CN102723917B - 一种功率放大器 - Google Patents
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Abstract
一种功率放大器，包括：共源晶体管、共栅晶体管以及电容，所述共源晶体管的源极连接地信号，所述共源晶体管的栅极用以连接第一偏置电压；所述共栅晶体管的源极与共源晶体管的漏极连接，所述共栅晶体管的栅极用以连接第二偏置电压，所述共栅晶体管的漏极耦合一直流电压源，所述电容连接所述共栅晶体管的栅极和漏极。由于共栅晶体管的栅极和漏极之间连接有一电容，在该栅极和漏极之间形成一高通通路，使该栅极和漏极的压差减小，这样能够使漏极具有一个更大信号摆幅而不会达到栅极和漏极的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件领域，具体涉及一种功率放大器。
背景技术
在现有技术的MOS功率放大器中，漏极-栅极电压经常高于电源电压的三倍，为防止漏极-栅极击穿，限制了可以使用在此类放大器中的最大电源电压。一种改进此问题的方法是在功率放大器中使用共源共栅结构，该结构一般采用两个晶体管：一个共源管、一个共栅管。但在该常用共源共栅结构中，共栅管的漏极-栅极电压也常高于电源电压的两倍，在电源电压较高时，共栅管的漏极-栅极电压一般也会超出该管的耐压范围。
图1表示出了两个晶体管的标准共源共栅结构，晶体管M1是共源管，晶体管M2是共栅管，晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极连接在一起。为了方便说明，在下文中用字母D、G、S指代一个给定晶体管的漏极、栅极、源极，例如G1指的是晶体管M1的栅极、D2指的是晶体管M2的漏极等等。图2表示了一个常规的共源共栅结构的功率放大器，晶体管M1为共源管，晶体管M2为共栅管。直流电压Vgg1通过一个电阻Rg1供给栅极G1为晶体管M1提供直流偏置，该直流偏置可以根据实际需要选取任意值；直流电压Vgg2通过电阻Rg2供给栅极G2为晶体管M2提供直流偏置，该值也可以根据实际需要选取任意值；射频输入信号RFin通过电容Cin被耦合到G1，G2通过电阻Rg2连接到射频地，但本身并不是射频地，因此G2处的电压可以具有射频摆幅，只要D2处射频信号具有全摆幅，功率放大器就可以提供高的输出功率；如果在源电压较高时，共栅管的漏极-栅极电压一般也会超出该管的耐压范围。
发明内容
本发明为解决现有技术功率放大器中共栅管的漏极-栅极电压会超出该管耐压范围的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种功率放大器，包括：共源晶体管、共栅晶体管以及电容，所述共源晶体管的源极连接地信号，所述共源晶体管的栅极用以连接第一偏置电压；所述共栅晶体管的源极与共源晶体管的漏极连接，所述共栅晶体管的栅极用以连接第二偏置电压，所述共栅晶体管的漏极用以连接一直流电压源，所述电容连接所述共栅晶体管的栅极和漏极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的一种功率放大器，由于共栅晶体管的栅极和漏极之间连接有一电容，在该栅极和漏极之间形成一高通通路，使该栅极和漏极的压差减小，这样能够使漏极具有一个更大信号摆幅而不会达到栅极和漏极的击穿电压。
附图说明
图1是两个晶体管的共源共栅结构示意图。
图2是现有技术共源共栅结构的功率放大器。
图3是本发明实施例两个晶体管的共源共栅结构示意图。
图4是本发明第一实施例共源共栅结构的功率放大器。
图5是本发明第二实施例共源共栅结构的功率放大器。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图3是本发明实施例两个晶体管的共源共栅结构示意图；该共源共栅结构包括共源晶体管M1、共栅晶体管M2以及电容Cb，所述共栅晶体管M2的源极S2与共源晶体管M1的漏极D1连接，所述电容Cb连接所述共栅晶体管M2的栅极G2和漏极D2；由于共栅晶体管M2的栅极G2和漏极D2之间连接有一电容，在该栅极G2和漏极D2之间形成一高通通路，使该栅极G2和漏极D2的压差减小，这样能够使漏极具有一个更大信号摆幅而不会达到栅极和漏极的击穿电压。
图4是本发明第一实施例共源共栅结构的功率放大器；在图3共源共栅结构的基础上，所述共源晶体管M1的栅极G1设置有第一偏置电压Vgg1；所述共栅晶体管M2的栅极G2设置有第二偏置电压Vgg2，所述共栅晶体管M2的漏极D2耦合一直流电压源VDD，所述电容Cb连接所述共栅晶体管M2的栅极G2和漏极D2；所述共源晶体管M1的源极S1连接地信号。由于共栅晶体管M2的栅极G2和漏极D2之间连接有一电容Cb，在该栅极G2和漏极D2之间形成一高通通路，使该栅极G2和漏极D2的压差减小，这样能够使在漏极具有一个更大信号摆幅而不会达到栅极和漏极的击穿电压。
