CN114362685A - 一种基于高q值差分耦合技术的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，属于射频集成电路技术领域，包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络，本发明基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke，规避相关插损；同时结合差分放大器设计技术抑制高频寄生分量，提高电路高频特性；以及采用了输出高Q值差分耦合技术直接进行高效率的功率合成，引入插损较低，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。

Description

一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器的设计。

背景技术

射频功率放大器芯片作为电子通信、电子对抗、雷达等发射***中的最后一级，直接决定了提供的线性度、功耗和功率增益。因此市场往往需要射频功率放大器芯片提供较高的功率和效率，具有较低的功耗。但是，现有的射频功率放大器芯片为了提高集成度，往往需要采用射频扼流圈来进行直流供电并阻断交流信号。此时，射频扼流圈上需要流过较大的电流，但是这对于芯片上的实现方式而言挑战较大。因为片上电感寄生电阻较大，通流能力较弱，Q值较低，因此用作射频扼流圈或者匹配电感时，引入的插损较大，为了降低插损，必须使用较宽的电感绕线，从而需要较大的芯片面积，提高了芯片成本。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，结合差分放大器设计技术及输出高Q值差分耦合技术，可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络；

所述输入差分耦合供电网络的输入端作为所述功率放大器的射频输入端，所述输入差分耦合供电网络的第一输出端与所述自偏置正向放大网络的输入端连接，所述输入差分耦合供电网络的第二输出端与所述自偏置负向放大网络的输入端连接，所述自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接，所述自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接，所述输出高Q值差分耦合网络的输出端作为所述功率放大器的射频输出端。

本发明的有益效果为：本发明基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标；采用自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络构成差分放大结构，可以抑制高频寄生分量，提高电路高频特性；采用输出高Q值差分耦合技术，可以直接进行高效率的功率合成，引入插损较低。

进一步地，所述输入差分耦合供电网络包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、接地电感L₁、电感L₂、电阻R₁、电阻R₂和变压器T₁；

所述电容C₁的一端作为所述输入差分耦合供电网络的输入端，并与所述接地电感L₁连接，所述电容C₁的另一端与电感L₂的一端连接，所述电感L₂的另一端与变压器T₁初级线圈的同名端连接，所述变压器T₁初级线圈的非同名端接地，所述变压器T₁次级线圈的第一同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第一输出端，所述变压器T₁次级线圈的非同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第二输出端，所述变压器T₁次级线圈的第二同名端分别与电阻R₁的一端和接地电容C₂连接，所述电阻R₁的另一端分别与接地电容C₃和电阻R₂的一端连接，所述电阻R₂的另一端与栅极偏置电源V_g连接。

上述进一步方案的有益效果为：该网络具有ESD保护功能，保护电路放大器输入端免于外部ESD应力的威胁，同时可以实现输入阻抗低频段的良好匹配功能。

进一步地，所述自偏置正向放大网络包括N型场效应管M₁、N型场效应管M₂、P型场效应管M₅、P型场效应管M₆、电感L₃、电容C₄、电容C₅、电容C₆、电容C₇、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇、电阻R₈和电阻R₉；

所述电感L₃的一端作为所述自偏置正向放大网络的输入端，并与接地电容C₄连接，所述电感L₃的另一端与N型场效应管M₁的栅极连接，所述N型场效应管M₁的源极接地，所述N型场效应管M₁的漏极与N型场效应管M₂的源极连接，所述N型场效应管M₂的栅极与电阻R₄的一端连接，所述电阻R₄的另一端分别与接地电阻R₃、接地电容C₅和电阻R₅的一端连接，所述N型场效应管M₂的漏极作为所述自偏置正向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₅的漏极连接，所述P型场效应管M₅的栅极与电阻R₆的一端连接，所述电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端、接地电容C₆和电阻R₇的一端连接，所述P型场效应管M₅的源极与P型场效应管M₆的漏极连接，所述P型场效应管M₆的栅极与电阻R₈的一端连接，所述电阻R₈的另一端分别与电阻R₇的另一端、接地电容C₇和电阻R₉的一端连接，所述电阻R₉的另一端与P型场效应管M₆的源极连接，并作为所述自偏置正向放大网络的第一输出端。

上述进一步方案的有益效果为：自偏置正向放大网络基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标；同时自偏置结构简化了供电网络，提高了电路稳定性。

进一步地，所述自偏置负向放大网络包括N型场效应管M₃、N型场效应管M₄、P型场效应管M₇、P型场效应管M₈、电感L₄、电容C₈、电容C₉、电容C₁₀、电容C₁₁、电阻R₁₀、电阻R₁₁、电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅和电阻R₁₆；

