推挽式結構射頻功率放大器的製作方法
2023-06-05 16:31:51 1
專利名稱:推挽式結構射頻功率放大器的製作方法
技術領域:
本發明涉及射頻集成電路技術領域,尤其涉及一種推挽式結構射頻功率放大器。
背景技術:
隨著第三代移動通信系統的出現,射頻功率放大器已經越來越多的應用於無線通 信,為了保證良好的通信質量,通信系統對射頻功率放大器效率和線性度的要求也越來越 苛刻。目前射頻功放的設計思路集中於兩個方面其一是將功率輸出級電路偏置在A類, 功率放大器的線性度得到有效改善,然而效率卻降低了 ;其二是將功率輸出級電路偏置在 B類,在得到效率的同時卻無法兼顧線性度。因此,大多數射頻工程師選擇折中的方案—— 將功率輸出級電路偏置在AB類狀態,試圖兼顧線性度和效率,但是僅僅從工作類別考慮而 不採用最佳的電路架構,則高效率和高線性度往往是不可兼得的。推挽(Push-Pull)結構功率放大器的出現,很好的解決了功率放大器領域的這一 難題。以此結構作為放大器的輸出級,一方面可以大大提高功率放大器的效率,另一方面可 以改善輸出信號的線性度。由於以上優點,推挽結構在音頻功放領域得到廣泛應用。遺憾的 是,儘管該技術在音頻功放領域已經運用成熟,但是在射頻以及微波功率放大器領域,由於 NPN-PNP補償異質結雙極性放大管(HBT)推挽結構的工藝實現難度很大,射頻和微波領域 推挽結構功率放大器至今大多基於FET工藝,採用巴倫阻抗變換器實現互補推挽型功率放 大器。而基於HBT工藝的推挽結構功率放大器發展緩慢。導致這一現象的另外一個原因是, NPN和PNP兩種功率管在放大倍數以及工作速度方面有很大差別,推挽結構的輸出級兩個 支路不具有完美的對稱性,導致推挽結構功率放大器的線性度不高,這一弊端使得NPN-PNP 補償HBT推挽結構遲遲沒有應用到射頻功放領域,阻礙了基於HBT工藝的推挽式結構射頻 功率放大器的發展。
發明內容
本發明目的是提供一種推挽式結構射頻功率放大器,使得推挽結構能夠通過 HBT工藝應用於射頻功率放大器領域,實現了能夠兼顧線性度和效率的推挽結構射頻集成 功率放大器。本發明的技術方案是一種推挽式結構射頻功率放大器,包括與功率放大器輸入 端連接的輸入匹配網絡、與功率放大器輸出端連接的輸出匹配網絡以及連接在輸入匹配網 絡和輸出匹配網絡之間的功率放大電路,所述功率放大電路的輸出級電路為主要由第二共 集電極放大管和第二共發射極放大管組成的第二級NPN-NPN推挽功率放大電路。推挽結構 能夠輸出線性度很好的信號,這樣第二級NPN-NPN推挽功率放大電路就有很好的線性度和 很高的效率,從而,基於HBT工藝設計實現了能夠兼顧線性度和效率的推挽式結構射頻功 率放大器。進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述功率放大電路還包括由第 一級上支路放大器和第一級下支路放大器組成的第一級功率放大電路。
進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述第一級上支路放大器為主要由第一共發射極放大管組成的反相放大器;所述第一級下支路放大器為主要由第一共集 電極放大管組成的同相放大器。進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述第一共發射極放大管的基 極與輸入匹配網絡的輸出端連接、集電極與第二共集電極放大管的基極連接;所述第一共 集電極放大管的基極與輸入匹配網絡的輸出端連接、發射極與第二共發射極放大管的基極 連接;所述第二共集電極放大管的發射極和第二共發射極放大管的集電極與所述輸出匹配 網絡的輸入端連接。進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述輸入匹配網絡的輸出端和 輸出匹配網絡的輸入端之間還連接有由反饋電阻構成的反饋網絡,實現了電路的電壓並聯 負反饋,以降低電路增益為代價,提高電路的穩定度,提高工作帶寬。