CN112671356A - 一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路，属于集成电路技术领域。本发明主要包括至少一个有耗放大模块以及高阶LC匹配模块；其中，有耗放大模块用于对射频信号在衰减一部分低频段的增益的基础上进行放大，高阶LC匹配模块用于以高自由度的方式提高功率放大器的带宽。本发明电路结构简单，易于集成，转换效率高，线性度好；增益高，带宽大。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，支持多种无线通信标谁的移动终端成为人们生活中不可缺少的工具。射频收发机应该能够满足多模多标准应用的需求，功率放大器作为射频收发系统中的关键模块，对收发机的整体性能有着重要影响，功率放大器在射频收发机中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着射频收发机的性能。
多模多标准收发机中功率放大器的常用设计方案包含多频带并行方案和宽带方案。其中，宽带功率放大器可利用单块芯片支持多个工作频段和通信标准，在成本和可扩展性上具有较大的优势。现有技术采用的多频带组合方案，需要采用的芯片占用的面积较大，模块各部分的复用效率较低；可变电容或可变电感方案，电容或者电感精度难以控制，并且当模式过多时，需要的电路损耗大大增加，效率降低，且设计困难。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明主要提供一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路。
为了实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：提供一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其包括：至少一个有耗放大模块以及高阶LC匹配模块；其中，有耗放大模块用于对射频信号在衰减一部分低频段的增益的基础上进行放大，高阶LC匹配模块用于以高自由度的方式提高功率放大器的带宽。
本发明的技术方案可以达到的有益效果是：本发明设计了一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路。该方法的电路结构简单，占用面积小，因此易于集成；且能够提高射频线性功率放大器的工作效率、线性度和增益。
附图说明
图1为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的一个具体实施方式的示意图；
图2为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的一个具体实施例的示意图；
图3为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的NMOS的有耗放大模块的一个具体实施例的示意图；
图4为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的PMOS的有耗放大模块的一个具体实施例的示意图；
图5为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的负载变压器模块的一个具体实施例的示意图；
图6为本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的一个具体实施例的示意图；
附图2、3和4中的各部件标记如下：R1、R3和R5-反馈电阻，C1、C3和C5-反馈电容，R2、R4和R6-衰减电阻，C2、C4和C6-衰减电容，M1、M2和M3-射频射频信号输入模块，P1、P2和P3-静态偏置电压源，N1-MOS管，N2-NMOS管，N3-PMOS管；
附图5中的各部件标记如下：C7-第一匹配电容电容，C7-第一匹配电容电容。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1示出了本发明一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路的一个具体实施方式。