所述电感L₄的一端作为所述自偏置负向放大网络的输入端，并与接地电容C₈连接，所述电感L₄的另一端与N型场效应管M₃的栅极连接，所述N型场效应管M₃的源极接地，所述N型场效应管M₃的漏极与N型场效应管M₄的源极连接，所述N型场效应管M₄的栅极与电阻R₁₁的一端连接，所述电阻R₁₁的另一端分别与接地电阻R₁₀、接地电容C₉和电阻R₁₂的一端连接，所述N型场效应管M₄的漏极作为所述自偏置负向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₇的漏极连接，所述P型场效应管M₇的栅极与电阻R₁₃的一端连接，所述电阻R₁₃的另一端分别与电阻R₁₂的另一端、接地电容C₁₀和电阻R₁₄的一端连接，所述P型场效应管M₇的源极与P型场效应管M₈的漏极连接，所述P型场效应管M₈的栅极与电阻R₁₅的一端连接，所述电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₄的另一端、接地电容C₁₁和电阻R₁₆的一端连接，所述电阻R₁₆的另一端与P型场效应管M₈的源极连接，并作为所述自偏置负向放大网络的第一输出端。

上述进一步方案的有益效果为：自偏置负向放大网络基于新型自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke和匹配网络，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标；同时自偏置结构简化了供电网络，提高了电路稳定性。采用与自偏置正向放大网络同样的电路结构可以提高差分电路的正负向信号的对称性。

所述供电网络包括电容C₁₅，所述电容C₁₅的一端作为所述供电网络的输入端，并与漏极偏置电源V_d连接，所述电容C₁₅的另一端接地。

进一步地，所述输出高Q值差分耦合网络包括电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄和电阻R₁₇；

所述电感L₅的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端，所述电感L₅的另一端分别与电感L₁₀的一端、电阻R1₇的一端、电容C₁₂的一端、和电感L₁₇的一端连接，所述电感L₁₇的另一端分别与接地电容C₁₃、电容C₁₄的一端和电感L₈的一端连接，所述电容C₁₄的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端，并与接地电感L₉连接；

所述电感L₆的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端，所述电感L₆的另一端分别与电感L₁₀的另一端、电阻R₁₇的另一端、电容C₁₂的另一端和电感L8的另一端连接。

上述进一步方案的有益效果为：采用输出高Q值差分耦合技术，可以直接进行高效率的功率合成，引入插损较低；同时该网络具有ESD保护功能，保护电路放大器输出端免于外部ESD应力的威胁，同时可以实现输出阻抗低频段的良好匹配功能。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的基于功率自适应偏置调节技术的放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的基于功率自适应偏置调节技术的放大器电路图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例提供了一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，如图1所示，包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络；

输入差分耦合供电网络的输入端作为功率放大器的射频输入端，输入差分耦合供电网络的第一输出端与自偏置正向放大网络的输入端连接，输入差分耦合供电网络的第二输出端与自偏置负向放大网络的输入端连接，自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接，自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接，输出高Q值差分耦合网络的输出端作为功率放大器的射频输出端。

如图2所示，输入差分耦合供电网络包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、接地电感L₁、电感L₂、电阻R₁、电阻R₂和变压器T₁；

电容C₁的一端作为输入差分耦合供电网络的输入端，并与接地电感L₁连接，电容C₁的另一端与电感L₂的一端连接，电感L₂的另一端与变压器T₁初级线圈的同名端连接，变压器T₁初级线圈的非同名端接地，变压器T₁次级线圈的第一同名端作为输入差分耦合供电网络的第一输出端，变压器T₁次级线圈的非同名端作为输入差分耦合供电网络的第二输出端，变压器T₁次级线圈的第二同名端分别与电阻R₁的一端和接地电容C₂连接，电阻R₁的另一端分别与接地电容C₃和电阻R₂的一端连接，电阻R₂的另一端与栅极偏置电源V_g连接。

如图2所示，自偏置正向放大网络包括N型场效应管M₁、N型场效应管M₂、P型场效应管M₅、P型场效应管M₆、电感L₃、电容C₄、电容C₅、电容C₆、电容C₇、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇、电阻R₈和电阻R₉；

