一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器及其应用，包括：输入匹配网络、偏置网络、E类功放所需的负载网络、输出匹配网络和三个晶体管；电源端与地之间依次串联有扼流电感和三个晶体管，三个晶体管均按照漏极源极相连接的方式堆叠；最底层的晶体管的栅极通过输入匹配网络连接功率放大器的输入端，最顶层的晶体管的漏极通过E类功放所需的负载网络和输出匹配网络连接功率放大器的输出端；最顶层的晶体管的栅极连接动态偏置网络。本发明专利技术的堆叠式E类功率放大器通过堆叠三个晶体管并采用动态偏置网络，可提高功率放大器的电源电压，与采用相同沟道长度的晶体管的现有E类功率放大器相比，具有更高的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器及其应用
本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器及其应用。
技术介绍
便携式无线通信设备通常需要传递较大的功率，此时的功率效率至关重要，因为即便效率小幅增加，也能有效延长电池续航时间。由于零电压开关和零电压导数开关的工作模式，E类功率放大器具有很高的效率，非常适合应用于便携式无线通信设备。但是E类功率放大器的一个显著特征是具有很高的峰值电压(约为3.56VDD)，这会增大晶体管所受到的电压应力。为了保证晶体管的可靠性，E类功率放大器的电源电压通常低于晶体管漏极正常的偏置电压，然而随着电源电压的降低，E类功率放大器的效率也会显著降低，这与设计高效率E类功率放大器的初衷矛盾。为了解决这一问题，堆叠晶体管结构是一种重要的技术途径，它可以在不增加单个晶体管电压应力的前提下，提高电源电压，进而提高E类功率放大器的效率。目前，已有部分采用共源共栅(cascode)结构提高E类功率放大器电源电压进而提高效率的研究工作。例如文献“Analysisofreliabilityandpowerefficiencyincascodeclass-EPAs,”(A.Mazzanti,L.Larcher,R.Brama,etal,IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.41,no.5,pp.1222-1229,May2006)分析了共源共栅E类功率放大器的功率损耗机制，并给出了优化方向，还重点研究了共源共栅结构所特有的一种功率损耗机制，即对中间节点(指共源管的漏极和共栅管的源极所连成的节点)的寄生电容充放电所造成的损耗，并且提出了采用并联电感将寄生电容谐振掉的解决方案，降低了功率损耗，提高了功率放大器效率。文献“AChargingAccelerationTechniqueforHighlyEfficientCascodeClass-ECMOSPowerAmplifiers，”(O.Lee,J.Han,K.H.An,etal,IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.45,no.10,pp.2184-2197,Oct.2010)采用充电加速技术减少了共栅管从线性区到截止区的转换时间，使共栅管在共源管关断后可以迅速关断，进而降低了转换期间共栅管的功率损耗，提高了共源共栅结构E类功率放大器的效率。现有的共源共栅E类功率放大器普遍的存在的问题是：为了提高所能施加的电源电压，均使用了厚栅氧的晶体管，这限制了功率放大器的射频性能，因而以上两款共源共栅E类功率放大器只能工作在较低的工作频率，工作频率均低于2GHz。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器及其应用，以解决上述存在的技术问题。本专利技术的堆叠式E类功率放大器通过堆叠三个晶体管并采用动态偏置网络，可提高功率放大器的电源电压，与采用相同沟道长度的晶体管的现有E类功率放大器相比，具有更高的效率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，包括：输入匹配网络、动态偏置网络、E类功放所需的负载网络、输出匹配网络和三个晶体管；电源端与地之间依次串联有扼流电感和三个晶体管M1、M2和M3，三个晶体管M1、M2和M3依次按照漏极源极相连接的方式堆叠；最底层的晶体管M1的栅极通过输入匹配网络连接功率放大器的输入端，最顶层的晶体管M3的漏极通过E类功放所需的负载网络和输出匹配网络连接功率放大器的输出端；最顶层的晶体管M3的栅极连接偏置网络。进一步的，偏置网络为动态偏置网络；三个晶体管为底层晶体管M1、中间层晶体管M2和顶层晶体管M3；M1的源极接地，M1的栅极通过电阻连接到恒定电压源Vg1，M1的栅极同时通过隔直电容连接到输入匹配网络；M2的源极接M1的漏极，M2的栅极连接到恒定电压源Vg2；M3的源极接M2的漏极，M3的漏极通过扼流电感连接到电源电压VDD，M3的漏极通过串联的电感和电容连接到输出匹配网络，M3的栅极连接动态偏置网络，动态偏置网络用于为M3提供栅极偏置电压。进一步的，输入匹配网络包括电容Cin和电感Lin；电感Lin的一端通过隔直电容与M1的栅极连接，电感Lin的另一端并联电容Cin接地。