一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，包括輸入匹配電路，輸出寬帶匹配電路，以及通過級(jí)間匹配電路級(jí)聯(lián)組成的兩級(jí)放大器電路，兩級(jí)放大器電路的前級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，后級(jí)為功率級(jí)；射頻信號(hào)源通過輸入匹配電路連接驅(qū)動(dòng)級(jí)最底層晶體管的柵極，驅(qū)動(dòng)級(jí)最上層的晶體管的漏極連接所述級(jí)間匹配電路的一端，級(jí)間匹配電路的另一端連接功率級(jí)最底層晶體管的柵極，功率級(jí)最上層的晶體管的漏極通過輸出寬帶匹配電路連接負(fù)載。本電路能提高功率放大器的耐壓能力、輸出電壓擺幅、工作帶寬、功率效率、功率增益和最大輸出功率，并有著較好的諧波抑制效果。
【專利說明】
一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種功率放大器，尤其涉及一種射頻功率放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]作為收發(fā)機(jī)中射頻前端的關(guān)鍵單元，射頻功率放大器是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)不可或缺的的重要組成部分，主要用于射頻信號(hào)的線性放大，并通過天線輻射出去。
[0003]隨著智能手機(jī)的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，為了滿足用戶的高速數(shù)據(jù)體驗(yàn)的要求，現(xiàn)代通信系統(tǒng)多采用高頻譜效率的調(diào)制方式，如QPSK等調(diào)制方式，這要求應(yīng)用于新一代通信系統(tǒng)的射頻功率放大器必須有著較高的功率效率、線性度與帶寬。另外，為了滿足不同地區(qū)的用戶的使用要求，移動(dòng)手機(jī)一般都要求支持兩種或兩種以上的網(wǎng)絡(luò)制式。
[0004]另外，隨著便攜式設(shè)備的功能模塊越來越復(fù)雜，將各個(gè)功能模塊集成在一塊芯片上，將大大縮短設(shè)備制造商的量產(chǎn)和加工時(shí)間，并減少在流片方面的資金消耗，因此，如何減小芯片的有效面積和用廉價(jià)的工藝在單一芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)射頻模組具有重要的研究意義。
[0005]由于硅工藝是最為成熟的，也是成本最低、集成度最高且與多數(shù)無線收發(fā)機(jī)的基帶處理部分工藝相兼容，因此，硅CMOS工藝是單片實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊集成的理想方案，不過CMOS工藝自身存在著物理缺陷，如低擊穿電壓和較差的電流能力等。工作于低電壓的功率放大器，需要通過減小負(fù)載阻值進(jìn)而增大電流的方法來提高輸出功率，然后，這種方法使輸出匹配電路的設(shè)計(jì)變得異常困難。
[0006]在中國(guó)專利201510150849.1中，通過采用共源共柵結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器結(jié)構(gòu)來提升功率級(jí)的耐壓能力，然而共源共柵結(jié)構(gòu)的第二個(gè)晶體管的柵極因去耦電容在交流時(shí)呈接地狀態(tài)。隨著輸入信號(hào)功率的增大，輸出的電壓信號(hào)也隨著變大，從而會(huì)使該結(jié)構(gòu)最上面的晶體管最先出現(xiàn)擊穿問題。另外，由于共源共柵結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)晶體管的輸出阻抗并不是最佳阻抗，所以輸出功率較小。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]在中國(guó)專利201510150849.1中，射頻功率放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能提高射頻功率放大器的耐壓能力。然后，這種結(jié)構(gòu)由于堆疊在最底下的晶體管上面的晶體管的柵極的去耦電容的作用，晶體管的柵極在交流時(shí)呈接地狀態(tài)，因此會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)中最上面的晶體管最先出現(xiàn)擊穿而最底下面的晶體管最先出現(xiàn)進(jìn)入線性區(qū)的情況;另外，該結(jié)構(gòu)不能很好地保證每個(gè)晶體管的輸出阻抗都為最佳阻抗，因此，該結(jié)構(gòu)輸出功率相對(duì)下降。本實(shí)用新型的的目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，而提供一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器電路。
[0008]本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案為:
[0009]—種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，該射頻功率放大器包括輸入匹配電路，輸出寬帶匹配電路，以及通過級(jí)間匹配電路級(jí)聯(lián)組成的兩級(jí)放大器電路，所述兩級(jí)放大器電路的前級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，后級(jí)為功率級(jí)；
