一种功率放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域。更具体地，涉及一种功率放大电路。

背景技术

微波单片集成电路具有尺寸小、重量轻、可靠性高等优点，随着电子装备向高性能以及小型化方向发展，微波单片集成电路在微波组件中的应用越来越广泛。基于GaN材料的功率放大器芯片在宽带、高频率、高功率方面具有非常显著的优势，能够更好地满足新一代系统的要求。目前已广泛应用于相控阵雷达、通信、电子战等系统。

基于GaN材料的功率放大器芯片主要用于发射通道信号放大及功率输出。目前多数功率放大电路的缺点在于功耗大，效率低。

因此，需要提供一种功率放大电路。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种功率放大电路，实现在对射频信号放大、实现大功率输出的基础上，降低电路功耗，提高功率放大电路的效率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种功率放大电路，所述电路包括：

信号放大单元，具有信号输入端和信号输出端，以及级联的第一级晶体管和第二级晶体管；

直流偏置单元，用于向所述信号放大单元提供偏置电压，包括第一栅极电压、第二栅极电压、第一漏极电压和第二漏极电压；

所述第一栅极电压和第一漏极电压分别与所述第一级晶体管的栅极和漏极耦合，第二栅极电压和第二漏极电压分别和第二级晶体管的各栅极和各漏极耦合；

所述第二级晶体管包括偶数个晶体管，第一级晶体管的漏极和第二级晶体管的各栅极耦合；

所述信号放大单元进一步包括耦合在所述信号输入端和第一级晶体管栅极之间的输入匹配网络，耦合在所述第一级晶体管漏极和第二级晶体管各栅极之间的级间匹配网络，和耦合在第二级晶体管各漏极和信号输出端之间的输出匹配网络。

优选地，所述第一级晶体管工作在线性放大状态，用于驱动所述第二级各晶体管工作在饱和放大状态。

优选地，所述第一级晶体管包括第一晶体管，所述第二级晶体管包括个数相同的第一组晶体管和第二组晶体管，所述第一组晶体管的栅极和第二组晶体管的栅极分别与所述第二栅极电压耦合，所述第一组晶体管的漏极和第二组晶体管的漏极分别与所述第二漏极电压耦合。

优选地，所述输入匹配网络包括耦合在第一栅极电压和信号输入端之间的隔直单元，该隔直单元包括第一电容器。

优选地，所述输入匹配网络包括耦合在第一栅极电压和第一级晶体管栅极之间并联的第二电阻器和第三电容器。

优选地，所述级间匹配网络包括耦合在所述第二栅极电压和所述第一组晶体管的各栅极之间串联的第三电阻器和第十二电感器；耦合在所述第二栅极电压和所述第二组晶体管的各栅极之间串联的第四电阻器和第十三电感器。

优选地，所述输出匹配网络包括耦合在所述第一组晶体管的漏极和第二漏极电压之间的第十六电感器，以及耦合在所述第二组晶体管的漏极和第二漏极电压之间的第二十一电感器。

优选地，所述功率放大电路进一步包括耦合在所述信号输出端和接地端之间的谐振网络。

优选地，所述级间匹配网络和输出匹配网络与所述第一组晶体管和第二组晶体管的耦合具有对称结构。

优选地，所述级间匹配网络和输出匹配网络分别包括耦合在各元件之间的电感器。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的一种功率放大电路能够实现在对射频信号放大、实现大功率输出的基础上，降低电路功耗并提高放大电路的效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一个实施例的一种放大电路的结构框图。

图2示出本发明一个实施例的一种放大电路的电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，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“包括一个……”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。

如图1-2所示本发明一个实施例提供一种功率放大电路，所述电路包括：

信号放大单元，具有信号输入端和信号输出端，以及级联的第一级晶体管和第二级晶体管；

直流偏置单元，用于向所述信号放大单元提供偏置电压，包括第一栅极电压、第二栅极电压、第一漏极电压和第二漏极电压；

所述第一栅极电压和第一漏极电压分别与所述第一级晶体管的栅极和漏极耦合，第二栅极电压和第二漏极电压分别和第二级晶体管的各栅极和各漏极耦合；

所述第二级晶体管包括偶数个晶体管，第一级晶体管的漏极和第二级晶体管的各栅极耦合；

所述信号放大单元进一步包括耦合在所述信号输入端和第一级晶体管栅极之间的输入匹配网络，耦合在所述第一级晶体管漏极和第二级晶体管各栅极之间的级间匹配网络，和耦合在第二级晶体管各漏极和信号输出端之间的输出匹配网络。

