一种Doherty功率放大电路

一种doherty功率放大电路
技术领域
1.本发明属于无线通信领域中的毫米波射频芯片集成电路技术领域，特别涉及一种高可靠、高性能的功率放大电路。


背景技术：

2.功率放大器(power amplifiers，pa)广泛应用于5g无线通信技术、雷达、电子战、导航等民用和军用领域，射频功率放大器是这些系统的核心部分。其中，低功耗、高效能、小体积的pa变得至关重要。pa作为射频发射机中消耗功耗最大的一部分，降低功率放大器的功耗也是关键的一步。提高pa的效率，直接决定了射频前端的系统功率的损耗。近年来，高集成度，小体积化，一直是技术研究的热门，对于功率合成器，一般要用到四分之一波长传输线，但这不利于于集成，而且传输线还会产生损耗。现有的doherty架构技术，主功率放大器的输出功率较大，而辅助功率放大器的输出功率相对较小，这两个放大器被设计为当输入信号功率很低时，主功率放大器工作，辅助功率放大器不工作；当输入信号功率增加到一定程度时，辅助功率放大器输出一定的功率，用来补偿主功率放大器的增益压缩，而且随着输入功率的提高，辅助放大器的输出功率也逐渐增加。当两个功率放大器的输出功率合成后，得到一个近似线性化的输出功率。采用doherty技术可以提高功率放大器的平均效率，并且在一定程度上可以提高功率放大器的线性度。如今，采用lc集总元件的合成器已经在45nm cmos soi工艺中运用，体积得到了改善，功率放大器的线性度也得到了适当的提高。
3.但是，现有技术的改善措施，存在以下技术问题：1、现在很多的功率合成器采用微带线进行设计，不利于集成，面积大等问题。传统的合成器较优化的合成器具有高的损耗。2、因为现有的电路具有较低的线性度，附加峰值效率也比较低，所以不利于射频收发机系统前端电路，会造成大的损耗高。