该具体实施方式包括，至少一个有耗放大模块以及高阶LC匹配模块；其中，有耗放大模块用于对射频信号在衰减一部分低频段的增益的基础上进行放大，高阶LC匹配模块用于以高自由度的方式提高功率放大器的带宽。
该具体实施方式，电路结构简单，占用面积小，易于集成；且能够提高射频线性功率放大器的工作效率、线性度和增益；高阶LC匹配模块有更多的自由度，因此可以使射频线性功率放大器的宽带匹配电路有更大的带宽。
在本发明的一个具体实施例中，有耗放大模块包括放大电路，反馈电路以及衰减电路；放大电路包括一个MOS管，反馈电路包括至少一个反馈电阻和至少一个反馈电容，衰减电路包括至少一个衰减电阻、至少一个衰减电容以及静态偏置电压源。
该具体实施例，利用衰减电容的容抗在高频处较小，而在低频处较大的原理，消耗掉一部分低频处的增益，减小了高频处的损耗，对射频线性功率放大器的宽带匹配电路的稳定性对有着优化作用。
在本发明的一个具体实例中，如图2，射频线性功率放大器的有耗放大模块主要包括：RC有耗反馈模块和高阶LC匹配模块。其中，RC有耗反馈模块的结构包括射频信号输入模块M1、MOS管N1、反馈电阻R1、反馈电容C1、衰减电阻R2、衰减电容C2、静态偏置电压源P1。
该具体实施例，是实现射频线性功率放大器的有耗放大的基础。
在本发明的一个具体实例中，电压源处于静态偏置状态。
该具体实施例，保证了放大器在将射频信号进行带宽放大时能够稳定进行。
在本发明的一个具体实施例中，衰减电路中，静态偏置电压源负极接地，静态偏置电压源正极通过至少一个衰减电阻连接至少一个衰减电容；MOS管的栅极与射频信号输入端以及衰减电路的至少一个衰减电容连接；MOS管的源级接地；MOS管的漏极依次通过至少一个反馈电阻及至少一个反馈电容与MOS管的栅极连接，并且MOS管的漏极与高阶LC匹配模块连接。
该具体实施例，通过合理使用电子元器件，为实现射频线性功率放大器的有耗放大奠定基础。
在本发明的一个具体实例中，如图2，RC有耗反馈模块的连接关系是射频线性功率放大器的宽带匹配电路的射频信号输入端连接MOS管的栅极，衰减电路连接MOS管的栅极；MOS管的源极接地；MOS管的漏极通过反馈电路连接到MOS管的栅极，MOS管的漏极输出射频信号。其中，反馈电路为漏极连接R1电阻，R1电阻连接C1电容，C1电容连接MOS管的栅极；衰减电路为MOS管的栅极连接C2电容，C2电容连接R2电阻，R2电阻连接静态偏置电压源P1的正极，静态偏置电压源P1的负极接地。
在本发明的一个具体实例中，如图3，NMOS的RC有耗反馈模块的连接关系是射频线性功率放大器的宽带匹配电路的射频信号输入端连接NMOS管的栅极，衰减电路连接NMOS管的栅极；NMOS管的源极接地；NMOS管的漏极通过反馈电路连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极输出射频信号。其中，反馈电路为漏极连接R3电阻，R3电阻连接C3电容，C3电容连接NMOS管的栅极；衰减电路为NMOS管的栅极连接C4电容，C4电容连接R4电阻，R4电阻连接静态偏置电压源P2的正极，静态偏置电压源P2的负极接地。
在本发明的一个具体实例中，如图4，PMOS的RC有耗反馈模块的连接关系是射频线性功率放大器的宽带匹配电路的射频信号输入端连接PMOS管的栅极，衰减电路连接PMOS管的栅极；PMOS管的源极接地；PMOS管的漏极通过反馈电路连接到PMOS管的栅极，PMOS管的漏极输出射频信号。其中，反馈电路为漏极连接R5电阻，R5电阻连接C5电容，C5电容连接PMOS管的栅极；衰减电路为PMOS管的栅极连接C6电容，C6电容连接R6电阻，R6电阻连接静态偏置电压源P3的正极，静态偏置电压源P3的负极接地。
例如，在射频线性功率放大器的宽带匹配电路中，通过RC有耗反馈模块将输入射频线性功率放大器的宽带匹配电路的射频信号的低频部分消耗掉。当输入的射频信号的频段为0.6G到2.6G频段时，有耗反馈模块将低频的0.6G至1.3G频段信号的增益消耗掉一部分。
在该具体实例中，通过消耗掉低频段处的一部分射频信号的增益，使射频线性功率放大器的增益变得平坦。