电感L₃的一端作为自偏置正向放大网络的输入端，并与接地电容C₄连接，电感L₃的另一端与N型场效应管M₁的栅极连接，N型场效应管M₁的源极接地，N型场效应管M₁的漏极与N型场效应管M₂的源极连接，N型场效应管M₂的栅极与电阻R₄的一端连接，电阻R₄的另一端分别与接地电阻R₃、接地电容C₅和电阻R₅的一端连接，N型场效应管M₂的漏极作为自偏置正向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₅的漏极连接，P型场效应管M₅的栅极与电阻R₆的一端连接，电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端、接地电容C₆和电阻R₇的一端连接，P型场效应管M₅的源极与P型场效应管M₆的漏极连接，P型场效应管M₆的栅极与电阻R₈的一端连接，电阻R₈的另一端分别与电阻R₇的另一端、接地电容C₇和电阻R₉的一端连接，电阻R₉的另一端与P型场效应管M₆的源极连接，并作为自偏置正向放大网络的第一输出端。

如图2所示，自偏置负向放大网络包括N型场效应管M₃、N型场效应管M₄、P型场效应管M₇、P型场效应管M₈、电感L₄、电容C₈、电容C₉、电容C₁₀、电容C₁₁、电阻R₁₀、电阻R₁₁、电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅和电阻R₁₆；

电感L₄的一端作为自偏置负向放大网络的输入端，并与接地电容C₈连接，电感L₄的另一端与N型场效应管M₃的栅极连接，N型场效应管M₃的源极接地，N型场效应管M₃的漏极与N型场效应管M₄的源极连接，N型场效应管M₄的栅极与电阻R₁₁的一端连接，电阻R₁₁的另一端分别与接地电阻R₁₀、接地电容C₉和电阻R₁₂的一端连接，N型场效应管M₄的漏极作为自偏置负向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₇的漏极连接，P型场效应管M₇的栅极与电阻R₁₃的一端连接，电阻R₁₃的另一端分别与电阻R₁₂的另一端、接地电容C₁₀和电阻R₁₄的一端连接，P型场效应管M₇的源极与P型场效应管M₈的漏极连接，P型场效应管M₈的栅极与电阻R₁₅的一端连接，电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₄的另一端、接地电容C₁₁和电阻R₁₆的一端连接，电阻R₁₆的另一端与P型场效应管M₈的源极连接，并作为自偏置负向放大网络的第一输出端。

如图2所示，供电网络包括电容C₁₅，电容C₁₅的一端作为供电网络的输入端，并与漏极偏置电源V_d连接，电容C₁₅的另一端接地。

如图2所示，输出高Q值差分耦合网络包括电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄和电阻R₁₇；

电感L₅的一端作为输出高Q值差分耦合网络的第一输入端，电感L₅的另一端分别与电感L₁₀的一端、电阻R1₇的一端、电容C₁₂的一端、和电感L₁₇的一端连接，电感L₁₇的另一端分别与接地电容C₁₃、电容C₁₄的一端和电感L₈的一端连接，电容C₁₄的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端，并与接地电感L₉连接；

电感L₆的一端作为输出高Q值差分耦合网络的第二输入端，电感L₆的另一端分别与电感L₁₀的另一端、电阻R₁₇的另一端、电容C₁₂的另一端和电感L8的另一端连接。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频信号进入输入差分耦合供电网络，经过输入阻抗匹配后，射频信号以等功率分配、信号相位相反的方式同时进入自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络，其中正向信号和负向信号经过放大后，在输出高Q值差分耦合网络进行功率叠加和相位合成，经过阻抗变换后，进入放大器的输出端口。由于自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络的电路结构是一致对称的，放大的射频信号是相位反向的，因此可以显著抑制高频寄生分量，提高电路高频特性；同时由于其放大结构采用了自偏置NMOS级联PMOS放大器结构，其中NMOS和PMOS管的结构和信号也是幅度对称的，因此射频信号从NMOS级联PMOS的中间节点流出的时候，等效于交流开路，直流短路到地，因此可以避免使用芯片上集成的低Q值的电感作为供电choke，从而提升放大器的增益、效率和线性度指标。

Claims (6)

1.一种基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，包括输入差分耦合供电网络、自偏置正向放大网络、自偏置负向放大网络、供电网络以及输出高Q值差分耦合网络；

所述输入差分耦合供电网络的输入端作为所述功率放大器的射频输入端，所述输入差分耦合供电网络的第一输出端与所述自偏置正向放大网络的输入端连接，所述输入差分耦合供电网络的第二输出端与所述自偏置负向放大网络的输入端连接，所述自偏置正向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端连接，所述自偏置负向放大网络的第一输出端与供电网络的输入端连接，其第二输出端与所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端连接，所述输出高Q值差分耦合网络的输出端作为所述功率放大器的射频输出端。

2.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，所述输入差分耦合供电网络包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、接地电感L₁、电感L₂、电阻R₁、电阻R₂和变压器T₁；