[0010]所述兩級(jí)放大器電路的每級(jí)均包括:至少由兩個(gè)晶體管漏極源極相連堆疊起來的功率放大電路，第一偏置電路和第二偏置電路，所述第一偏置電路連接所述功率放大電路的除所述最底層晶體管的其余晶體管的柵極，所述第二偏置電路連接所述最底層晶體管的柵極，所述其余晶體管的柵極通過連接?xùn)艠O電容接地，所述最底層晶體管的源極接地；
[0011]射頻信號(hào)源通過所述輸入匹配電路連接所述驅(qū)動(dòng)級(jí)最底層晶體管的柵極，所述驅(qū)動(dòng)級(jí)最上層的晶體管的漏極連接所述級(jí)間匹配電路的一端，所述級(jí)間匹配電路的另一端連接所述功率級(jí)最底層晶體管的柵極，所述功率級(jí)最上層的晶體管的漏極通過所述輸出寬帶匹配電路連接負(fù)載。
[0012]本技術(shù)方案分別采用分離的第一和第二偏置電路對(duì)各晶體管進(jìn)行偏置，其中第二偏置電路為堆疊在最下層的晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，而第一偏置電路為其余堆疊的晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入匹配電路將功率放大電路的晶體管的阻抗轉(zhuǎn)換成信號(hào)源的源阻抗，完成共扼匹配，從而獲得最大的射頻功率增益。為了使每個(gè)晶體管都能夠輸出最大功率，在每個(gè)堆疊的晶體管的柵極加載電容，提供一個(gè)合適的交流阻抗，使每個(gè)晶體管的輸出電壓同相等幅疊加，增強(qiáng)了功率放大電路的線性度與功率輸出能力，并使從每個(gè)晶體管的漏往負(fù)載方向看過去的阻抗為最優(yōu)阻抗。信號(hào)從功率級(jí)最上層的晶體管的漏極輸出，且經(jīng)過輸出寬帶匹配電路，傳輸?shù)截?fù)載端。寬帶匹配電路將負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換成能使功率放大電路輸出最大功率時(shí)的最優(yōu)阻抗。
[0013]優(yōu)選地，所述兩級(jí)放大器電路的每級(jí)中堆疊的晶體管的偏置電壓不等分，最上層晶體管的偏置電壓最低，最下層晶體管的偏置電壓最高，其余晶體管的偏置電壓介于兩者之間。使功率放大電路輸出高功率時(shí)，各個(gè)晶體管的直流電壓匯集于一點(diǎn)，從而使各個(gè)晶體管在高輸出功率時(shí)有著一致的靜態(tài)情況，進(jìn)而增強(qiáng)了功率放大電路的輸出功率和線性度。
[0014]優(yōu)選地，所述偏置電路A和偏置電路B由一個(gè)整合的偏置電路代替。
[0015]優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)級(jí)由3個(gè)晶體管堆疊構(gòu)成。
[0016]優(yōu)選地，所述功率級(jí)由4個(gè)晶體管堆疊構(gòu)成。
[0017]優(yōu)選地，所述輸出寬帶匹配電路中設(shè)有二次諧波抑制電路;并可以結(jié)合扼流電感與功率放大電路輸出級(jí)的輸出電容，更好地實(shí)現(xiàn)二次諧波短路，三次諧波開路，從而大大提高了功率放大電路的效率。
[0018]優(yōu)選地，電源經(jīng)濾波電路連接到所述兩級(jí)放大器電路每級(jí)的最上層的晶體管的漏極。
[0019]優(yōu)選地，所述濾波電路由濾波電容和扼流電感組成。
[0020 ]優(yōu)選地，所述濾波電路由低頻濾波電容、高頻濾波電容和扼流電感組成。
[0021]本實(shí)用新型的有益效果:該電路結(jié)構(gòu)不僅提高了射頻功率放大器的耐壓能力和功率增益，而且通過非等分方式的偏置方法并結(jié)合柵電容所提供的交流阻抗，使每個(gè)堆疊的晶體管的負(fù)載都為最佳阻抗，從而提高功率放大器的功率輸出能力。另外，本實(shí)用新型通過在堆置的晶體管加載電容，并相應(yīng)提尚合適的偏置，從而使每個(gè)晶體管在輸出尚功率時(shí)有著相同的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而提高了功率放大器整體的線性度。本電路能提高功率放大器的耐壓能力、輸出電壓擺幅、工作帶寬、功率效率、功率增益和最大輸出功率，并有著較好的諧波抑制效果。
【附圖說明】
[0022]圖1是實(shí)施例的射頻功率放大器電路圖。
[0023]圖中虛線方框所圈起的部分為堆疊結(jié)構(gòu)功率放大電路。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本實(shí)用新型的一個(gè)較佳實(shí)施例，圖1所示，一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，該射頻功率放大器包括包括輸入匹配電路，輸出寬帶匹配電路，以及通過級(jí)間匹配電路級(jí)聯(lián)組成的兩級(jí)放大器電路，所述兩級(jí)放大器電路的前級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，后級(jí)為功率級(jí);所述兩級(jí)放大器電路的驅(qū)動(dòng)級(jí)包括:由3個(gè)晶體管漏極源極相連堆疊起來的功率放大電路，偏置電路C連接所述功率放大電路的上面2個(gè)晶體管的M6、M7柵極，偏置電路D連接所述最底層晶體管M5的柵極，上面2個(gè)晶體管M6、M7的柵極通過連接?xùn)艠O電容C4、C5接地，最底層晶體管M5的源極接地;所述兩級(jí)放大器電路的功率級(jí)包括:由4個(gè)晶體管漏極源極相連堆疊起來的功率放大電路，偏置電路A連接所述功率放大電路的上面3個(gè)晶體管M2、M3、M4的柵極，偏置電路B連接最底層晶體管Ml的柵極，上面3個(gè)晶體管M2、M3、M4的柵極通過連接?xùn)艠O電容C1、C2、C3接地，最底層晶體管的源極接地;射頻信號(hào)源RFin通過所述輸入匹配電路連接所述驅(qū)動(dòng)級(jí)的最底層的晶體管M5的柵極；驅(qū)動(dòng)級(jí)最上層的晶體管M7的漏極連接所述級(jí)間匹配電路的一端，所述級(jí)間匹配電路的另一端連接所述功率級(jí)最底層晶體管Ml的柵極，所述功率級(jí)最上層的晶體管M4的漏極通過所述輸出寬帶匹配電路連接負(fù)載RL。