在一个可选的实施例中，所述第一级晶体管工作在线性放大状态，用于驱动所述第二级各晶体管工作在饱和放大状态。

在一个可选的实施例中，所述第一级晶体管包括第一晶体管，所述第二级晶体管包括个数相同的第一组晶体管和第二组晶体管，所述第一组晶体管的栅极和第二组晶体管的栅极分别与所述第二栅极电压耦合，所述第一组晶体管的漏极和第二组晶体管的漏极分别与所述第二漏极电压耦合。

在一个可选的实施例中，所述输入匹配网络包括耦合在第一栅极电压和信号输入端之间的隔直单元，该隔直单元包括第一电容器。

在一个可选的实施例中，所述输入匹配网络包括耦合在第一栅极电压和第一级晶体管栅极之间并联的第二电阻器和第三电容器。

在一个可选的实施例中，所述级间匹配网络包括耦合在所述第二栅极电压和所述第一组晶体管的各栅极之间串联的第三电阻器和第十二电感器；耦合在所述第二栅极电压和所述第二组晶体管的各栅极之间串联的第四电阻器和第十三电感器。

在一个可选的实施例中，所述输出匹配网络包括耦合在所述第一组晶体管的漏极和第二漏极电压之间的第十六电感器，以及耦合在所述第二组晶体管的漏极和第二漏极电压之间的第二十一电感器。

在一个可选的实施例中，所述功率放大电路进一步包括耦合在所述信号输出端和接地端之间的谐振网络。

在一个可选的实施例中，所述级间匹配网络和输出匹配网络与所述第一组晶体管和第二组晶体管的耦合具有对称结构。

在一个可选的实施例中，所述级间匹配网络和输出匹配网络分别包括耦合在各元件之间的电感器。

具体的，信号放大单元主要用于对信号输入端所输入的射频信号来进行放大，通过信号输出端输出放大后的射频信号，直流偏置单元基于直流供电电压端所输入端的工作电压来向信号放大单元输出偏置电压。所述功率放大电路能够实现在对射频信号放大的基础上，实现大功率输出，降低电路功耗并提高放大电路的效率。本发明所述电路为两级级联结构，第一级为晶体管M1，第二级为晶体管M2、M3、M4、M5。无源匹配网络分为3个部分，第一部分无源匹配网络为输入匹配网络；第二部分无源匹配网络为级间匹配网络；第三部分无源匹配网络为输出匹配网络。第一级晶体管M1将输入信号进行放大后，为第二级晶体管提供足够高的输入功率，驱动第二级晶体管工作在饱和状态。第二级晶体管M2、M3、M4、M5均工作在饱和状态，输出最大功率。

在一个具体的实施例中，所述信号放大单元包括第一到第十电容器C1～C10、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一到第五耗尽型场效应晶体管M1～M5和第一到第二十五电感器L1～L25；

