一种动态体偏置E类功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种动态体偏置E类功率放大器，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极连接输入开关信号，体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端；匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地且开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。本发明专利技术可减少MOS开关在导通状态的导通电阻和关断状态的漏电流，可有效提高E类功放的输出功率和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种动态体偏置E类功率放大器
本专利技术涉及一种动态体偏置E类功率放大器，属于射频功率放大器

技术介绍
自从Sokal等人于1975年提出E类功率放大器以来，人们关于它已做了大量研究。如附图1所示，理想的E类功放电路由一个作为开关的有源器件，一个模拟寄生电容的并联电容，一个谐振网络和一个负载组成。利用开关管工作期间，输出电流信号和电压信号不交叠的特点，它可以实现100％的最大理论效率。基本的E类放大器假定晶体管是一个理想的开关，具有零切换时间，在关断状态下无输出电容Coff，在导通状态下为零电阻Ron。才能达到100％的效率。然而在实际情况中，尤其在射频频率下，以上理想情况很难实现。由于MOS功放管寄生电容存在，导通和关断均需一定的时间，此时在从导通到关断或关断到导通的非零切换时间Tswitch期间，功放管上通过的电压和电流有一定交叠，从而导致一定的功率损失，如附图2所示。只有当切换时间与射频信号周期T相比较小时（即Tswitch/T<<1），开关才接近理想切换。但是，在高频频率下，寄生电容的充放电时间和半周期电平时间相比是不可忽略的，因此呈现非理想开关性能，如具有一定的切换时间、一定的导通电阻和关断电阻，成为限制E类功放性能的主要因素。为改善功放管的开关特性，可以加大晶体管尺寸来减小晶体管导通电阻，但随之带来的是较大寄生电容，从而降低了开关切换速度。为增大开关切换速度，可以采用更大的输入驱动信号，然而这会增大驱动功耗，降低E类功放的效率。为减小开关导通时的电阻，KlausvonArnim等人在2005年针对数字电路中的MOS开关提出通过抬高和固定体偏置电位来减少MOS管反型门槛，进而降低导通电阻，然而该技术却不能改善开关关断时的性能以及开关切换速度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种动态体偏置E类功率放大器，解决传统E类功率放大器开关切换不够理想，不能改善开关关断时的性能以及开关切换速度的问题。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种动态体偏置E类功率放大器，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、由谐振电感和谐振电容组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端，所述射频扼流圈的另一端连接电源；所述匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地，及开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括用于提供输入开关信号和体偏置信号的五级反相器，所述五级反相器连接MOS开关管的栅极。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述五级反相器包括开关驱动整形电路、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、体电位驱动整形反相器电路；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后连入开关驱动整形电路；所述开关驱动整形电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管的源极接地；及将最后一组的反相器中PMOS和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的方波开关信号；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号同时依次经第一电容、第二电容、第三电容后连接至体电位驱动整形反相器电路；所述第一电阻的一端连接至第一电容与第二电容之间，且另一端接地；第二电阻的一端连接至第二电容与第三电容之间，且另一端接地；第三电阻连接至第三电容和体电位驱动整形反相器电路的输入端之间，且另一端连接直流电平信号；所述体电位驱动整形反相器电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NMOS晶体管源极接地，及将最后一组的PMOS晶体管和NMOS晶体管的漏极相连后输出整形完成的体偏置信号。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，具体为：在MOS开关管关断到导通切换时：在MOS开关管导通之前通过体偏置信号的改变，提高体电位极电平使阈值电压降低；在MOS开关管导通期间：提升MOS开关管体电位极电平，降低阈值电压；在MOS开关管导通到关断切换时：在MOS开关管关断之前通过体偏置信号的改变，降低体电位极电平使阈值电压提高。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术在晶体管导通前将晶体管体偏置设为正电位并保持，在晶体管关断前将晶体管体偏置设为负电位并保持，从而通过对衬底的动态偏置实现阈值电压的动态变化，采用动态体偏置技术的晶体管在开启时阈值电压降低，开启速度更快，且导通期间导通电阻更小；在关断时阈值电压升高，关断速度更快，且关断过程中阈值电流降低，减小功耗。动态偏置信号使得晶体管在一个开关信号周期内都能达到更理想的开关切换。该技术可改善传统E类功放中由于MOS管大的寄生电容造成的开关性能不理想，同时减少MOS开关在导通状态的导通电阻，减少关断状态的漏电流，可有效提高E类功放的输出功率和效率。附图说明图1为现有技术中理想E类功放示意图。图2为现有技术中开关非理想特性与理想特性比较图。图3为本专利技术动态体偏置E类功率放大器工作示意图。图4为本专利技术动态体偏置E类功率放大器电路图。图5为本专利技术中动态体偏置信号产生示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图3和图4所示，本专利技术设计了一种动态体偏置E类功率放大器，其电路具体包括：MOS开关管M0、射频扼流圈RF-Choke、开关充放电电容C、匹配电感L、由谐振电感L0和谐振电容C0组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻R，其中MOS开关管M0的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管M0的漏极分别连接射频扼流圈RF-Choke、匹配电感L的一端，且射频扼流圈RF-Choke的另一端连接电源Vcc；所述匹配电感L的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻R依次串联后接地；所述MOS开关管M0的源极接地，并且开关充放电电容C并联于MOS开关管M0的源极和漏极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管M0的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。根据E类开关工作模式原理，当MOS开关管M0闭合时，电容和负载支路向开关支路放电，当MOS开关管M0开启时，扼流圈储存的电荷向开关电容和负载充电，开关开启闭合为一个信号周期，在一个周期内开关两端不消耗功率，负载在开关充放电过程中，形成周期信号电压。因此，E类功率放大器成功将信号频率复制到负载端，并且高效的转化了电源功率进入负载。其中，本专利技术中MOS开关管M0可采用TSMC0.18μmRFCMOS工艺中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态体偏置E类功率放大器，其特征在于，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、由谐振电感和谐振电容组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端，所述射频扼流圈的另一端连接电源；所述匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地，及开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间 ；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。

【技术特征摘要】
1.一种动态体偏置E类功率放大器，其特征在于，包括：MOS开关管、射频扼流圈、开关充放电电容、匹配电感、由谐振电感和谐振电容组成的LC串联谐振匹配电路、负载电阻，其中MOS开关管的栅极接入输入开关信号且体电位极接入体偏置信号，及MOS开关管的漏极分别连接射频扼流圈、匹配电感的一端，所述射频扼流圈的另一端连接电源；所述匹配电感的另一端与LC串联谐振匹配电路、负载电阻依次串联后接地；所述MOS开关管的源极接地，及开关充放电电容并联于MOS开关管的漏极和源极之间；所述MOS开关管根据输入开关信号控制MOS开关管的开启或闭合，同时根据输入的体偏置信号控制体电位极，以实现对阈值电压的动态调整控制。2.根据权利要求1所述动态体偏置E类功率放大器，其特征在于：还包括用于提供输入开关信号和体偏置信号的五级反相器，所述五级反相器连接MOS开关管的栅极。3.根据权利要求2所述动态体偏置E类功率放大器，其特征在于：所述五级反相器包括开关驱动整形电路、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、体电位驱动整形反相器电路；所述五级反相器的输入端连接正弦射频信号后连入开关驱动整形电路；所述开关驱动整形电路由5组反相器串联形成，其中每组反相器由PMOS晶体管和NMOS晶体管组成，该PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极短接且漏极相连，并且PMOS晶体管的源极连接电源和NM...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建，杜健昌，陈曦，王志功，刘轩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32