偏置電路B、D為最下端的晶體管M1、M5提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，而偏置電路A、C為其余堆疊的晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。偏置電路提供給晶體管的偏置電壓不等分，最上層晶體管M7、M4的偏置電壓最低，最下層晶體管M1、M5的偏置電壓最高，其余晶體管的偏置電壓介于兩者之間。獨(dú)立的供電電源VDD分別經(jīng)濾波電路連接到各級(jí)放大器電路的最上層的晶體管M7、M4的漏極;濾波電路均由低頻濾波電容Cp 1、高頻濾波電容Cp2和扼流電感Lc組成。
[0025]該電路結(jié)構(gòu)不僅提高了射頻功率放大器的耐壓能力和功率增益，而且通過調(diào)整每個(gè)堆疊的晶體管輸入阻抗，從而使每個(gè)晶體管的負(fù)載接近最佳阻抗，從而提高功率放大器的功率輸出能力。驅(qū)動(dòng)級(jí)與功率級(jí)之間通過級(jí)間匹配電路相接，從而使功率增益更加平滑，進(jìn)一步提高線性度，另外，本實(shí)用新型通過在堆疊的晶體管加載電容，并相應(yīng)提高合適的偏置，從而使每個(gè)晶體管在輸出高功率時(shí)有著相同的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而提高了功率放大器整體的線性度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:該射頻功率放大器包括輸入匹配電路，輸出寬帶匹配電路，以及通過級(jí)間匹配電路級(jí)聯(lián)組成的兩級(jí)放大器電路，所述兩級(jí)放大器電路的前級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，后級(jí)為功率級(jí)； 所述兩級(jí)放大器電路的每級(jí)均包括:至少由兩個(gè)晶體管漏極源極相連堆疊起來的功率放大電路，第一偏置電路和第二偏置電路，所述第一偏置電路連接所述功率放大電路的除最底層晶體管的其余晶體管的柵極，所述第二偏置電路連接所述最底層晶體管的柵極，所述其余晶體管的柵極通過連接?xùn)艠O電容接地，所述最底層晶體管的源極接地； 射頻信號(hào)源通過所述輸入匹配電路連接所述驅(qū)動(dòng)級(jí)最底層晶體管的柵極，所述驅(qū)動(dòng)級(jí)最上層的晶體管的漏極連接所述級(jí)間匹配電路的一端，所述級(jí)間匹配電路的另一端連接所述功率級(jí)最底層晶體管的柵極，所述功率級(jí)最上層的晶體管的漏極通過所述輸出寬帶匹配電路連接負(fù)載。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述偏置電路A和偏置電路B由一個(gè)整合的偏置電路代替。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述兩級(jí)放大器電路的每級(jí)中堆疊的晶體管的偏置電壓不等分，最上層晶體管的偏置電壓最低，最下層晶體管的偏置電壓最高，其余晶體管的偏置電壓介于兩者之間。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)級(jí)由3個(gè)晶體管堆疊構(gòu)成。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述功率級(jí)由4個(gè)晶體管堆疊構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述輸出寬帶匹配電路中設(shè)有二次諧波抑制電路。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一權(quán)利要求所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:電源經(jīng)濾波電路連接到所述兩級(jí)放大器電路每級(jí)的最上層的晶體管的漏極。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述濾波電路由濾波電容和扼流電感組成。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兩級(jí)堆疊結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器，其特征在于:所述濾波電路由低頻濾波電容、高頻濾波電容和扼流電感組成。
【文檔編號(hào)】H03F3/24GK205566230SQ201620081361
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日
【發(fā)明人】林俊明, 章國(guó)豪, 張志浩, 余凱, 黃敬馨, 區(qū)力翔
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)