CN201726362U - 提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高Cascode功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，所述功率放大器设有输入晶体管及输出晶体管，它们串叠在一起构成Cascode结构的功率放大器，所述输出晶体管的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络，所述输出晶体管的集电极与输出匹配网络之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络。所述二次谐波串联谐振网络与三次谐波并联谐振网络同样可用于提高普通结构功率放大器的线性度与功率附加效率。所述输出晶体管的基极连接有由基波串联谐振网络与电容构成的二次谐波并联谐振网络。利用谐振网络对谐波信号进行控制，从而抑制谐波信号输出，提高功率放大器的线性度与功率附加效率。

Description

提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构

技术领域

本实用新型涉及一种提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构。

背景技术

功率放大器是无线通信***中一个关键的组件，其线性度和效率一直是被关注的焦点。随着第三代移动通信***(如WCDMA，CDMA2000)的发展，线性调制技术越来越被广泛采用。功率放大器的线性度对于通信***能否不失真地传输放大数据信号起着至关重要的作用。功率放大器的线性度越好则经过放大器放大的信号波形越不容易产生畸变与失真，从而使输入数据信号得到理想地放大并输出。另外，功率放大器的效率也是另一个研究的重点。功率放大器的耗能约占由其组成的无线通信发射***耗能的1/3，提高其效率对于提高整个发射***的效率具有重要作用。对于基站、雷达这类大功率无线通信发射***来讲，提高效率可以减小其损耗的功率，提高发射***对能源的利用率；而对手机等利用电池或者蓄电池供电的发射***来讲，提高效率可以使这些设备工作时间更长。考虑到效率及线性度对功率放大器的重要性，目前，如何使功率放大器在满足高线性度要求的情况下拥有较高的效率成为研究的重点。

目前提高功率放大器线性度主要的几种方法包括前馈技术、反馈技术以及包络消除与恢复技术等。前馈及反馈技术虽能有效提高功率放大器的线性度，但其会极大地降低功率放大器的功率附加效率(PAE)。包络消除与恢复技术虽然能在改善功率放大器线性度的同时，不影响功率放大器的效率，但该技术所采用的电路结构非常复杂，不利用对电路的设计，且使电路制造的成本增加。

发明内容

本实用新型目的是：提供一种提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，使得在不增大功率放大器静态功耗的情况下，既增强了功率放大器的谐波抑制，又显著提高了功率放大器的线性度与功率附加效率。

本实用新型的技术方案是：一种提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，所述功率放大器设有输入晶体管及输出晶体管，它们串叠在一起构成Cascode结构，所述输出晶体管的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络，所述输出晶体管的集电极与输出匹配网络之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络。利用谐振网络对谐波信号进行控制，从而抑制谐波信号输出，提高功率放大器的线性度与功率附加效率。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述二次谐波串联谐振网络包括串联连接于所述输出晶体管的集电极和地之间的第四电容和第二电感；即二次谐波串联谐振网络的输入端连接输出晶体管的集电极、输出端接地，它将集电极输出的二次谐波信号短路到地。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述三次谐波并联谐振网络包括并联连接于所述输出晶体管的集电极和功率放大器的输出端口输出匹配网络之前的第五电容和第三电感；即三次谐波并联谐振网络的输入端连接输出晶体管的集电极、输出端连接功放电路的输出匹配网络，它对集电极输出的三次谐波信号开路，将三次谐波信号反射回集电极。

在上述三次谐波并联谐振网络和功率放大电路的输出端之间设有输出端隔直电容与输出匹配网络。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述功率放大器电路为包括共射输入晶体管和共基输出晶体管的Cascode(共射共基)结构。当然，在其它类型的功率放大器电路中，在输出晶体管的集电极和输出端口之间也可以连接上述二次谐波串联谐振网络和三次谐波并联谐振网络，达到提高了功率放大器的线性度与功率附加效率的目的。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述Cascode结构的输出晶体管的基极和地之间连接有二次谐波并联谐振网络，即所述二次谐波并联谐振网络的输入端接输出晶体管的基极，输出端接地，它提高了基频信号的增益，抑制了二次谐波信号。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述二次谐波并联谐振网络包括并联连接在输出晶体管的基极和地之间的第二电容和基频串联谐振网络。

