专利名称：线性度和功率附加效率提高的射频cascode结构功率放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高线性度、高功率附加效率的射频Cascode (共射共基)结构 功率放大器，属于射频集成电路技术领域。
背景技术：
典型的无线发送设备使用射频(RF)功率放大器来放大通过天线向外发射的信 号。它将已调制的频带信号放大到所需要的功率，为了保证在覆盖区域内的接收机可以收 到满意的信号电平，但不能过于干扰相邻信道的通信，需要尽量地提高功率放大器的线性 度；同时为了提高发射系统对能源的利用率，减小通信设备的体积，还需要使用高效率的功 率放大器。然而，高效率的功率放大器的信号通过射频放大器后往往会产生非线性失真，造 成频谱再生，干扰相邻信道，导致通信系统的性能恶化。因此，要解决这个问题，尽可能地平 衡射频功率放大器线性度和效率这两个主要指标，必须采用线性化技术来改善高效率功率 放大器的非线性特性。目前，RF放大器的线性化技术主要有反馈线性化、前馈线性化和预失真这三大主 流。但是，这些方案都存在一定的局限性，例如负反馈系统固有的稳定性问题，尽管采用调 制反馈可以将信号的工作频率有效地从射频降至基频，但传输系统中存在的信号延时却限 制了允许传输信号的最大带宽，这一点从根本上限制了反馈技术对宽带信号的传输，无法 适应未来高速率、宽带宽的无线传输要求。前馈线性化技术能够处理任意带宽的信号，适合 宽带应用，但其最大的难点在于保持不同器件之间的幅度和相位特性的完全匹配，而且会 降低功放的效率。预失真法电路简单、工作频率高、无条件稳定，适用于任何调制信号，是比 较理想的线性化技术，但是往往会增加电路的复杂度。
发明内容本实用新型目的是针对Cascode结构电路提出了一种新型的结构来改善线性度 和效率，与上述几种方法相比，电路结构更简单，并且可以有效提高功率放大器的增益带宽 积。本实用新型的技术方案是一种线性度和功率附加效率提高的射频Cascode结构 功率放大器，包括由共射的输入晶体管和共基的输出晶体管构成的Cascode结构、从功率 放大器的信号输入端口到所述输入晶体管的基极之间连接的输入匹配网络、以及从所述输 出晶体管的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络，所述输出晶体 管的基极连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输入的RLC串并联谐振网络。在上述电路结构中，输入晶体管对输入的信号进行放大，共基功放管叠加于共射 功放管之上，在减小米勒电容效应的同时获得高输出阻抗，进一步放大信号。所述RLC串并 联谐振网络能够有效提高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。输入、输出匹配网络完成阻抗匹配，以实现信号源到负载的最大功率传输。[0007]进一步的，在上述射频Cascode结构功率放大器中，所述RLC串并联谐振网络包括 从输出晶体管的基极到地之间并联的第四电容和基频串联谐振网络。进一步的，在上述射频Cascode结构功率放大器中，所述基频串联谐振网络包括 从所述输出晶体管到地之间串联的第三电容、电感和电阻。当该Cascode结构功率放大器 用作宽带设计时，此RLC串并联谐振网络中由第三电容、电感和电阻组成的串联谐振电路， 可以作为一个高频损耗补偿电路，第三电容、电感和电阻分别作为约束元件以产生放大器 3-dB带宽高端工作频率附近的增益峰值，从而使放大器带宽得到扩展。本实用新型的优点是1.本实用新型电路可以有效增强Cascode结构功率放大器基波增益和谐波抑制， 并且改善功率附加效率。2.本实用新型的RLC串并联谐振网络技术可用于抑制η次谐波信号，可以和其他 的技术相结合使用，应用广泛，很好地加强了功率放大器设计的灵活性。3.本实用新型的线性化技术不仅可以提高线性度，还可以有效提高Cascode结构 功率放大器增益带宽积，相比于其他放大器(如共发射极放大器CE、共集电极跟随共射放 大器CC_CE、共集电极跟随共射共基放大器CC_CAS等)能获得更大的带宽。4.本实用新型电路中器件少，结构简单，大大节省了芯片面积和生产成本。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述
图1为一般Cascode结构功率放大器示意图；图2为本实用新型具体实施例的示意图；图3为本实用新型具体实施例工作原理分析示意图；图4为本实用新型具体实施例与一般Cascode结构功率放大器功率附加效率与输 入功率之间关系比较示意图；图5a为本实用新型具体实施例功率增益频率特性随RLC串并联谐振网络中电感 变化的示意图；图5b为本实用新型具体实施例功率增益频率特性随RLC串并联谐振网络中电阻 变化的示意图；图5c为本实用新型具体实施例功率增益频率特性随RLC串并联谐振网络中电容 变化的示意图；图6为本实用新型实施例与一般Cascode结构放大器功率增益随频率f变化关系 的比较示意图。其中1输入匹配网络；2CaSCOde结构；3输出匹配网络；4基频串联谐振网络； 5RLC串并联谐振网络；6输出晶体管的小信号模型；Ql输入晶体管；Q2输出晶体管；Cl第一 电容；C2第二电容；C3第三电容；C4第四电容；Ll电感；Rl电阻。
具体实施方式