在本发明的一个具体实例中，RC有耗反馈模块将其消耗掉一部分低频段的增益之后得到的射频信号通过MOS管的漏极进行输出，MOS管的漏极连接高阶LC匹配电路。高阶LC匹配电路将接收到的射频信号进行带宽放大，得到放大器的输出射频信号。
该该具体实施例，通过高阶LC匹配电路对射频信号进行带宽放大，使射频线性功率放大器的宽带匹配电路的放大带宽更大。
在本发明的一个具体实例中，衰减电路用于衰减RC有耗反馈模块的射频信号输入模块输入的射频信号的低频部分信号。且衰减电路消耗输入射频信号的范围是0G至1.3G频段。
优选的，衰减电路消耗掉输入的射频信号的0G至0.7G频段的射频信号。
该具体实例，通过消耗输入的射频信号的一部分低频信号，降低了低频处的增益，减小了高频处的损耗，使射频线性功率放大器的增益更加平坦。
在本发明的一个具体实施例中，高阶LC匹配模块包括，第一匹配电容，第二匹配电容以及变压器。
该具体实施例，利用高阶LC匹配模块进行射频信号放大，高阶LC匹配模块有更多的自由度，更多的极点位置，使射频线性功率放大器能够在高自由度条件下得到更大带宽的射频信号增益。
在本发明的一个具体实例中，变压器有两侧线圈分别是初级线圈侧和次级次级线圈侧。它的工作原理是基于两侧线圈间的电磁场耦合效应，把交流信号从一侧线圈转换到另一侧线圈而没有大的能量损耗，同时变压器能够隔离直流电流，这使变压器可以工作在不同的偏置电压下。利用变压器能够将初级线圈侧的信号利用电磁场耦合效应传输到次级线圈，对变压器初级线圈侧的射频信号进行带宽放大。将RC有耗反馈模块的输出端，即就是MOS管的漏极连接变压器的初级线圈的信号输入端，利用变压器的电磁场耦合效应对MOS管的漏极所放大的射频信号进行带宽放大。
该具体实例，利用变压器进行带宽放大，减少了LC匹配电路所占用的面积，增大了带宽放大的自由度。
在本发明的一个具体实例中，变压器有两侧线圈分别是初级线圈侧和次级次级线圈侧，当变压器的一侧有不少于两个线圈组成时，称为多绕组变压器。多绕组变压器有更多的极点位置，是高阶网络。将多个MOS管的漏极连接到变压器的初级线圈侧的不同极点位置处，变压器分别对不同的射频信号进行带宽放大，实现对多个射频信号进行放大。
该具体实例，利用高阶网络有更多的极点位置，实现放大器放大的带宽范围更大、有更多的自由度。
在本发明的一个具体实例中，如图6，将两个RC有耗反馈模块中的MOS管的漏极连接到高阶LC匹配电路中的变压器上，高阶LC匹配电路的变压器分别对每一个RC有耗反馈模块输入的射频信号进行带宽放大，得到各个RC有耗反馈模块所对应的射频信号的放大射频信号。
该具体实例，可以实现对不同射频信号进行功率放大，增加功率放大器的使用场景。
在本发明的一个具体实施例中，变压器的初级线圈侧的两端通过第一匹配电容相连接，次级线圈侧的两段通过第二匹配电容相连接，初级线圈侧的两端中的任一端与MOS管的漏极连接。
在本发明的一个具体实例中，如图5，电容C7是第一匹配电容，电容C8是第二匹配电容。电容C7连接变压器初级线圈侧的端子Vin+和Vin-，其中Vin+和Vin-是射频信号输入高阶LC匹配电路的端口；电容C8连接变压器次级线圈侧的Vout+和Vout-，其中Vout+和Vout-是高阶LC匹配电路的输出端口。
该具体实施例，利用变压器，实现了在占用较小面积情况下对射频信号在高自由度的条件下进行带宽放大。
在本发明的一个具体实施例中，利用第一匹配电容的容值、第二匹配电容的容值和变压器的自感值得到射频线性功率放大器的宽带匹配电路输出射频信号的频率范围。
在本发明的一个具体实例中，当射频线性功率放大器的输入射频信号的频率范围是0.6GHz至2.7GHz，输出射频信号的频率范围也是0.6GHz至2.7GHz。该射频线性功率放大器的输出射频信号的范围利用第一匹配电容的容值、第二匹配电容的容值和变压器的自感值得到。
在本发明的一个具体实施例中，衰减电路衰减低频频段，且衰减低频频段的范围与反馈电阻的阻值和反馈电容容值成反比。
在本发明的一个具体实例中，当反馈电路的反馈电阻的阻值和反馈电容的容值的取值越小时，衰减电路衰减低频频段的范围越大。但反馈电路中的反馈电阻的阻值与放大器的功率损耗有关。反馈电路中的反馈电阻的阻值取值较小时，虽然能够使放大器具有更加优良的稳定性和放大范围，但也会同时降低MOS管的功率増益和输出功率。因此，在确定反馈电路中反馈电阻的阻值和反馈隔直电容容值时，需要综合考虑合理取值。