所述第一电感器L1的第一端连接信号输入端RFin和所述第一电容器C1的第一端；

所述第一电感器L1的第二端接地GND；

所述第一电容器C1的第二端连接所述第一电阻器的第一端和所述第二电容器C2的第一端；

所述第一电阻器的第二端接地GND；

所述第二电容器C2的第二端连接所述第二电感器L2的第一端；

所述第二电感器L2的第二端连接所述第三电感器L3的第一端、所述第二电阻器R2的第一端和所述第三电容器C3的第一端；

所述第二电阻器R2的第二端连接所述第三电容器C3的第二端和所述第一耗尽型场效应晶体管M1的栅极；

所述第一耗尽型场效应晶体管M1的源极接地GND；

所述第一耗尽型场效应晶体管M1的漏极连接所述第四电感器L4的第一端；

所述第四电感器L4的第二端连接所述第五电感器L5的第一端和所述第四电容器C4的第一端；

所述第四电容器C4的第二端连接所述第五电容器C5的第一端、所述第六电感器L6的第一端和所述第九电感器L9的第一端；

所述第五电容器C5的第二端接地GND：

所述第六电感器L6的第二端连接所述第六电容器C6的第一端、所述第七电感器L7的第一端、所述第八电感器L8的第一端和所述第十二电感器L12的第一端；

所述第六电容器C6的第二端接地GND；

所述第七电感器L7的第二端连接所述第二耗尽型场效应晶体管M2的栅极；

所述第八电感器L8的第二端连接所述第三耗尽型场效应晶体管M3的栅极；

所述第九电感器L9的第二端连接所述第七电容器C7的第一端、所述第10电感器L10的第一端、所述第十一电感器L11的第一端和所述第十三电感器L13的第一端；

所述第七电容器C7的第二端接地GND；

所述第十电感器L10的第二端连接所述第四耗尽型场效应晶体管M4的栅极；

所述第十一电感器L11的第二端连接所述第五耗尽型场效应晶体管M5的栅极；

所述第二耗尽型场效应晶体管M2的源极接地GND；

所述第三耗尽型场效应晶体管M3的源极接地GND；

所述第四耗尽型场效应晶体管M4的源极接地GND；

所述第五耗尽型场效应晶体管M5的源极接地GND；

所述第二耗尽型场效应晶体管M2的漏极连接所述第十四电感器L14的第一端；

所述第三耗尽型场效应晶体管M3的漏极连接所述第十五电感器L15的第一端；

所述第四耗尽型场效应晶体管M4的漏极连接所述第十九电感器L19的第一端；

所述第五耗尽型场效应晶体管M5的漏极连接所述第二十电感器L20的第一端；

所述第十六电感器L16的第一端连接所述第十四电感器L14的第二端、所述第十五电感器L15的第二端；

所述第十六电感器L16的第二端连接所述第十七电感器L17的第一端、所述第十八电感器L18的第一端；

所述第二十一电感器L21的第一端连接所述第十九电感器L19的第二端、所述第二十电感器L20的第二端；

所述第二十一电感器L21的第二端连接所述第二十二电感器L22的第一端、所述第二十三电感器L23的第一端；

所述第二十四电感器L24的第一端连接所述第十八电感器L18的第二端、所述第二十三电感器L23的第二端、所述第八电容器C8的第一端和所述第二十五电感器L25的第一端；