進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述輸入匹配網絡的輸出端在 第一級功率放大電路之前還連接有大功率保護電路。放大器輸入端加入了大功率保護電 路以保護後面兩級電路,防止輸入信號過大造成工作管擊穿,保護電路只在輸入功率超過 20dBm的情況下才會開啟,提供一個導通向地的通道,保證大功率不進入後級電路損壞管 子。進一步的,在上述推挽式結構射頻功率放大器中,所述第一級功率放大電路偏置 在A類狀態或淺AB類狀態;所述第二級NPN-NPN推挽功率放大電路偏置在深AB類狀態。即 通過選擇合適的偏置狀態,可使得電路推輓輸出級上下兩支路均工作在深AB類工作狀態。 當輸入信號在正半周時,信號分別經過上支路的反相放大器和下支路的同相放大器,使得 推輓輸出級的上支路放大管導通,同時使得推輓輸出級下支路的放大管關閉,此時,導通的 推輓輸出級上支路放大管向負載RL提供灌電流。同理,當輸入信號在負半周時,信號經過 上支路的反相放大器和下支路的同相放大器,使得推輓輸出級的上支路放大管關閉,同時 使得推輓輸出級下支路的放大管導通,此時,導通的推輓輸出級下支路放大管向負載&提 供拉電流。本發明的優點是1.本發明通過巧妙的電路設計,實現了 NPN-NPN型HBT推挽電路結構,使得推挽結 構能夠通過HBT工藝應用於射頻功率放大器領域。2.本發明通過推挽結構設計實現了高線性度射頻功率放大器,並且該射頻功率放 大器具有很高的電路效率。3.本發明具有很好的帶寬特性,並且,通過設計不同的輸入輸出匹配網絡可以改 變放大器的工作帶寬。4.本發明反饋網絡的反饋電阻實現了電壓並聯負反饋,通過降低電路增益,使得 放大器具有較高的穩定度。5.本發明的無耗匹配網絡減小了電路的直流損耗,進一步提高了電路效率。6.本發明的大功率保護電路提高了電路工作的安全性,使得電路不會因為輸入功 率過大而導致工作管燒毀。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述圖1為本發明具體實施例的拓撲圖;圖2為本發明具體實施例的具體電路原理圖;圖3(a)為輸入信號負半周時放大器的小信號等效電路模型;圖3(b)為輸入信號正半周時放大器的小信號等效電路模型;圖4為圖2所示推挽結構功率放大器小信號S參數仿真結果圖;圖5為圖2所示推挽結構功率放大器大信號功率參數仿真結果圖。其中1輸入匹配網絡;2第一級上支路放大器;3第一級下支路放大器;4第二級 NPN-NPN推挽功率放大電路;5大功率保護電路;6輸出匹配網絡;7反饋網絡;Ql第一共發 射極放大管;Q2第一共集電極放大管;Q3第二共集電極放大管;Q4第二共發射極放大管; Q5電晶體;R2電阻。
具體實施例方式實施例如圖1至圖5所示,一種推挽式結構射頻功率放大器,包括與功率放大器 輸入端連接的輸入匹配網絡1、與功率放大器輸出端連接的輸出匹配網絡6以及連接在輸 入匹配網絡1和輸出匹配網絡6之間的功率放大電路,所述功率放大電路包括由第一級上 支路放大器2和第一級下支路放大器3組成的第一級功率放大電路,以及主要由第二共集 電極放大管Q3和第二共發射極放大管Q4組成的第二級NPN-NPN推挽功率放大電路4。所 述第一級上支路放大器2為主要由第一共發射極放大管Ql組成的反相放大器;所述第一級 下支路放大器3為主要由第一共集電極放大管Q2組成的同相放大器。第一級功率放大電 路工作在A類狀態,能夠傳輸給第二級電路線性度很好的信號;第二級為推輓輸出級,工作 在深AB類狀態,理論上推輓輸出級電路的最高效率可達67%左右,並且推挽結構能夠輸出 線性度很好的信號。所述第一共發射極放大管Ql的基極與輸入匹配網絡1的輸出端連接、集電極與第 二共集電極放大管Q3的基極連接,電源Vccl通過電阻R5降壓後連接到第一共發射極放大管 Ql的集電極和第二共集電極放大管Q3的基極,另外電源Vccl還直接連接到第二共集電極放 大管Q3的集電極。所述第一共集電極放大管Q2的集電極連接電源Vcc2、基極與輸入匹配網 絡1的輸出端連接、發射極與第二共發射極放大管Q4的基極連接;所述第二共集電極放大管 Q3的發射極和第二共發射極放大管Q4的集電極與所述輸出匹配網絡6的輸入端連接。