CN112737530B - 一种连续f类放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续F类放大器，包括主路阻抗匹配网络、旁路滤波匹配网络、主路功率放大网络、旁路功率放大网络、二路连续F类波形合成阻抗匹配网络。本发明采用基于二路自偏方式的堆叠放大器作为主路和旁路功率放大网络的核心单元，结合了二路连续F类波形合成技术及连续F类放大器阻抗匹配技术，将放大器输出电压波形直接整形成连续F类放大器特殊的连续变化电压波形，规避了输出网络的阻抗限制，优化了传统连续F类放大器的阻抗设计空间，并且使得电路具有超宽带、高增益、高功率输出能力的特性。

Description

一种连续F类放大器

技术领域

本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种连续F类放大器的设计。

背景技术

随着通信技术的发展，射频前端发射机迫切的需求超宽带、高效率、高增益、高功率的功率放大器，满足通信***高速率、高可靠性、低功耗的要求。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，可以实现高效率特性，但是其带宽非常窄，不满足现有***的需求。因此高效率过驱动开关功率放大器的带宽一直是通信***的技术瓶颈。

常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。英国Cardiff大学Cripps团队在J类功放的基础上提出了连续型F类功放，连续F类功放通过引入修正因子，使得功放具有一组基波和二次谐波阻抗解，提升了匹配网络的设计空间，实现F类功放的频带扩展。随后，在连续型F类功放的基础上，引入电阻性二次谐波阻抗，进一步扩展功放设计空间，从而在连续F类功放基础上进一步扩展可实现带宽。但是，为了形成连续型F类放大器特殊的电压连续波形，其输出匹配电路的二次谐波阻抗和三次谐波阻抗为电阻性，但是这样也限制了连续型F类功放的效率。

除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。

发明内容

本发明的目的是提出一种连续F类放大器，采用基于二路自偏方式的堆叠放大器作为主路和旁路功率放大网络的核心单元，结合了二路连续F类波形合成技术及连续F类放大器阻抗匹配技术，将放大器输出电压波形直接整形成连续F类放大器特殊的连续变化电压波形，规避了输出网络的阻抗限制，优化了传统连续F类放大器的阻抗设计空间，并且使得电路具有超宽带、高增益、高功率输出能力的特性。

本发明的技术方案为：一种连续F类放大器，包括主路阻抗匹配网络、旁路滤波匹配网络、主路功率放大网络、旁路功率放大网络、二路连续F类波形合成阻抗匹配网络；

主路阻抗匹配网络的输入端为整个连续F类放大器的输入端，二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端为整个连续F类放大器的输出端；

主路阻抗匹配网络的第一、第二输出端分别与主路功率放大网络的第一输入端和旁路滤波匹配网络的输入端连接；旁路滤波匹配网络的输出端与旁路功率放大网络的输入端连接；旁路功率放大网络的第一输出端与主路阻抗匹配网络的第二输入端连接；主路功率放大网络输出端、旁路功率放大网络的第二输出端分别与二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一、第二输入端连接。

本发明的有益效果是：本发明采用基于二路自偏方式的堆叠放大器作为主路和旁路功率放大网络的核心单元，将放大器输出电压波形直接整形成连续F类放大器特殊的电压连续波形，规避了输出网络的阻抗限制，提升了连续F类放大器的极限效率，并且使得电路具有超宽带、高增益、高功率输出能力的特性。

进一步地，主路阻抗匹配网络的输入端连接C₁，C₁另一端连接接地电感L₁和电容C₂，电容C₂的另一端接连接电感L₂，电感L₂的另一端同时连接电阻R₁、电容C₃和主路阻抗匹配网络的第二输出端，电容C₃的另一端同时连接电阻R₁的另一端和主路阻抗匹配网络的第一输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的主路阻抗匹配网络用于从射频输入信号中分流成二部分信号并做相应移相处理，从而实现后级的波形形成及阻抗匹配功能。

进一步地，旁路滤波匹配网络的输入端同时连接电感L₃和L₄，电感L₄的另一端连接接地电容C₄，电感L₃的另一端连接旁路滤波匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的旁路滤波匹配网络可以将不必要的谐波分量进行滤波并且实现旁路功率放大网络的二次谐波输入阻抗匹配。