进一步的，在上述提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构中，所述基频串联谐振网络包括串联连接的第一电感和第三电容。

本实用新型的优点是：

1.本实用新型在Cascode结构功率放大器输出晶体管集电极依次连接的二次谐波串联谐振网络与三次谐波并联谐振网络，可用于提高其它类型功率放大器的线性度与功率附加效率。

2.本实用新型的Cascode电路在输出晶体管的基极连接二次谐波并联谐振网络，提高了Cascode电路对基频信号的增益并抑制Cascode电路对二次谐波信号的增益。

3.本实用新型的Cascode电路在输出晶体管的基极所连接的二次谐波并联谐振网络可用于抑制n次谐波信号。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型具体实施例的电路结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例二次谐波并联谐振网络作用示意图；

图3为本实用新型具体实施例的输出晶体管集电极连接的网络结构示意图；

图4为本实用新型具体实施例的输出晶体管集电极输出电压叠加三次谐波后的波形示意图；

图5为本实用新型具体实施例的输出晶体管集电极输出叠加三次谐波前后的集电极电流波形比较示意图。

其中：C1第一电容；C2第二电容；C3第三电容；C4第四电容；C5第五电容；C6隔直电容；L1第一电感；L2第二电感；L3第三电感；Q1输入晶体管；Q2输出晶体管；R1电阻。

具体实施方式

实施例：如图1和图2所示，本实施例为一种Cascode功率放大器电路，所述Cascode功率放大器包括输入晶体管Q1和输出晶体管Q2，所述输入晶体管Q1的基极连接功率放大器的输入端口，在输入端口和输入晶体管的基极之间还连接有第一电容C1，输入晶体管Q1的发射极接地、集电极与输出晶体管Q2的的发射极串联。所述输出晶体管Q2的基极连接二次谐波并联谐振网络的输入端，所述二次谐波并联谐振网络的输出端接地；所述输出晶体管Q2的集电极依次通过二次、三次谐波谐振网络及输出匹配网络后与功率放大器的输出端口连接。

所述二次谐波并联谐振网络包括并联连接在输出晶体管Q2的基极和地之间的第二电容C2和基频串联谐振网络；该网络并联谐振在二次谐振频率点。所述基频串联谐振网络包括串联连接的第一电感L1和第三电容C3，该网络串联谐振在基频谐振频率点。

如图1和图3所示，所述二次及三次谐波谐振网络包括输入端分别与所述输出晶体管Q2的集电极连接的二次谐波串联谐振网络和三次谐波并联谐振网络，所述二次谐波串联谐振网络的输出端接地，所述三次谐波并联谐振网络的输出端连接输出匹配网络及隔直电容C6后与功率放大器的输出端口连接。

所述二次谐波串联谐振网络包括串联连接于所述输出晶体管Q2的集电极和地之间的第四电容C4和第二电感L2，该网络串联谐振在二次谐振频率点。

所述三次谐波并联谐振网络包括并联连接于所述输出晶体管Q2的集电极和功率放大器的输出匹配网络之间的第五电容C5和第三电感L3，该网络并联谐振在三次谐振频率点。

输出晶体管Q2的高频小信号等效模型如图2所示。由该图可看出，晶体管集电极输出电流由跨导g_m与r_be′、r_bb′上所分得电压u_be决定，在g_m保持不变的情况下，u_be的大小决定了压控电流源所产生电流的大小。由图2可以看出r_be′、r_bb′串联与二次谐波并联谐振网络的等效阻抗一起对经输入晶体管Q1放大的交流信号进行分压，r_be′与r_bb′上所分得电压为u_be。

对于基频信号，二次谐波并联谐振网络中的基频串联谐振网络谐振，其阻抗为最小值R1。此时，二次谐波并联谐振网络等效为R1与第二电容C2的并联，由于R1远远小于第二电容C2电抗的大小，该网络的阻抗主要由R1决定。由于二次谐波并联谐振网络所等效阻抗变小，u_be得到提高，所以由共基晶体管Q2集电极输出的基波电流增大，提高了基波信号的增益。

对于二次谐波信号，二次谐波并联谐振网络并联谐振，该网络等效阻抗为最大值。此时，u_be减小。所以由输出晶体管Q2集电极输出的二次谐波电流减小，二次谐波信号得到抑制。