所述輸入匹配網絡1的輸出端和輸出匹配網絡6的輸入端之間還連接有由反饋電 阻R4構成的反饋網絡7。所述輸入匹配網絡1的輸出端在第一級功率放大電路之前還連接有大功率保護 電路5,所述大功率保護電路由電晶體Q5和電阻R2構成,電晶體Q5隻在輸入功率超過 20dBm的情況下才會開啟,提供一個導通向地的通道,洩放掉過大電流或者鉗位電壓,防止 輸入信號過大造成工作管擊穿。由圖2可以看出,整個功率放大電路的上支路由第二共集電極放大管Q3、第一共 發射極放大管Q1、電阻R5及接成二極體的D3HBT構成,下支路由第二共發射極放大管Q4、 第一共集電極放大管Q2及電阻R3構成。
第一級的上下支路共用一個基極偏置電路,Vccl經過接在第一級上支路放大管集 電極的電阻R5降壓後,作為第一級功率放大器的集電極偏置和輸出級上支路的基極偏置。 Vcc2作為第一級下支路的集電極偏置。輸入匹配網絡採用高通實現阻抗匹配,輸出匹配網 絡採用低通匹配網絡。本實施例第一級上下兩支路的第一共發射極放大管Q1、第一共集電極放大管Q2 共用一個偏置電路,也就是說二者偏置電壓相同。根據兩級功率放大器的第一級偏置條件 要求,為了保證功放的線性度,放大器的的第一級須偏置在A類或者淺AB類,以保證輸出給 第二級的信號具有很好的線性度,這就要求此偏置不能太低,應不小於HBT管開啟電壓Vt ; 另外,這樣設計能夠很好的控制第二級電路的開啟和關閉,也就是可以根據輸入信號的正 半周和負半周實時地決定輸出級的狀態。這就要求第一級偏置電源不能高於兩倍HBT管開 啟電壓Vt,否則,對於上支路,會直接引起第一共發射極放大管Ql的集電極電流過大,導致 電阻R5上的壓降過大,使得第二共集電極放大管Q3基極電壓過低而處於微導通狀態;對於 下支路,過高的偏置電壓會使得第一共集電極放大管Q2發射極電壓(Vq4e = Vq4b-Vt)高於第 二共發射極放大管Q4的開啟電壓,這樣輸出級第二共發射極放大管Q4會一直處於開啟狀 態。 所以,第一級功率放大電路的基極偏置是此種電路設計的關鍵。第一級偏置電壓 不能過大,亦不能過小,鑑於本發明所使用HBT管開啟電壓在1.4V左右,所以本設計第一級 偏置電壓取值為2. 7V。則第一共集電極放大管Q2發射極電壓約為Vq4e = Vq4b-Vt ^ 1. 3V, 這樣就可以使得輸出級第二共發射極放大管Q4會一直處於微導通狀態。輸入信號為正半周時,由下支路經第一共集電極放大管Q2同相放大,此時第二共 發射極放大管Q4導通。產生負半周輸出信號經匹配網絡後傳輸到負載。同時,上支路第一 共發射極放大管Ql在大信號輸入時,集電極電流變大,電阻R5上的壓降增大,使得第二共 集電極放大管Q3基極電壓過低而處於微導通狀態。輸入信號為負半周時,上支路第一共發射極放大管Ql在收到大信號輸入時,集電 極電流變小,電阻R5上的壓降減小,使得第二共集電極放大管Q3基極電壓升高而處於導通 狀態,產生正半周輸出信號經輸出匹配網絡後傳輸到負載。同時,第一共集電極放大管Q2 發射極電壓為Vq4e = Vq4b-Vt < 1. 3V,使得第二共發射極放大管Q4不導通,處於截止狀態。如圖2和圖3(a)、圖3(b)所示,&是終端阻抗,Ztjl是上支路的等效輸出電阻,Zl 是通過匹配網絡阻抗轉換後的負載阻抗,為了獲得最佳的功率輸出特性,匹配網絡應該將 埠阻抗轉換到最佳功率輸出負載阻抗Zopt。如圖2所示,Z1 = Z2 Il Z3, Z2是保護支路電晶體Q5的等效阻抗,Z3是從匹配網絡 向輸入端看去的阻抗。其中Z2遠大於Z3,則Z1 ^ Z3, Zil是上支路的輸入阻抗,R4是反饋電 阻,形成電壓並聯負反饋通路,通過犧牲部分功率增益達到增加電路穩定性和增加帶寬的 目的。圖3(a)為輸入負半周信號時放大器的小信號電路模型,圖3(b)為輸入信號正半 周時放大器的小信號電路模型。當輸入信號為負半周時,第二共集電極放大管Q3開啟,第 二共發射極放大管Q4關閉,輸出信號V。為正半周,此時電路的小信號簡化等效模型如圖 3(a)所示。利用「虛短」,「虛斷」的概念可以估算出閉環電壓增益