进一步的，动态偏置网络包括第一电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；M3的栅极通过并联的第二电阻和第一电容连接到地，M3的栅极通过第一电阻连接到M3的漏极，M3的栅极通过第三电阻连接到恒定电压源Vg3。进一步的，输出匹配网络包括电感Lm、电容Cm，电感Lm的一端通过串联的电感Ls和电容Cs连接M3的漏极，电感Lm的另一端通过并联电容Cm接地，同时电感Lm的另一端接负载。进一步的，还包括并联谐振电感Lp和隔直电容CBL，并联谐振电感Lp的一端接M3的漏极，另一端通过隔直电容CBL接地。进一步的，三个晶体管均为0.18μmNMOS管。任一种上述的采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器的应用，用于射频发射机。一种射频发射机，包括任一种上述的采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，通过漏极源极相连接的方式堆叠三个晶体管，并通过动态偏置网络为最顶层的晶体管提供栅极偏置电压，可提高功率放大器的电源电压，进而可提高功率放大器的效率；本专利技术的E类功率放大器与采用相同沟道长度的晶体管的现有E类功率放大器相比，具有更高的效率。进一步的，本专利技术的新型动态偏置网络，可在不增加单个晶体管电压应力的前提下，提高可施加的电源电压，能够提高E类功率放大器的效率。进一步的，通过采用并联谐振电感，可打破工作频率5GHz时高电源电压E类功率放大器所需的小并联电容对晶体管尺寸的限制，可减小堆叠晶体管的导通电阻，进而能够降低E类功率放大器的功率损耗，进一步提高E类功率放大器的效率。进一步的，堆叠三个标准的0.18μmNMOS管(不使用厚栅氧的晶体管)，可使E类功率放大器的工作频率达到5GHz，且具有较高的效率。本专利技术的射频发射机的工作频率可达5GHz，且具有较高的效率。附图说明图1是本专利技术的一种采用固定栅偏置的三层堆叠E类功率放大器的示意性电路图；图2是一种采用传统动态偏置的三层堆叠E类功率放大器的示意性电路图；图3是本专利技术的一种采用新型动态偏置网络的三层堆叠E类功率放大器的示意性电路图；图4是对图3中的三层堆叠E类功率放大器仿真得到的M1、M2和M3的漏电压与栅电压瞬时波形；图5是本专利技术的一种采用了并联谐振电感的三层堆叠E类功率放大器的示意性电路图；图6是本专利技术的一种采用了并联谐振电感的三层堆叠E类功率放大器的示意性电路图；图7是工作频率为5GHz时本专利技术的一种三层堆叠E类功率放大器的输出功率Pout与功率附加效率PAE随输入功率变化的后仿真结果图；图8为本专利技术的一种三层堆叠E类功率放大器的峰值输出功率Pout与功率附加效率PAE随工作频率变化的后仿真结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。参考图1至图8，本专利技术的一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，包括：输入匹配网络、偏置网络、E类功放所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络、动态偏置网络、E类功放所需的负载网络、输出匹配网络和三个晶体管；电源端与地之间依次串联有扼流电感和三个晶体管M1、M2和M3，三个晶体管M1、M2和M3依次按照漏极源极相连接的方式堆叠；最底层的晶体管M1的栅极通过输入匹配网络连接功率放大器的输入端，最顶层的晶体管M3的漏极通过E类功放所需的负载网络和输出匹配网络连接功率放大器的输出端；最顶层的晶体管M3的栅极连接偏置网络。

【技术特征摘要】
1.一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络、动态偏置网络、E类功放所需的负载网络、输出匹配网络和三个晶体管；电源端与地之间依次串联有扼流电感和三个晶体管M1、M2和M3，三个晶体管M1、M2和M3依次按照漏极源极相连接的方式堆叠；最底层的晶体管M1的栅极通过输入匹配网络连接功率放大器的输入端，最顶层的晶体管M3的漏极通过E类功放所需的负载网络和输出匹配网络连接功率放大器的输出端；最顶层的晶体管M3的栅极连接偏置网络。2.根据权利要求1所述的一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，其特征在于，偏置网络为动态偏置网络；三个晶体管为底层晶体管M1、中间层晶体管M2和顶层晶体管M3；M1的源极接地，M1的栅极通过电阻连接到恒定电压源Vg1，M1的栅极同时通过隔直电容连接到输入匹配网络；M2的源极接M1的漏极，M2的栅极连接到恒定电压源Vg2；M3的源极接M2的漏极，M3的漏极通过扼流电感连接到电源电压VDD，M3的漏极通过串联的电感和电容连接到输出匹配网络，M3的栅极连接动态偏置网络，动态偏置网络用于为M3提供栅极偏置电压。3.根据权利要求1或2所述的一种采用动态偏置网络的堆叠式E类功率放大器，其特征在于，输入匹配网络包括电容Cin和电感Lin；电感Lin的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿莉，李鹏，夏勤，陈泽强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61