本实施例中，共源晶体管M1和共栅M2晶体管均是NMOS管，其他实施例中也可以是其他晶体管，此处不再赘述。该实施例中，共源晶体管M1的栅极G1电极通过一耦合电容Cin被耦合到射频信号输入端RFin；共源晶体管M1的栅极G1通过第一偏置电阻Rg1连接第一偏置电压Vgg1；共栅晶体管M2的漏极D2通过一漏极电感Ldc连接直流电压源VDD；共栅晶体管M2的栅极G2通过第二偏置电阻Rb连接第二偏置电压Vgg2。
以下详述其工作原理，由于第一偏置电压Vgg1和第二偏置电压Vgg2是直流偏压，故相对输入的射频信号也是射频地。由于共栅晶体管M2的栅极G2-漏极D2之间接的是电容Cb；所以对直流而言，共栅晶体管M2的栅极G2的直流偏压Vgg2是通过外部引脚独立外加的任意值，共栅晶体管M2的漏极D2的直流电压为VDD，两者之间没有联系。对射频而言，在共栅晶体管M2的漏极D2处的射频摆幅被Cb-Rb串联连接的高通特性消弱，根据需要可以合理选择Cb与Rb的值，便可以在共栅晶体管M2的栅极G2端得到一个射频摆幅，从而使共栅晶体管M2的栅极G2-漏极D2的压差减小，这样能够使在共栅晶体管M2的漏极D2处具有一个更大信号摆幅，而不会达到共栅晶体管M2的栅极G2-漏极D2的击穿电压。随着共栅晶体管M2的漏极D2处电压的增加，该晶体管的栅极G2的电压也增加，增加的量由电容Cb与第二偏置电阻Rb的值决定；并且共栅晶体管M2的源极S2的电压也增加，这样，在共源晶体管M1和共栅晶体管M2的每个栅极-漏极上的电压降的量可以被平衡。当合理选择第二偏置电压Vgg2、电容Cb与第二偏置电阻Rb的值，可以使在共源晶体管M1与共栅晶体管M2的栅极-漏极电压差相等时，获得最佳性能和最大信号摆幅。由于电阻电容的值几乎不会随加在其两端的电压变化而变化，所以无论射频信号的摆幅是多少，功率放大器的输出阻抗不会变化。
图5是本发明第二实施例共源共栅结构的功率放大器；第一偏置电压Vgg1与第二偏置电压Vgg2是直流偏压，故也是射频地，但在实际中提供直流电压的电源或电路的输出阻抗不为零，所以该两处并不是理想的射频地，故可以加强该两处的射频地能力。为了加强共源晶体管M1栅极G1处的射频地，在图4的基础上还包括第一电感L1和第一电容C1，所述第一偏置电阻Rg1、第一电感L1和第一电容C1串联后连接到地信号。为了加强共栅晶体管M2栅极G2处的射频地，在图4的基础上还包括第二电感L2和第二电容C2，所述第二偏置电阻Rb、第二电感L2和第二电容C2串联后连接到地信号。本实施例中共源晶体管M1栅极G1和共栅晶体管M2栅极G2处的射频地均有加强，并使第一电感L1、第一电容C1和第二电感L2、第二电容C2都谐振在射频信号的频率下。
本实施例中，放大器输出通过一个匹配网络100耦合到一个负载RL，匹配网络100可以将负载RL的阻抗变换到放大器输出阻抗的共轭阻抗上，以达到功率的最大输出。本发明实施例通过在共栅极晶体管的栅极-漏极之间耦合射频摆幅的方式解决了功率放大器（尤其是E类功放）所面临的漏极-栅极耐压问题。在本发明实施例中，最佳情况是当两个晶体管承受相同的最大漏极-栅极电压时，这意味着可以使用一个更大的电源电压，从而产生更高的输出功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种功率放大器，其特征在于，包括：共源晶体管、共栅晶体管以及电容，所述共源晶体管的源极连接地信号，所述共源晶体管的栅极用以连接第一偏置电压；所述共栅晶体管的源极与共源晶体管的漏极连接，所述共栅晶体管的栅极用以连接第二偏置电压，所述共栅晶体管的漏极用以连接一直流电压源，所述电容连接所述共栅晶体管的栅极和漏极；所述共源晶体管的栅极电极通过一耦合电容被耦合到射频信号输入端;所述共栅晶体管的栅极通过第二偏置电阻连接第二偏置电压。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述共源晶体管和共栅晶体管均是NMOS管。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述共源晶体管的栅极通过第一偏置电阻连接第一偏置电压。
4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，还包括第一电感和第一电容，所述第一偏置电阻、第一电感和第一电容串联后连接到地信号。
5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述共栅晶体管的漏极通过一漏极电感连接所述直流电压源。
6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括第二电感和第二电容，所述第二偏置电阻、第二电感和第二电容串联后连接到地信号。
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