基于精确谐振回路控制的高效率逆D类堆叠功率放大器的制作方法

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，具体涉及一种基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器的设计。

背景技术

随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向超宽带、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在超宽带、高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的带宽一直是电路实现的技术瓶颈。

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，但是，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，主要体现在：传统ab类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；c类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；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。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。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器，利用栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大技术以及高效率逆d类匹配技术，实现宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。

本发明的技术方案为：基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器，包括推挽型输入匹配网络、栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络、rc谐振推挽输出匹配网络、第一供电偏置网络和第二供电偏置网络；推挽型输入匹配网络的输入端为整个高效率逆d类堆叠功率放大器的输入端，其第一输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输入端连接；rc谐振推挽输出匹配网络的输出端为整个高效率逆d类堆叠功率放大器的输出端，其第一输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输出端连接，其第二输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输出端连接；第一供电偏置网络分别与rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端以及栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络连接，第二供电偏置网络分别与rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端以及栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络连接。

本发明的有益效果是：本发明采用栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大技术，利用栅源补偿网络补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率,同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压。同时，本发明还结合了高效率逆d类匹配技术，实现了宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。

进一步地，推挽型输入匹配网络包括第一巴伦电路，第一巴伦电路包括接地电阻r1、接地电阻r2、接地电阻r3、微带线tl1、微带线tl2和微带线tl3；微带线tl1的一端为推挽型输入匹配网络的输入端，其另一端与接地电阻r3连接；微带线tl2的一端与接地电阻r1连接，其另一端与接地电阻r2连接；微带线tl3分别与微带线tl1以及微带线tl2耦合，微带线tl3的一端依次串联微带线tl8、电容c1、微带线tl9和微带线tl11后作为推挽型输入匹配网络的第一输出端，微带线tl3的另一端依次串联微带线tl4、电容c2、微带线tl5和微带线tl7后作为推挽型输入匹配网络的第二输出端；微带线tl9和微带线tl11的连接节点还与开路微带线tl10连接，微带线tl5和微带线tl7的连接节点还与开路微带线tl6连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的推挽型输入匹配网络采用巴伦电路对输入信号进行功率分配及相移，同时采用微带线构成的t型匹配枝节对功率分配及相移后的两路输入信号进行匹配，该结构提高了逆d类功率放大器输入信号的移相及功率分配带宽，同时实现了对于栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的输入阻抗的良好匹配。

进一步地，栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络包括第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路，第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路结构相同。

第一路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管m2和底层晶体管m1；底层晶体管m1的源极接地，其栅极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输入端，并与第一供电偏置网络连接；顶层晶体管m2的栅极分别与第一供电偏置网络以及第一栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容c5和微带线tl15，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输出端；第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻r6和补偿接地电容c6；底层晶体管m1的漏极和顶层晶体管m2的源极之间通过微带线tl14连接，底层晶体管m1的漏极与微带线tl14的连接节点还与微带线tl13的一端连接，微带线tl13的另一端与接地电容c4连接。

第二路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管m4和底层晶体管m3；底层晶体管m3的源极接地，其栅极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输入端，并与第二供电偏置网络连接；顶层晶体管m4的栅极分别与第二供电偏置网络以及第二栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容c9和微带线tl19，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输出端；第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻r11和补偿接地电容c10；底层晶体管m3的漏极和顶层晶体管m4的源极之间通过微带线tl18连接，底层晶体管m3的漏极与微带线tl18的连接节点还与微带线tl17的一端连接，微带线tl17的另一端与接地电容c8连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络可以提升高效率开关功率放大器的功率容量和功率增益，并且本发明采用的栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络加入了自偏置接口，接收来自两个供电偏置网络的自偏电压，从而构成自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构；同时在栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络中加入了栅源补偿回路，用于补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。

进一步地，rc谐振推挽输出匹配网络包括第二巴伦电路，第二巴伦电路包括接地电阻r16、接地电阻r17、接地电阻r18、微带线tl30、微带线tl31和微带线tl32；微带线tl32的一端为rc谐振推挽输出匹配网络的输出端，其另一端与接地电阻r18连接；微带线tl31的一端与接地电阻r16连接，其另一端与接地电阻r17连接；微带线tl30分别与微带线tl31以及微带线tl32耦合，微带线tl30的一端依次串联微带线tl24、电容c14、微带线tl23和微带线tl21后作为rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端，微带线tl30的另一端依次串联微带线tl29、电容c15、微带线tl28和微带线tl26后作为rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端；微带线tl21和微带线tl23的连接节点还与开路微带线tl22连接，微带线tl26和微带线tl28的连接节点还与开路微带线tl27连接；rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端和第二输入端之间还连接有rc谐振电路，rc谐振电路包括并联的电阻r19和电容c13。