其閉環增益為 本發明中取值Zl = Zopt,以使得電路能夠輸出最大功率。當輸入信號為正半周時,第二共集電極放大管Q3關閉,第二共發射極放大管Q4開 啟,輸出信號V。為負半周,電路的簡化等效模型如圖3(b)所示,其放大器的閉環增益為 上式中,Rx為該功率放大器所用GaAs HBT的基極電阻。由式(3)和式⑷可見, 信號正負半周的放大倍數有所差別,將導致放大器的線性度降低。但是本發明通過對影響 增益的相關電阻R3、R4、R5及Rx進行計算和優化,使得該功率放大器在整個信號周期內等 增益地放大輸入信號,保證了輸出信號的線性度,同時由於採用推挽式結構而使得功率放 大器獲得較高的輸出功率並具有較高的功率附加效率。對圖2所示的推挽結構功率放大器進行仿真,得到圖4和圖5所示的仿真結果。從 圖4、圖5中可以看出,該無耗匹配推挽功率放大器在500MHz-900MHz的頻率範圍內,增益為 28dB,在IdB增益壓縮點處,輸出功率2W,功率附加效率為52%。本發明通過巧妙的電路設計,利用NPN-NPN型推挽結構設計出了一種能夠得到高 效率和高線性度的射頻集成功率放大器電路,克服了 NPN-PNP互補HBT管推挽結構難以實 現的技術限制,使得基於HBT工藝的推挽式結構射頻功率放大器得以實現。
權利要求
一種推挽式結構射頻功率放大器,包括與功率放大器輸入端連接的輸入匹配網絡(1)、與功率放大器輸出端連接的輸出匹配網絡(6)以及連接在輸入匹配網絡(1)和輸出匹配網絡(6)之間的功率放大電路,其特徵在於所述功率放大電路包括由第一級上支路放大器(2)和第一級下支路放大器(3)組成的第一級功率放大電路、以及主要由第二共集電極放大管(Q1)和第二共發射極放大管(Q2)組成的第二級NPN-NPN推挽功率放大電路(4)。
2.根據權利要求1所述的推挽結構射頻放大器,其特徵在於所述第一級上支路放大 器(2)為主要由第一共發射極放大管(Ql)組成的反相放大器;所述第一級下支路放大器 (3)為主要由第一共集電極放大管(Q2)組成的同相放大器。
3.根據權利要求2所述的推挽結構射頻放大器,其特徵在於所述第一共發射極放大 管(Ql)的基極與輸入匹配網絡(1)的輸出端連接、集電極與第二共集電極放大管(Q3)的 基極連接;所述第一共集電極放大管(Q2)的基極與輸入匹配網絡(1)的輸出端連接、發射 極與第二共發射極放大管(Q4)的基極連接;所述第二共集電極放大管(Q3)的發射極和第 二共發射極放大管(Q4)的集電極與所述輸出匹配網絡(6)的輸入端連接。
4.根據權利要求3所述的推挽式結構射頻功率放大器,其特徵在於所述第二級 NPN-NPN推挽功率放大電路(4)的輸出端與第一級功率放大電路的輸入端之間還連接有反 饋網絡(7)。
5.根據權利要求3或4所述的推挽式結構射頻功率放大器,其特徵在於所述輸入匹 配網絡(1)的輸出端在第一級功率放大電路的輸入端之前還連接有大功率保護電路(5)。
6.根據權利要求3所述的推挽式結構射頻功率放大器,其特徵在於所述第一級功率 放大電路偏置在A類狀態或淺AB類狀態;所述第二級NPN-NPN推挽功率放大電路(4)偏置 在深AB類狀態。
全文摘要
本發明公開了一種推挽式結構射頻功率放大器,包括與功率放大器輸入端連接的輸入匹配網絡、與功率放大器輸出端連接的輸出匹配網絡以及連接在輸入匹配網絡和輸出匹配網絡之間的功率放大電路,所述功率放大電路的輸出級電路為主要由第二共集電極放大管和第二共發射極放大管組成的第二級NPN-NPN推挽功率放大電路。本發明使得推挽結構能夠通過HBT工藝應用於射頻功率放大器領域,實現了能夠兼顧線性度和效率的推挽結構射頻集成功率放大器。
文檔編號H03F3/26GK101888216SQ20101016073
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者張曉東, 梁聰, 牛旭, 胡善文, 高懷 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司