进一步地，主路功率放大网络的第一输入端连接电容C₅，C₅的另一端同时连接电阻R₂、R₃和晶体管M₁的栅极，晶体管M₁的源极接地，漏极连接晶体管M₂的源极，电阻R₂的另一端同时连接晶体管M₂的栅极、接地电容C₆和电阻R₄，电阻R₃的另一端同时连接接地电容C₇和电阻R₈，电阻R₄的另一端同时连接晶体管M₂的漏极和主路功率放大网络的输出端，电阻R₈的另一端连接主路功率放大网络的第二输入端。旁路功率放大网络的输入端同时连接电感L₅、电阻R₉和电阻R₁₀，电阻R₁₀的另一端同时连接接地电容C₁₀和连续F类放大器的栅极供电电压V_g，L₅的另一端同时连接电阻R₅、R₆和晶体管M₃的栅极，晶体管M₃的源极接地，漏极连接晶体管M₄的源极，电阻R₅的另一端同时连接晶体管M₄的栅极、接地电容C₈和电阻R₇，电阻R₆的另一端同时连接接地电容C₉、电阻R₉的另一端和旁路功率放大网络的第一输出端，电阻R₇的另一端同时连接晶体管M₄的漏极和旁路功率放大网络的第二输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用堆叠连续F类功放结构，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势，同时本发明采用的主路功率放大网络和旁路功率放大网络分别工作在B类、浅C类状态，利用浅C类放大器经过移相后的特殊波形，合成整形所需的连续F类放大器的波形特性；此外，本方案只需要一个栅极供电电压V_g和漏极供电电压V_d，就可以同时实现二路放大器的所需偏置，不需要额外的栅极供电，大大简化了堆叠结构的***栅极和漏极供电结构。

进一步地，二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一输入端连接电感L₆，电感L₆的另一端同时连接接地电容C₁₁、电感L₇和电感L₉，电感L₇的另一端同时连接电感L₈和二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第二输入端，电感L₈的另一端连接接地电容C₁₆，电感L₉的另一端同时连接电感L₁₁、电感L₁₀和电感L₁₂，电感L₁₁的另一端同时连接接地电容C₁₂和连续F类放大器的漏极供电电压，电感L₁₀的另一端连接接地电容C₁₃，电感L₁₂的另一端同时连接电感L₁₃和电容C₁₅，电感L₁₃的另一端连接接地电容C₁₄，电容C₁₅的另一端连接电感L₁₄，电感L₁₄的另一端同时连接接地电感L₁₅和二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的二路连续F类波形合成阻抗匹配网络采用连续F类匹配架构，可以使得电路具有类似于F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种连续F类放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的一种连续F类放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种连续F类放大器，如图1所示，主路阻抗匹配网络、旁路滤波匹配网络、主路功率放大网络、旁路功率放大网络、二路连续F类波形合成阻抗匹配网络；主路阻抗匹配网络的输入端为整个连续F类放大器的输入端，二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端为整个连续F类放大器的输出端；主路阻抗匹配网络的第一、第二输出端分别与主路功率放大网络的第一输入端和旁路滤波匹配网络的输入端连接；旁路滤波匹配网络的输出端与旁路功率放大网络的输入端连接；旁路功率放大网络的第一输出端与主路阻抗匹配网络的第二输入端连接；主路功率放大网络输出端、旁路功率放大网络的第二输出端分别与二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一、第二输入端连接。

如图2所示，主路阻抗匹配网络的输入端连接C₁，C₁另一端连接接地电感L₁和电容C₂，电容C₂的另一端接连接电感L₂，电感L₂的另一端同时连接电阻R₁、电容C₃和主路阻抗匹配网络的第二输出端，电容C₃的另一端同时连接电阻R₁的另一端和主路阻抗匹配网络的第一输出端。

如图2所示，旁路滤波匹配网络的输入端同时连接电感L₃和L₄，电感L₄的另一端连接接地电容C₄，电感L₃的另一端连接旁路滤波匹配网络的输出端。

如图2所示，主路功率放大网络的第一输入端连接电容C₅，C₅的另一端同时连接电阻R₂、R₃和晶体管M₁的栅极，晶体管M₁的源极接地，漏极连接晶体管M₂的源极，电阻R₂的另一端同时连接晶体管M₂的栅极、接地电容C₆和电阻R₄，电阻R₃的另一端同时连接接地电容C₇和电阻R₈，电阻R₄的另一端同时连接晶体管M₂的漏极和主路功率放大网络的输出端，电阻R₈的另一端连接主路功率放大网络的第二输入端。