在本发明的一个具体实例中，衰减电路中的衰减电容和衰减电阻的值利用Bode-Fano限制原理计算得出。在衰减电路中Q＝ω0RC，
其中ωb为输入的射频信号频带的最高频率，ωa为输入的射频信号频带的最低频率。由此可以求得电路工作的频率，计算出第二隔直电容和第二电阻的范围。
该具体实施例，通过确定衰减电路消耗低频频段的范围与反馈电路的取值范围之间的关系，为更加合理的确定反馈电路中的反馈电阻的阻值和反馈电容容值奠定基础。
在本发明的一个具体实施例中，高阶LC匹配网络输出的射频信号的频率范围与所述反馈电阻的阻值和所述反馈电容容值成反比。
在本发明的一个具体实例中，当LC匹配网络需要调整输出的带宽时，利用调整反馈电路中反馈电阻的阻值和反馈电容的容值来实现调整LC匹配网络需要输出的带宽。降低反馈电阻的阻值和反馈电容的容值，可以提高LC匹配网络输出的射频信号的带宽。
该具体实施例，通过确定LC匹配网络输出射频信号的频率范围与反馈电路的取值范围之间的关系，为更加合理的确定反馈电路中的反馈电阻的阻值和反馈电容容值奠定基础。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的电路，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，包括：
至少一个有耗放大模块以及高阶LC匹配模块；
其中，所述有耗放大模块用于对射频信号在衰减一部分低频段的增益的基础上进行放大，所述高阶LC匹配模块用于以高自由度的方式提高功率放大器的带宽。
2.根据权利要求1所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
所述有耗放大模块包括放大电路，反馈电路以及衰减电路；
所述放大电路包括一个MOS管，所述反馈电路包括至少一个反馈电阻和至少一个反馈电容，所述衰减电路包括至少一个衰减电阻、至少一个衰减电容以及静态偏置电压源。
3.根据权利要求1所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，所述高阶LC匹配模块包括：
第一匹配电容，第二匹配电容以及变压器。
4.根据权利要求2所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
所述衰减电路中，所述静态偏置电压源负极接地，所述静态偏置电压源正极通过所述至少一个衰减电阻连接所述至少一个衰减电容；
所述MOS管的栅极与射频信号输入端以及衰减电路的所述至少一个衰减电容连接；
所述MOS管的源级接地；
所述MOS管的漏极依次通过所述至少一个反馈电阻及所述至少一个反馈电容与所述MOS管的栅极连接，并且所述MOS管的漏极与所述高阶LC匹配模块连接。
5.根据权利要求3所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
所述变压器的初级线圈侧的两端通过第一匹配电容相连接，所述次级线圈侧的两段通过第二匹配电容相连接，所述初级线圈侧的两端中的任一端与所述MOS管的漏极连接。
6.如权利要求1所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
利用所述第一匹配电容的容值、所述第二匹配电容的容值和所述变压器的自感值得到所述射频线性功率放大器的宽带匹配电路输出射频信号的频率范围。
7.如权利要求1所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
所述衰减电路衰减低频频段，且衰减所述低频频段的范围与所述反馈电阻的阻值和反馈电容容值成反比。
8.如权利要求1所述的射频线性功率放大器的宽带匹配电路，其特征在于，
高阶LC匹配网络输出的射频信号的频率范围与所述反馈电阻的阻值和所述反馈电容容值成反比。
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