所述第八电容器C8的第二端接地GND；

所述第二十五电感器L25的第二端连接所述第九电容器C9的第一端和所述第十电容器C10的第一端；

所述第九电容器C9的第二端接地GND；

所述第十电容器C10的第二端连接信号输出端RFout；

在一个具体的实施例中，所述直流偏置单元包括第十一到第十六电容器C11～C16、第三电阻器R3和第四电阻器R4；

所述第十一电容器C11的第一端连接所述第三电感器L3的第二端，所述第十一电容器C11的第一端接收第一栅极电压VG1；

所述第十一电容器C11的第二端接地GND；

所述第十二电容器C12的第一端连接所述第五电感器L5的第二端，第十二电容器C12的第一端接收第一漏极电压VD1；

所述第十二电容器C12的第二端接地GND；

所述第三电阻器R3的第一端连接所述第十二电感器L12的第二端；

所述第三电阻器R3的第二端连接所述第十三电容器C13的第一端，所述第三电阻器R3的第二端接收第二栅极电压VG2；

所述第十三电容器C13的第二端接地GND；

所述第四电阻器R4的第一端连接所述第十三电感器L13的第二端；

所述第四电阻器R4的第二端连接所述第十四电容器C14的第一端，所述第四电阻器R4的第二端接收第二栅极电压VG2；

所述第十四电容器C14的第二端接地GND；

所述第十五电容器C15的第一端连接所述第十七电感器L17的第二端，第十五电容器C15的第一端接收第二漏极电压VD2；

所述第十五电容器C15的第二端接地GND；

所述第十六电容器C16的第一端连接所述第二十二电感器L22的第二端，第十六电容器C16的第一端接收第二漏极电压VD2；

所述第十六电容器C16的第二端接地GND。

具体的，VG1为晶体管M1提供栅极电压，VG2为晶体管M2、M3、M4、M5提供栅极电压。两个栅极电压不同，因为所述晶体管的工作状态不一致，晶体管M1工作在线性放大状态，晶体管M2、M3、M4、M5工作在饱和放大状态；VD1为晶体管M1提供漏极电压，VD2为晶体管M2、M3、M4、M5提供漏极电压，两个漏压不同，因为所述晶体管工作状态不一致，晶体管M1工作在线性放大状态，晶体管M2、M3、M4、M5工作在饱和放大状态。

在一个具体的实施例中，所述第一至第二电阻器、第一至第三电感器、第一至第三电容器和第十一电容器共同构成输入匹配网络。

具体的，输入匹配网络主要实现全频带稳定，改善输入匹配，补偿晶体管增益随频率下降的趋势，实现带内增益平坦。

在一个具体的实施例中，所述第三至第四电阻器R3～R4、第四至第十三电感器L4～L13、第四至第七电容器C4～C7和第十二至第十四电容器C12～C14共同构成级间匹配网络。

具体的，级间匹配网络的作用是实现第一级晶体管M1的输出阻抗到第二级晶体管M2、M3、M4、M5输入阻抗的阻抗变换，优化电路增益平坦度，提高电路稳定性。本发明所述级间匹配网络没有采用常见的提高稳定性的办法，即在信号通路上增加电阻的方法，而是在栅极增加电阻R3、R4。电阻R3和高特征阻抗的短截线L12串联组成有耗匹配，在低频段，电阻加载晶体管降低了增益，提高了低频稳定性，在高频段，短截线具有高阻抗，电阻对晶体管影响小。这样既降低了级间匹配网络的损耗，提高电路效率，又达到了提高稳定性的效果。R4和L13同理。本发明所述级间匹配网络采用多阶电抗匹配，损耗小，有利于实现宽带性能。

在一个具体的实施例中，所述第十四至第二十五电感器L14～L25、第八至第十电容器C8～C10和第十五至第十六电容器C15～C16共同构成输出匹配网络。

具体的，输出匹配网络为簇丛型合成网络，兼具功率合成和阻抗匹配的作用。该网络具有整形滤波作用，可实现带通频率响应，带通网络在带外杂波抑制和谐波抑制方面的优势有助于抑制功率放大器的谐波，提高输出功率，从而提升其效率。本发明所述输出匹配网络采用多阶电抗匹配网络，实现最低损耗匹配，并合成了四个晶体管的功率，实现大功率输出，提高了输出功率，从而提高了效率。第八电容器C8、第二十四电感器L24和GND组成了一个谐振网络，使电路的二次谐波和三次谐波短路，提高了该电路的谐波抑制度，电路的抗干扰性能有明显改善。

在一个具体的实施例中，所述第一电容器C1用于隔离直流电流。

具体的，所述信号放大单元中的第一电容器C1能够起到隔离直流电流的作用，去除前级电路直流对所述放大电路的影响。

在一个具体的实施例中，所述第二电阻器R2和第三电容器C3共同构成电阻电容反馈结构。

具体的，所述信号放大单元中的第二电阻器R2与第三电容器C3构成了电阻电容反馈结构，通过调节电阻和电容，使该网络在中心频率阻值较小，低频段阻值增大，从而降低电路在低频的增益，保证低频稳定，改善增益平坦度。在一个可选的实施例中，所述第八电容器C8的第一端连接所述第二十四电感器L24的第一端，所述第八电容器C8的第二端接地GND，构成谐振网络。

所述第八电容器C8的第一端连接所述第二十四电感器L24的第一端，所述第八电容器C8的第二端接地GND，构成谐振网络，使电路的二次谐波和三次谐波短路，提高了该电路的谐波抑制度，电路的抗干扰性能有明显改善。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。