)晶體管因?yàn)閷?dǎo)通，所以漏極電壓應(yīng)為0。通過(guò)上面 的分析可以得出，每個(gè)晶體管上的漏極電流為理想方波，漏極電壓為理想的半正弦波，并且 其相位差為90°，結(jié)合圖1(b)，理想情況下每個(gè)晶體管上的漏極電壓波形和漏極電流波形 沒(méi)有交疊，晶體管上并沒(méi)有能量損耗，電源功率全部轉(zhuǎn)換為輸出功率，理想逆D類(lèi)功率放大 器的漏極效率為100%。受寄生參數(shù)的影響，逆D類(lèi)功率放大器高頻下晶體管的開(kāi)關(guān)延時(shí)不 可忽略，由于晶體管的非理想特性，導(dǎo)致晶體管兩端在同一時(shí)刻存在非零值的電壓和電流， 流過(guò)晶體管的電流波形和電壓波形將出現(xiàn)的重疊區(qū)，產(chǎn)生直流功耗。
[0004] 逆D類(lèi)功率放大器的晶體管漏極電流為理想方波，漏極電壓為理想的半正弦波， 這與逆F類(lèi)功率放大器的輸出波形一樣。因此逆D類(lèi)功率放大器可以等效為兩路推挽結(jié)構(gòu) 的逆F類(lèi)功率放大器。對(duì)于逆F類(lèi)功率放大器，基波阻抗必須滿(mǎn)足最佳基波阻抗匹配，高次 諧波抗中必須滿(mǎn)足偶次諧波開(kāi)路，奇次諧波短路。當(dāng)晶體管輸出負(fù)載阻抗二次諧波開(kāi)路、三 次諧波短路時(shí)，晶體管漏極電流包含一次及三次諧波成分，漏極電壓包含一次及二次諧波 成分，此時(shí)功率放大器可以實(shí)現(xiàn)75%的效率。滿(mǎn)足偶次諧波開(kāi)路，奇次諧波短路時(shí)，所包含 的諧波越高則逆F類(lèi)功放的效率越高。但是，在實(shí)際F類(lèi)功放電路設(shè)計(jì)中，由于各次諧波阻 抗控制電路之間會(huì)相互影響，要想滿(mǎn)足所有高階偶次諧波阻抗開(kāi)路，所有高階奇次諧波短 路的情況是很難的。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中往往只考慮到三次諧波阻抗。
[0005] 近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)高效率逆D類(lèi)射頻功率放大器，一般利用并聯(lián)諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)的逆D類(lèi)射頻功率放大器使效率和工作頻率都有待改善，然而目前的設(shè)計(jì)方案的單級(jí) 功放的功率增益低，一般只有12dB左右，也沒(méi)有針對(duì)晶體管寄生參數(shù)進(jìn)行電路單獨(dú)補(bǔ)償控 制，從而導(dǎo)致寄生參量影響放大器的阻抗匹配，同時(shí)在進(jìn)行諧波阻抗設(shè)計(jì)時(shí)，各次諧波阻抗 控制電路相互之間會(huì)產(chǎn)生影響，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波阻抗的獨(dú)立控制，這就大大增加 了電路設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行電路仿真及調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路，旨在解決現(xiàn)有利用 并聯(lián)諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的逆D類(lèi)射頻功率放大電路單級(jí)功放的功率增益低，工作效率和輸 出功率不高以及仿真調(diào)試繁冗的問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路，所述電路包括： [0008] 輸入巴倫，所述輸入巴倫的輸入端與隔直電容C0的一端連接，所述隔直電容C0的 另一端為所述雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的輸入端，所述輸入巴倫的第一輸出端、第二輸出 端分別與隔直耦合電容C5、隔直耦合電容C5'的一端連接；
[0009] 正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器，所述正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器的輸入端分別與 所述隔直耦合電容C5、所述隔直耦合電容C5'的另一端連接，所述正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放 大器的輸出端分別與隔直親合電容C1、隔直親合電容C1'的一端連接；
[0010] 正、負(fù)兩路放大級(jí)逆F類(lèi)放大器，所述正、負(fù)兩路放大級(jí)逆F類(lèi)放大器的輸入端分 別與所述隔直耦合電容C1、所述隔直耦合電容C1'的另一端連接，所述正、負(fù)兩路放大級(jí) 逆F類(lèi)放大器的輸出端分別與隔直親合電容C6、隔直親合電容C6'的一端連接；
[0011] 輸出巴倫，所述輸出巴倫的第一輸入端、第二輸入端分別與所述隔直親合電容C6、 所述隔直耦合電容C6'的另一端連接，所述輸出巴倫的輸出端與隔直耦合電容C10的一端 連接，所述隔直耦合電容C10的另一端為所述雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的輸出端。
[0012] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于，提供一種采用上述雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的射 頻功率放大器。
[0013] 本發(fā)明實(shí)施例利用F類(lèi)驅(qū)動(dòng)逆F類(lèi)的推挽結(jié)構(gòu)，通過(guò)諧波整形技術(shù)提升了功率放 大器的效率，使功放具有高功率、高增益的特性，并且F類(lèi)驅(qū)動(dòng)級(jí)和逆F類(lèi)放大級(jí)的輸出匹 配電路還可以實(shí)現(xiàn)從基波到三次諧波阻抗的獨(dú)立、精確控制，降低了晶體管的能量損耗，有 效提高了設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)難度，減少了后期調(diào)試的繁冗工作。同時(shí)，通過(guò)基于諧波整形 技術(shù)的雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比單管結(jié)構(gòu)的E類(lèi)功放相比具有更高的功率輸出能 力，大大提升功率放大器的功率增益。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1 (a)為現(xiàn)有逆D類(lèi)功率放大電路結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖1(b)為理想情況下逆D類(lèi)功率放大電路中晶體管漏極輸出端電流與電壓波形 不意圖圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖3(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路中驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器的 示例結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖3(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路中放大級(jí)逆F類(lèi)放大器 的示例結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙極逆D類(lèi)功率放大電路中驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器的 優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖4(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙極逆D類(lèi)功率放大電路中放大級(jí)逆F類(lèi)放大器 的優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例利用F類(lèi)驅(qū)動(dòng)逆F類(lèi)的推挽結(jié)構(gòu)，通過(guò)諧波整形技術(shù)提升了功率放 大器的效率、功率和增益，并且實(shí)現(xiàn)從基波到三次諧波阻抗的獨(dú)立控制，降低設(shè)計(jì)難度，減 少了后期調(diào)試的繁冗工作，另外還通過(guò)正負(fù)雙路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了功率和增益。
[0023] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0024] 圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的結(jié)構(gòu)，為了便于說(shuō)明， 僅不出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。
[0025] 作為本發(fā)明一實(shí)施例，該雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路可以應(yīng)用于任何射頻功率放大 器中，包括：
[0026] 輸入巴倫3,輸入巴倫3的輸入端與隔直電容C0的一端連接，隔直電容C0的另一 端為雙級(jí)逆D類(lèi)功率放大電路的輸入端，輸入巴倫3的第一輸出端、第二輸出端分別與隔直 耦合電容C5、隔直耦合電容C5'的一端連接；
[0027] 正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器1，正、負(fù)兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)F類(lèi)放大器1的輸入端分別與隔 直耦合電容C5、隔直耦