如图2所示，旁路功率放大网络的输入端同时连接电感L₅、电阻R₉和电阻R₁₀，电阻R₁₀的另一端同时连接接地电容C₁₀和连续F类放大器的栅极供电电压V_g，L₅的另一端同时连接电阻R₅、R₆和晶体管M₃的栅极，晶体管M₃的源极接地，漏极连接晶体管M₄的源极，电阻R₅的另一端同时连接晶体管M₄的栅极、接地电容C₈和电阻R₇，电阻R₆的另一端同时连接接地电容C₉、电阻R₉的另一端和旁路功率放大网络的第一输出端，电阻R₇的另一端同时连接晶体管M₄的漏极和旁路功率放大网络的第二输出端。

如图2所示，二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一输入端连接电感L₆，电感L₆的另一端同时连接接地电容C₁₁、电感L₇和电感L₉，电感L₇的另一端同时连接电感L₈和二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第二输入端，电感L₈的另一端连接接地电容C₁₆，电感L₉的另一端同时连接电感L₁₁、电感L₁₀和电感L₁₂，电感L₁₁的另一端同时连接接地电容C₁₂和连续F类放大器的漏极供电电压，电感L₁₀的另一端连接接地电容C₁₃，电感L₁₂的另一端同时连接电感L₁₃和电容C₁₅，电感L₁₃的另一端连接接地电容C₁₄，电容C₁₅的另一端连接电感L₁₄，电感L₁₄的另一端同时连接接地电感L₁₅和二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端RFin进入高效率连续F类放大器，通过主路阻抗匹配网络的阻抗匹配和功率分配后，分为二部分进入主路功率放大网络和旁路滤波匹配网络级联旁路功率放大网络进行信号放大，其中主路功率放大网的放大器工作在B类，旁路功率放大网络的放大器工作在浅C类，利用浅C类放大器经过移相后的特殊波形，整形B类放大器的波形，同时通过二路连续F类波形合成阻抗匹配网络合成整形达到所需的连续F类放大器的波形特性，射频信号最终到达输出端RFout，实现高效率的连续F类放大模式。

当导通角选取180度的B类放大状态时，典型的连续F类放大器的晶体管输出端工作电压V _ds和效率η _cF为：

当导通角选取180度的B类放大状态时，典型的增强型连续F类放大器的晶体管输出端的工作电压和效率：

当整合B类和C类波形时，本发明实施例的连续F类放大器的晶体管输出端的工作电压和效率，在现有基础上叠加为：

其中，k代表浅C类放大管芯的最大工作电流和B类放大管芯的最大工作电流比，θ代表放大管芯的工作交流角向量，γ代表连续F类放大器的经验调整参数，δ代表增强型连续F类放大器中B类放大器的放大管芯的工作电压调整参数，δ₁和δ₂分别代表B类放大器和浅C类放大器的放大管芯的工作电压调整参数，

代表浅C类放大管芯的电压相位延迟量，α₁代表浅C类放大管芯的导通角。通过电路设计调整上述有关参数，可以使得连续F类放大器输出波形增加了2个分量的设计自由度，因此输出阻抗网络设计难度相应降低，同时本实施例效率η的结果与传统连续F类放大器或者增强型连续F类放大器的效率η基本保持一致，从而规避了输出网络的阻抗限制，优化了传统连续F类放大器的阻抗设计空间，实现本实施例的目的。

本发明实施例采用二路功率放大波形形成网络，其核心采用二路合成的自偏置的堆叠放大器，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势。同时本发明采用的连续F类放大网络是采用B类、浅C类的合成网络实现的，可以实现有效的波形整形，而传统的连续F类放大器往往采用单管共源放大器的形式，波形整形能力比较有限；本方案只需要一个栅极供电电压V_g和漏极供电电压V_d，利用内部的R₈至R₁₀电阻分压和滤波电容C₇、电容C₉就可以同时实现二路放大器的所需稳定偏置，不需要额外的栅极供电，大大简化了堆叠结构的***栅极和漏极供电结构。