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的rc谐振推挽输出匹配网络采用逆d类匹配架构，基于精确rc谐振回路控制的高效率逆d类堆叠匹配架构使得电路可实现电流型d类工作状态的输出阻抗的电流谐振模式，从而实现高功率及高效率指标。同时本发明的rc谐振推挽输出匹配网络采用巴伦电路对信号进行功率合成及相移，并采用微带线构成的t型匹配枝节对两路放大后的信号进行匹配，可以实现逆d类放大器输出阻抗的良好宽带匹配，并且实现较高的工作效率。

进一步地，第一供电偏置网络和第二供电偏置网络结构相同。

第一供电偏置网络包括第一栅压偏置电路和第一漏压偏置电路；第一栅压偏置电路包括微带线tl12、电阻r4和接地电容c3，微带线tl12的一端与底层晶体管m1的栅极连接，其另一端分别与电阻r4的一端以及栅压偏置电源vg1连接，电阻r4的另一端与接地电容c3连接；第一漏压偏置电路包括电阻r7、接地电阻r8、电阻r9、电阻r10、微带线tl20和接地电容c7，电阻r7的一端与顶层晶体管m2的栅极连接，其另一端分别与电阻r9的一端以及接地电阻r8连接，电阻r9的另一端分别与电阻r10的一端、微带线tl20的一端以及漏压偏置电源vd1连接，电阻r10的另一端与接地电容c7连接，微带线tl20的另一端与rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端连接。

第二供电偏置网络包括第二栅压偏置电路和第二漏压偏置电路；第二栅压偏置电路包括微带线tl16、电阻r5和接地电容c11，微带线tl16的一端与底层晶体管m3的栅极连接，其另一端分别与电阻r5的一端以及栅压偏置电源vg2连接，电阻r5的另一端与接地电容c11连接；第二漏压偏置电路包括电阻r12、接地电阻r13、电阻r14、电阻r15、微带线tl25和接地电容c12，电阻r12的一端与顶层晶体管m4的栅极连接，其另一端分别与电阻r14的一端以及接地电阻r13连接，电阻r14的另一端分别与电阻r15的一端、微带线tl25的一端以及漏压偏置电源vd2连接，电阻r15的另一端与接地电容c12连接，微带线tl25的另一端与rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的两个供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络中的各晶体管起到良好的栅极供电及偏置作用。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器电路图。

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基于精确谐振回路控制的高效率逆d类堆叠功率放大器，如图1所示，包括推挽型输入匹配网络、栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络、rc谐振推挽输出匹配网络、第一供电偏置网络和第二供电偏置网络；推挽型输入匹配网络的输入端为整个高效率逆d类堆叠功率放大器的输入端，其第一输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输入端连接；rc谐振推挽输出匹配网络的输出端为整个高效率逆d类堆叠功率放大器的输出端，其第一输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输出端连接，其第二输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输出端连接；第一供电偏置网络分别与rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端以及栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络连接，第二供电偏置网络分别与rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端以及栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络连接。

如图2所示，推挽型输入匹配网络包括第一巴伦电路，第一巴伦电路包括接地电阻r1、接地电阻r2、接地电阻r3、微带线tl1、微带线tl2和微带线tl3；微带线tl1的一端为推挽型输入匹配网络的输入端，其另一端与接地电阻r3连接；微带线tl2的一端与接地电阻r1连接，其另一端与接地电阻r2连接；微带线tl3分别与微带线tl1以及微带线tl2耦合，微带线tl3的一端依次串联微带线tl8、电容c1、微带线tl9和微带线tl11后作为推挽型输入匹配网络的第一输出端，微带线tl3的另一端依次串联微带线tl4、电容c2、微带线tl5和微带线tl7后作为推挽型输入匹配网络的第二输出端；微带线tl9和微带线tl11的连接节点还与开路微带线tl10连接，微带线tl5和微带线tl7的连接节点还与开路微带线tl6连接。

栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络包括第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路，第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路结构相同。

第一路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管m2和底层晶体管m1；底层晶体管m1的源极接地，其栅极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输入端，并与第一供电偏置网络连接；顶层晶体管m2的栅极分别与第一供电偏置网络以及第一栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容c5和微带线tl15，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第一输出端；第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻r6和补偿接地电容c6；底层晶体管m1的漏极和顶层晶体管m2的源极之间通过微带线tl14连接，底层晶体管m1的漏极与微带线tl14的连接节点还与微带线tl13的一端连接，微带线tl13的另一端与接地电容c4连接。