所述电容C₁的一端作为所述输入差分耦合供电网络的输入端，并与所述接地电感L₁连接，所述电容C₁的另一端与电感L₂的一端连接，所述电感L₂的另一端与变压器T₁初级线圈的同名端连接，所述变压器T₁初级线圈的非同名端接地，所述变压器T₁次级线圈的第一同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第一输出端，所述变压器T₁次级线圈的非同名端作为所述输入差分耦合供电网络的第二输出端，所述变压器T₁次级线圈的第二同名端分别与电阻R₁的一端和接地电容C₂连接，所述电阻R₁的另一端分别与接地电容C₃和电阻R₂的一端连接，所述电阻R₂的另一端与栅极偏置电源V_g连接。

3.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，所述自偏置正向放大网络包括N型场效应管M₁、N型场效应管M₂、P型场效应管M₅、P型场效应管M₆、电感L₃、电容C₄、电容C₅、电容C₆、电容C₇、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇、电阻R₈和电阻R₉；

所述电感L₃的一端作为所述自偏置正向放大网络的输入端，并与接地电容C₄连接，所述电感L₃的另一端与N型场效应管M₁的栅极连接，所述N型场效应管M₁的源极接地，所述N型场效应管M₁的漏极与N型场效应管M₂的源极连接，所述N型场效应管M₂的栅极与电阻R₄的一端连接，所述电阻R₄的另一端分别与接地电阻R₃、接地电容C₅和电阻R₅的一端连接，所述N型场效应管M₂的漏极作为所述自偏置正向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₅的漏极连接，所述P型场效应管M₅的栅极与电阻R₆的一端连接，所述电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端、接地电容C₆和电阻R₇的一端连接，所述P型场效应管M₅的源极与P型场效应管M₆的漏极连接，所述P型场效应管M₆的栅极与电阻R₈的一端连接，所述电阻R₈的另一端分别与电阻R₇的另一端、接地电容C₇和电阻R₉的一端连接，所述电阻R₉的另一端与P型场效应管M₆的源极连接，并作为所述自偏置正向放大网络的第一输出端。

4.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，所述自偏置负向放大网络包括N型场效应管M₃、N型场效应管M₄、P型场效应管M₇、P型场效应管M₈、电感L₄、电容C₈、电容C₉、电容C₁₀、电容C₁₁、电阻R₁₀、电阻R₁₁、电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅和电阻R₁₆；

所述电感L₄的一端作为所述自偏置负向放大网络的输入端，并与接地电容C₈连接，所述电感L₄的另一端与N型场效应管M₃的栅极连接，所述N型场效应管M₃的源极接地，所述N型场效应管M₃的漏极与N型场效应管M₄的源极连接，所述N型场效应管M₄的栅极与电阻R₁₁的一端连接，所述电阻R₁₁的另一端分别与接地电阻R₁₀、接地电容C₉和电阻R₁₂的一端连接，所述N型场效应管M₄的漏极作为所述自偏置负向放大网络的第二输出端，并与P型场效应管M₇的漏极连接，所述P型场效应管M₇的栅极与电阻R₁₃的一端连接，所述电阻R₁₃的另一端分别与电阻R₁₂的另一端、接地电容C₁₀和电阻R₁₄的一端连接，所述P型场效应管M₇的源极与P型场效应管M₈的漏极连接，所述P型场效应管M₈的栅极与电阻R₁₅的一端连接，所述电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₄的另一端、接地电容C₁₁和电阻R₁₆的一端连接，所述电阻R₁₆的另一端与P型场效应管M₈的源极连接，并作为所述自偏置负向放大网络的第一输出端。

5.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，所述供电网络包括电容C₁₅，所述电容C₁₅的一端作为所述供电网络的输入端，并与漏极偏置电源V_d连接，所述电容C₁₅的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的基于高Q值差分耦合技术的功率放大器，其特征在于，所述输出高Q值差分耦合网络包括电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电容C₁₂、电容C₁₃、电容C₁₄和电阻R₁₇；

所述电感L₅的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第一输入端，所述电感L₅的另一端分别与电感L₁₀的一端、电阻R1₇的一端、电容C₁₂的一端、和电感L₁₇的一端连接，所述电感L₁₇的另一端分别与接地电容C₁₃、电容C₁₄的一端和电感L₈的一端连接，所述电容C₁₄的另一端作为输出高Q值差分耦合网络的输出端，并与接地电感L₉连接；

所述电感L₆的一端作为所述输出高Q值差分耦合网络的第二输入端，所述电感L₆的另一端分别与电感L₁₀的另一端、电阻R₁₇的另一端、电容C₁₂的另一端和电感L8的另一端连接。

Images