实施例如图1所示为现有技术中一般的Cascode结构功率放大器的电路结构图， 包括由共射的输入晶体管Ql和共基的输出晶体管Q2构成的Cascode结构2、从功率放大器的信号输入端口到所述输入晶体管Ql的基极之间连接的输入匹配网络1、以及从所述输出 晶体管Q2的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络3。其中输入匹 配网络1由第一电容Cl和输入匹配电路构成，输出匹配网络3由第二电容C2和输出匹配 电路构成。输入信号通过第一电容Cl和输入匹配电路到达输入晶体管Ql的基极，输入晶 体管Ql的发射极接地，集电极连接到输出晶体管Q2的发射极，输入晶体管Ql和输出晶体 管Q2组成Cascode结构。信号从输入端进入，经耦合第一电容Cl滤除直流分量后由输入 晶体管Ql放大。随着输入信号的增大，输入晶体管Ql的非线性效果越来越明显，输入晶体 管Ql集电极的输出信号包含丰富的谐波分量，使信号发生较大的失真。输入晶体管Ql集 电极输出信号的谐波分量中二次谐波所占的比重最大。如图2所示，为本实用新型的一种线性度和功率附加效率提高的射频Cascode结 构功率放大器，在现有的Cascode结构的输出晶体管Q2的基极连接有RLC串并联谐振网络 5。所述RLC串并联谐振网络5包括从输出晶体管Q2的基极到地之间并联的第四电容C4 和基频串联谐振网络4，该网络谐振在二次谐波频率点。所述基频串联谐振网络包括从所述 输出晶体管Q2到地之间串联的第三电容C3、电感Ll和电阻R1，该网络谐振在放大器的工 作频率。因此，所述RLC串并联谐振网络5能够有效提高Cascode电路对基频信号的增益 并抑制其对二次谐波信号的增益。本实施例输出晶体管的小信号模型6如图3所示，输出晶体管Q2集电极输出电流 由跨导、rbb,上所分得电压Ube决定，在8_ 保持不变的情况下，Ube的大小决定了压 控电流源所产生电流的大小。由图可以看出IV、！ν串联与RLC串并联谐振网络5的等效 阻抗一起对经输入晶体管Ql放大的交流信号进行分压，rbe,与rbb,上所分得电压为ube。对于基频信号，RLC串并联谐振网络5中的基频串联谐振网络谐振，其阻抗为最小 值——电阻Rl的阻值。此时，二次谐波并联谐振网络等效为电阻Rl与第三电容C3的并联， 由于电阻Rl的阻值远远小于第三电容C3电抗的大小，该网络的阻抗主要由电阻Rl的阻值 大小决定。由于二次谐波并联谐振网络等效阻抗变小，Ube得到提高，所以由输出晶体管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，RLC串并联谐振网络谐振，该网络等效阻抗为最大值。此时， Ute减小。所以由输出晶体管Q2集电极输出的谐波电流减小，谐波信号得到抑制。另外，在 保证基频串联谐振网络谐振在基波信号的情况下，调整电感Li、第三电容C3与第四电容C4 的值，可使二次谐波并联谐振网络并联谐振在所需的η次谐波频率，从而抑制η次谐波信号 的增益。抑制η次谐波信号的网络所要满足的公式为
2nfoLi =-
2nfoC3
2nfnLl ■
IninCi 2nfnC2该公式中，fo为基波频率，fn为η次谐波频率。图4为比较实施例和一般Cascode结构放大器功率附加效率(PAE)的仿真图。从 图中可以明显看出，本实用新型实施例功率放大器的功率附加效率得到相当程度的改善。另外，由于在减小密勒电容效应的同时获得了高输出阻抗，Cascode结构放大器本 身就可看作一个宽带放大器，所以本实用新型实施例还可以用于宽带功率放大器的设计。 RLC串并联谐振网络中由电感Li、第三电容C3、电阻Rl组成的串联谐振电路，可以作为一个高频损耗补偿电路，电感Li、第三电容C3、电阻Rl分别作为约束元件以产生放大器3-dB带 宽高端工作频率附近的增益峰值，从而使放大器带宽得到扩展。图5(a)至图5(c)所示为通过计算机仿真，得到的放大器增益频率特性随损耗补 偿电路R，L，C的变化情况及其最佳选择范围。其中图(a)、(b)、(c)的坐标χ轴为归一化 频率，取值为
权利要求一种线性度和功率附加效率提高的射频Cascode结构功率放大器，包括由共射的输入晶体管(Q1)和共基的输出晶体管(Q2)构成的Cascode结构(2)、从功率放大器的信号输入端口到所述输入晶体管(Q1)的基极之间连接的输入匹配网络(1)、以及从所述输出晶体管(Q2)的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络(3)，其特征在于所述输出晶体管(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入的RLC串并联谐振网络(5)。
2.根据权利要求1所述的线性度和功率附加效率提高的射频Cascode功率放大器，其 特征在于所述RLC串并联谐振网络(5)包括从输出晶体管(Q2)的基极到地之间并联的第 四电容(C4)和基频串联谐振网络(4)。
3.根据权利要求2所述的线性度和功率附加效率提高的射频Cascode功率放大器，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)到地之间串联的第三电容 (C3)、电感(Li)和电阻(Rl)。
专利摘要本实用新型公开了一种线性度和功率附加效率提高的射频Cascode结构功率放大器，包括由共射的输入晶体管和共基的输出晶体管构成的Cascode结构、从功率放大器的信号输入端口到所述输入晶体管的基极之间连接的输入匹配网络、以及从所述输出晶体管的集电极到功率放大器的信号输出端口之间连接的输出匹配网络，所述输出晶体管的基极连接有提高基频信号增益并抑制二次谐波信号输入的RLC串并联谐振网络。本实用新型利用RLC串并联网络对基波增益的增强和对谐波信号的抑制，在不增大功率放大器静态功耗的情况下，显著提高了Cascode结构功率放大器的线性度和功率附加效率，并且有效提高了Cascode结构宽带功率放大器的增益带宽积。
文档编号H03F3/189GK201733280SQ201020176750
公开日2011年2月2日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者孙晓红, 张晓东, 程华, 胡善文, 高怀 申请人:苏州英诺迅科技有限公司