第二路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管m4和底层晶体管m3；底层晶体管m3的源极接地，其栅极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输入端，并与第二供电偏置网络连接；顶层晶体管m4的栅极分别与第二供电偏置网络以及第二栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容c9和微带线tl19，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络的第二输出端；第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻r11和补偿接地电容c10；底层晶体管m3的漏极和顶层晶体管m4的源极之间通过微带线tl18连接，底层晶体管m3的漏极与微带线tl18的连接节点还与微带线tl17的一端连接，微带线tl17的另一端与接地电容c8连接。

rc谐振推挽输出匹配网络包括第二巴伦电路，第二巴伦电路包括接地电阻r16、接地电阻r17、接地电阻r18、微带线tl30、微带线tl31和微带线tl32；微带线tl32的一端为rc谐振推挽输出匹配网络的输出端，其另一端与接地电阻r18连接；微带线tl31的一端与接地电阻r16连接，其另一端与接地电阻r17连接；微带线tl30分别与微带线tl31以及微带线tl32耦合，微带线tl30的一端依次串联微带线tl24、电容c14、微带线tl23和微带线tl21后作为rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端，微带线tl30的另一端依次串联微带线tl29、电容c15、微带线tl28和微带线tl26后作为rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端；微带线tl21和微带线tl23的连接节点还与开路微带线tl22连接，微带线tl26和微带线tl28的连接节点还与开路微带线tl27连接；rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端和第二输入端之间还连接有rc谐振电路，rc谐振电路包括并联的电阻r19和电容c13。

第一供电偏置网络和第二供电偏置网络结构相同。

第一供电偏置网络包括第一栅压偏置电路和第一漏压偏置电路；第一栅压偏置电路包括微带线tl12、电阻r4和接地电容c3，微带线tl12的一端与底层晶体管m1的栅极连接，其另一端分别与电阻r4的一端以及栅压偏置电源vg1连接，电阻r4的另一端与接地电容c3连接；第一漏压偏置电路包括电阻r7、接地电阻r8、电阻r9、电阻r10、微带线tl20和接地电容c7，电阻r7的一端与顶层晶体管m2的栅极连接，其另一端分别与电阻r9的一端以及接地电阻r8连接，电阻r9的另一端分别与电阻r10的一端、微带线tl20的一端以及漏压偏置电源vd1连接，电阻r10的另一端与接地电容c7连接，微带线tl20的另一端与rc谐振推挽输出匹配网络的第一输入端连接。

第二供电偏置网络包括第二栅压偏置电路和第二漏压偏置电路；第二栅压偏置电路包括微带线tl16、电阻r5和接地电容c11，微带线tl16的一端与底层晶体管m3的栅极连接，其另一端分别与电阻r5的一端以及栅压偏置电源vg2连接，电阻r5的另一端与接地电容c11连接；第二漏压偏置电路包括电阻r12、接地电阻r13、电阻r14、电阻r15、微带线tl25和接地电容c12，电阻r12的一端与顶层晶体管m4的栅极连接，其另一端分别与电阻r14的一端以及接地电阻r13连接，电阻r14的另一端分别与电阻r15的一端、微带线tl25的一端以及漏压偏置电源vd2连接，电阻r15的另一端与接地电容c12连接，微带线tl25的另一端与rc谐振推挽输出匹配网络的第二输入端连接。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端in进入高效率逆d类堆叠功率放大器的推挽型输入匹配网络，经第一巴伦电路进行功率分配及相移，得到两路相位差为180°的输入信号，两路输入信号经后续微带线构成的t型匹配枝节进行匹配后，分别进入栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络进行放大。

本发明采用的栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络加入了自偏置接口，接收来自两个供电偏置网络的自偏电压，从而构成自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构；同时在栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络中加入了栅源补偿回路(两路二堆叠功率放大电路的顶层晶体管的栅极和源极之间串联的电容c5/c9和微带线tl15/tl19)，用于补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。此外，在两路二堆叠功率放大电路的顶层晶体管和底层晶体管之间均连接有高频谐振枝节(微带线tl13和接地电容c4，以及微带线tl17和接地电容c8)，能够实现晶体管在高频的稳定。

两路信号分别经两路二堆叠功率放大电路进行放大后进入rc谐振推挽输出匹配网络，经过微带线构成的t型匹配枝节的匹配以及第二巴伦电路进行功率合成及相移后，最终形成射频输出信号到达输出端out。

本发明中的rc谐振推挽输出匹配网络采用逆d类匹配架构，基于精确rc谐振回路控制的高效率逆d类堆叠匹配架构使得电路可实现电流型d类工作状态的输出阻抗的电流谐振模式，从而实现高功率及高效率指标。

此外，本发明中的两个供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置推挽功率放大网络中的各晶体管起到良好的栅极供电及偏置作用。

本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿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，实现在超宽带条件下的高增益、高线性度和良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。

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。