技术实现要素：

4.发明目的：
5.本发明针对现有电路技术的上述足：面积大、不利于集成、线性度低、峰值效率低、损耗高等特点，需设计开发出高性能、线性度的pa电路，具有高增益、成本低和便于集成的电路。
6.技术方案：
7.一种doherty功率放大电路，工作在28ghz的doherty pa电路，该功率放大电路包括：输入匹配功率分电路和由双堆叠的晶体管的共源共栅cascode电路组成的主、辅pa与输出匹配的合成器电路。
8.输入匹配功率分电路，通过第一电感l1、第一电容c1和第四电感l4、第四电容c4无源元件构成的滤波，通过输入负载匹配，进行功率分配。
9.双堆叠晶体管的cascode电路使用集总元件将主、辅pa电路组合，主、辅pa都采用双堆叠晶体管的cascode电路结构；通过调节vg1/vg1'和vg2/vg2'偏置电压的不同来控制
主、辅pa的工作，实现doherty技术，从而提高整体的线性度，提高相对于最大输出功率回退效率。
10.合成器电路，使用集总元件网络，优化了传统集总元件网络的合成器，提出了新的功率合成器。
11.所述dohertypa电路包括：第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一nmos管m1'、第二nmos管m2'、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、电容cr、电容cg、电容cr'、电容cg'，第一电感l1、第二电感l2、电三电感l3、第四电感l4、第五电感l5、第六电感l6，第一电阻r1、第二电阻r2、第一电阻r1'、第二电阻r2'；
12.第一电容c1的正极板与第一电感l1的一端相连，并连接主pa的in，第四电感l1的另一端接地，第一电容c1的负极板和第四电容c4的负极板与输入rfin相连，rfin匹配50ω电阻；第四电容c4的正极板与第四电感l4的一端相连，并连接辅pa的in，第四电感l4的另一端接地。
13.所述主pa的out与第二电感l2的一端和第三电感l3的一端相连，第三电感l3的另一端接第一电压vdd1，第二电感l2的另一端和第二电容c2的正极板与第三电容c3的正极板相连，第三电容c3的负极板接地，第二电容c2的负极板与第五电容c5的负极板和输出rfout相连，rfout匹配50ω电阻；第五电容c5的正极板与第六电容c6的正极板和第五电感l5的一端相连，第六电容c6的负极板接地，第五电感l5的另一端与第六电感l6的一端相连，并且连接辅pa的out，第六电感l6的另一端接第二电压vdd2。
14.主pa的连接为：所述电路主pa的第一nmos管m1的栅极通过电阻r1一端连接电容cr正极板，最后连接由lc集总元件所组成的输入匹配电路，完成功率放大器输入端的匹配。第二nmos管m2的栅极并不是直接接地，而是通过连接第二电阻r2的一端，然后连接电容cg正极板后接地，减小了栅极电压的摆动。其中vg1和vg2分别连接第一电阻r1、第二电阻r2的另一端，作为偏置电压输入端。
15.辅pa的连接为：所述电路辅pa的第一nmos管m1'的栅极通过电阻r1'一端连接电容cr'正极板，最后连接由lc集总元件所组成的输入匹配电路，完成功率放大器输入端的匹配。第二nmos管m2'的栅极并不是直接接地，而是通过连接第二电阻r2'的一端，然后连接电容cg'正极板后接地，减小了栅极电压的摆动。其中vg1'和vg2'分别连接第一电阻r1'、第二电阻r2'的另一端，作为偏置电压输入端。
16.所述主、辅pa的第一nmos管m1/m1'源极连地，第一nmos管m1/m1'的漏极与第二nmos管m2/m2'的源连接，第二nmos管m2/m2'的漏极分别输出连接合成器的两个输入端，通过输出匹配合成电路，进行功率合成。
17.所述双堆叠的晶体管驱动电路，第一nmos管m1/m1'的栅与第一电阻r1的一端、cr/cr'电容的正极板相连，cr/cr'电容的负极板连接输入in，第一nmos管m1/m1'的源极接地，第一nmos管m1的漏极与第二nmos管m2/m2'的源极相连，第二nmos管m2/m2'的栅与第二电阻r2的一端、cg/cg'电容的正极板相连，cg/cg'电容的负极板接地，第二nmos管m2/m2'的漏极连接输出out。
18.主、辅pa内部电路的in连接doherty pa的输入分配电路的两端，m2/m2'的漏极out分别连接输出合成电路的输入两端。
19.优点及效果：
20.整个电路采用双堆叠的mos管驱动，第一nmos管m1/m1'的栅极接电容，降低了电压的摆幅。通过偏置电压vg1/vg1'和vg2/vg2'来控制主、辅pa工作状态，从而提高了整体的线性度，采用lc集总元件对输入功率分配电路的设计，输出合成器电路的匹配设计，代替了传统微带线的设计，大大提高了电路芯片的集成度，也有益于芯片面积的减小。
21.利用集总元件网络对输入分配电路和输出合成电路的设计，减小了损耗，同时也方便电路的集成，面积也有所减小。采用双堆叠驱动的doherty pa提高了整体功率放大器的线性度。电路设计结构简单，便于推广使用。
22.本设计采用cmos 65nm工艺设计工作在28ghz频段的功率放大器，可用于相似的毫米波射频收发机的前端组件中。
附图说明
23.图1为现有的doherty技术简图；
24.图2为本发明的doherty pa电路图；
25.图3为本发明整体功率放大器的1db压缩点的线性图；
26.图4为本发明的饱和输出功率的线性图；
27.图5为本发明的峰值功率附加效率的线性图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
29.实施例：
30.一种doherty功率放大电路，工作在28ghz doherty pa电路，该功率放大电路包括：输入匹配功率分电路和由主、辅pa与输出匹配的合成器电路结构组成的双堆叠的cascode电路。
31.输入匹配功率分电路，通过第一电感l1、第一电容c1和第四电感l4、第四电容c4无源元件构成的滤波，通过输入负载匹配，进行功率分配。
32.双堆叠晶体管的cascode电路使用集总元件将主、辅pa电路组合，主、辅pa都采用双堆叠晶体管的cascode电路结构；通过调节vg1'和vg2/vg2'偏置电压的不同来控制主、辅pa的工作，实现doherty技术，从而提高整体的线性度，提高相对于最大输出功率回退效率。
33.合成器电路，使用集总元件，优化了传统集总元件网络的合成器，提出了新的功率合成器。
34.doherty pa电路包括：第一nmos管m1、第二nmos管m2、第一nmos管m1'、第二nmos管m2'、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、电容cr、电容cg、电容cr'、电容cg'，第一电感l1、第二电感l2、电三电感l3、第四电感l4、第五电感l5、第六电感l6，第一电阻r1、第二电阻r2、第一电阻r1'、第二电阻r2'；
35.第一电容c1的正极板与第一电感l1的一端相连，并连接主pa的in，第四电感l1的另一端接地，第一电容c1的负极板和第四电容c4的负极板与输入rfin相连，rfin匹配50ω电阻；第四电容c4的正极板与第四电感l4的一端相连，并连接辅pa的in，第四电感l4的另一端接地。
36.主pa的out与第二电感l2的一端和第三电感l3的一端相连，第三电感l3的另一端
接第一电压vdd1，第二电感l2的另一端和第二电容c2的正极板与第三电容c3的正极板相连，第三电容c3的负极板接地，第二电容c2的负极板与第五电容c5的负极板和输出rfout相连，rfout匹配50ω电阻；第五电容c5的正极板与第六电容c6的正极板和第五电感l5的一端相连，第六电容c6的负极板接地，第五电感l5的另一端与第六电感l6的一端相连，并且连接辅pa的out，第六电感l6的另一端接第二电压vdd2。
37.主、辅pa的第一nmos管m1/m1'源极连地，第一nmos管m1/m1'的漏极与第二nmos管第二nmos管第二nmos管m2/m2'的源连接，第二nmos管m2/m2'的漏极分别输出连接合成器的两个输入端，然后通过输出匹配合成电路，进行功率的合成，实现了doherty功率放大器的拓扑作用，通过主、辅pa的不同工作状态，补偿其b类功率放大器减小的功率，从而提高了整体功率放大器的线性度，也提高了相对于最大输出功率的回退效率。
38.图3整体功率放大器的1db压缩点为20.7dbm左右，具有高的线性度，从图中可以看出，输入信号较弱时，功率放大器的输出功率与输入信号功率之间是一种线性关系，此时增益恒定；当输入信号功率增加到一定值时，增益开始降低，输出功率开始偏离线性直线。图4饱和输出功率为25.4dbm。图5峰值功率附加效率达到35.2％，该pa实现了较低的功耗，高的效率，实现了高线性度和高效率的整体doherty功率放大器的设计。