本发明实施例采用二路功率放大波形形成网络，其核心采用二路合成的自偏置的堆叠放大器，与现有Doherty功率放大器相比的不同之处在于，本实施例的输出网络为宽带匹配网络，同时电感L₇为实现相位调节作用，等效移相量小于八分之一工作波长，两路放大器工作在B类和C类；Doherty功率放大器的输出网络为窄带匹配网络，输出网络包含一个四分之一工作波长的延迟线，两路放大器工作在AB类和C类。

开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势。本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他馈电电阻、匹配电感、匹配电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在电路宽带、高效率、高增益、高功率输出能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种连续F类放大器，其特征在于，包括主路阻抗匹配网络、旁路滤波匹配网络、主路功率放大网络、旁路功率放大网络、二路连续F类波形合成阻抗匹配网络；

所述主路阻抗匹配网络的输入端为整个所述连续F类放大器的输入端，所述二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端为整个所述连续F类放大器的输出端；

所述主路阻抗匹配网络的第一输出端、第二输出端分别与所述主路功率放大网络的第一输入端和旁路滤波匹配网络的输入端连接；所述旁路滤波匹配网络的输出端与所述旁路功率放大网络的输入端连接；所述旁路功率放大网络的第一输出端与主路功率放大网络的第二输入端连接；所述主路功率放大网络输出端、旁路功率放大网络的第二输出端分别与所述二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一输入端、第二输入端连接。

2.根据权利要求1所述的连续F类放大器，其特征在于，所述主路阻抗匹配网络的输入端连接电容C₁，电容C₁另一端连接接地电感L₁和电容C₂，电容C₂的另一端接连接电感L₂，电感L₂的另一端同时连接电阻R₁、电容C₃和所述主路阻抗匹配网络的第二输出端，电容C₃的另一端同时连接电阻R₁的另一端和所述主路阻抗匹配网络的第一输出端。

3.根据权利要求1所述的连续F类放大器，其特征在于，所述旁路滤波匹配网络的输入端同时连接电感L₃和电感L₄，电感L₄的另一端连接接地电容C₄，电感L₃的另一端连接所述旁路滤波匹配网络的输出端。

4.根据权利要求1所述的连续F类放大器，其特征在于，所述主路功率放大网络的第一输入端连接电容C₅，电容C₅的另一端同时连接电阻R₂、电阻R₃和晶体管M₁的栅极，晶体管M₁的源极接地，漏极连接晶体管M₂的源极，电阻R₂的另一端同时连接晶体管M₂的栅极、接地电容C₆和电阻R₄，电阻R₃的另一端同时连接接地电容C₇和电阻R₈，电阻R₄的另一端同时连接晶体管M₂的漏极和所述主路功率放大网络的输出端，电阻R₈的另一端连接所述主路功率放大网络的第二输入端。

5.根据权利要求1所述的连续F类放大器，其特征在于，所述旁路功率放大网络的输入端同时连接电感L₅、电阻R₉和电阻R₁₀，电阻R₁₀的另一端同时连接接地电容C₁₀和所述连续F类放大器的栅极供电电压V_g，L₅的另一端同时连接电阻R₅、电阻R₆和晶体管M₃的栅极，晶体管M₃的源极接地，漏极连接晶体管M₄的源极，电阻R₅的另一端同时连接晶体管M₄的栅极、接地电容C₈和电阻R₇，电阻R₆的另一端同时连接接地电容C₉、电阻R₉的另一端和所述旁路功率放大网络的第一输出端，电阻R₇的另一端同时连接晶体管M₄的漏极和所述旁路功率放大网络的第二输出端。

6.根据权利要求1所述的连续F类放大器，其特征在于，所述二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第一输入端连接电感L₆，电感L₆的另一端同时连接接地电容C₁₁、电感L₇和电感L₉，电感L₇的另一端同时连接电感L₈和所述二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的第二输入端，电感L₈的另一端连接接地电容C₁₆，电感L₉的另一端同时连接电感L₁₁、电感L₁₀和电感L₁₂，电感L₁₁的另一端同时连接接地电容C₁₂和所述连续F类放大器的漏极供电电压，电感L₁₀的另一端连接接地电容C₁₃，电感L₁₂的另一端同时连接电感L₁₃和电容C₁₅，电感L₁₃的另一端连接接地电容C₁₄，电容C₁₅的另一端连接电感L₁₄，电感L₁₄的另一端同时连接接地电感L₁₅和所述二路连续F类波形合成阻抗匹配网络的输出端。

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