如图3所示，本实施例中输出晶体管Q2放大后的交流信号由输出晶体管Q2的集电极输出，经二次谐波串联谐振网络对其滤波后通过三次谐波并联谐振网络到达输出匹配网络。二次谐波串联谐振网络将二次谐波信号短路到地，有效地抑制了二次谐波，使输出晶体管Q2集电极电压中的二次谐波分量的幅度很小，可近似忽略，提高了功率放大器的线性度。

另外，在保证基频串联谐振网络谐振在基波信号的情况下，调整第一电感L1、第二电容C2与第三电容C3的值，可使二次谐波并联谐振网络并联谐振在所需的n次谐波频率，从而抑制n次谐波信号的增益。抑制n次谐波信号的网络所要满足的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{\π}{f}_0{L}_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_0{C}_3}\\ 2\mathrm{\π}{f}_n{L}_1-\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_n{C}_3}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_n{C}_2}\end{array}\right.$

该公式中，fo为基波频率，fn为n次谐波频率。

三次谐波并联谐振网络对三次谐波而言等效为开路，将三次谐波信号反射回集电极。如图4所示，调整三次谐波并联谐振网络中的第三电感L3与第五电容C5，可使三次谐波分量与基波分量在集电极同相叠加，使输出晶体管Q2集电极输出电压波形变为类似方波的形状。如图5所示，叠加的三次谐波使已进入饱和区工作的晶体管重新工作于放大区，提高了原本由于晶体管饱和而凹陷的集电极电流的幅度，从而提高了功率放大器的输出功率及功率附加效率。

另外，三次谐波并联谐振网络抑制了三次谐波信号的输出，提高了功率放大器的线性度。

综上所述，二次谐波并联谐振网络中的基频串联谐振网络提高了功率放大器对基频信号的增益。二次谐波并联网络及二次谐波串联网络有效抑制了二次谐波信号的放大与输出，提高了Cascode功率放大器的线性度。三次谐波信号被三次谐波并联谐振网络反射后，在Cascode放大器共基极晶体管的集电极与基波信号同相叠加，使集电极电压波形变为类似方波的形状。由于集电极电压波形的改变，集电极电流的幅度得到提高，从而提高了功率放大器的输出功率及功率附加效率。另外，三次谐波并联谐振网络抑制三次谐波信号传输到负载，提高了功率放大器的线性度。

本实用新型通过利用电容与电感的串并联网络对谐波信号进行控制，在不增大功率放大器静态功耗的情况下，既提高了功率放大器的输出功率和功率附加效率，又显著提高了功率放大器的线性度。

Claims (7)

1.一种提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，所述功率放大器设有输出晶体管(Q2)，其特征在于：所述输出晶体管(Q2)的集电极与地之间连接有抑制二次谐波信号输出的二次谐波串联谐振网络，所述输出晶体管(Q2)的集电极与输出匹配网络之间连接有将三次谐波信号反射回集电极的三次谐波并联谐振网络。

2.根据权利要求1所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述二次谐波串联谐振网络包括从所述输出晶体管(Q2)的集电极到地之间串联的第四电容(C4)和第二电感(L2)，谐振至二次谐波。

3.根据权利要求1或2所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述三次谐波并联谐振网络从所述输出晶体管(Q2)的集电极到功率放大器的输出匹配网络之间并联的第五电容(C5)和第三电感(L3)，谐振至三次谐波。

4.根据权利要求3所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述功率放大器电路为由共射的输入晶体管(Q1)和共基的输出晶体管(Q2)串叠构成的Cascode结构。

5.根据权利要求4所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述Cascode结构的输出晶体管(Q2)的基极连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输出的二次谐波并联谐振网络。

6.根据权利要求5所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述二次谐波并联谐振网络包括从输出晶体管(Q2)的基极到地之间并联的第二电容(C2)和基频串联谐振网络，谐振至二次谐波。

7.根据权利要求6所述的提高功率放大器线性度及功率附加效率的电路结构，其特征在于：所述基频串联谐振网络包括从所述输出晶体管(Q2)到地之间依次串联的第三电容(C3)和第一电感(L1)。

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