一种J类功率放大器

技术领域

本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种J类功率放大器的设计。

背景技术

随着通信技术的发展，射频前端发射机迫切的需求超宽带、高效率、高增益、高功率的功率放大器，满足通信系统高速率、高可靠性、低功耗的要求。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，可以实现高效率特性，但是其带宽非常窄，不满足现有系统的需求。此外，过驱动高效率功放的另外一个特点是线性度较差，因此高效率过驱动开关功率放大器的带宽和线性度一直是通信系统的技术瓶颈。

常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。S.C. Cripps在2006年首次提出了J类功率放大器的概念。J类功率放大器是将功放管偏置在深度AB类接近B类放大器的状态，其二次以上的谐波可以被C

除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。

发明内容

本发明的目的是提出一种J类功率放大器，采用基于三路自偏方式的功率放大结构，形成波形整形网络，将输出电压波形直接整形成J类放大器特殊的电压半正弦波形，规避了输出网络的负阻抗限制，从而提升了传统J类放大器的极限效率，并且使得电路具有超宽带、高增益、高功率输出能力的特性。

本发明的技术方案为：一种J类功率放大器，包括输入一分三功率分配及阻抗匹配网络、三路功率放大波形形成网络、高频滤波移相网络、三路J类波形合成阻抗匹配网络；

输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的输入端为整个高效率J类功率放大器的输入端，三路J类波形合成阻抗匹配网络的输出端为整个高效率J类功率放大器的输出端；

输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的第一、第二、第三输出端分别与三路功率放大波形形成网络的第一、第二、第三输入端连接；三路功率放大波形形成网络的第一、第二输出端以及高频滤波移相网络的输出端同时与三路J类波形合成阻抗匹配网络的输入端连接，三路功率放大波形形成网络的第三输出端与高频滤波移相网络的输入端连接。

本发明的有益效果是：本发明采用基于三路自偏方式的功率放大结构形成波形整形网络，将放大器输出电压波形直接整形成J类放大器特殊的电压半正弦波形，规避了输出网络的负阻抗限制，提升了传统J类放大器的极限效率，并且使得电路具有超宽带、高增益、高功率输出能力的特性。

进一步地，输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的输入端连接C

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的输入一分三功率分配及阻抗匹配网络用于从射频输入信号中分流成三部分信号并做相应移相处理，从而实现后级的波形形成及阻抗匹配功能，同时实现三路分流信号相互之间是隔直的。

进一步地，三路功率放大波形形成网络的第一输入端连接电感L

上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用堆叠J类功放结构，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势，同时本发明采用的三路功率放大波形形成网络结合电阻分压网络，第一、第二、第三输入端分别连接的第一、第二、第三路放大器，分别工作在B类、浅C类、深C类放大器静态偏置状态，利用浅C类、深C类放大器经过移相后的特殊波形，合成整形B类放大器的半正弦波形，达到所需的J类放大器的波形特性；此外，本方案只需要一个栅极供电电压V

进一步地，高频滤波移相网络的输入端连接电感L

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的高频滤波移相网络用于滤除第三路放大器的高频谐波分量，并调谐基频和二次谐波阻抗。

进一步地，三路J类波形合成阻抗匹配网络的输入端同时连接电感L

上述进一步方案的有益效果是：本发明中的三路J类波形合成阻抗匹配网络可以实现J类放大器的阻抗，基频阻抗为Z

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种J类功率放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的一种J类功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种J类功率放大器，如图1所示，包括输入一分三功率分配及阻抗匹配网络、三路功率放大波形形成网络、高频滤波移相网络、三路J类波形合成阻抗匹配网络；输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的输入端为整个高效率J类功率放大器的输入端，三路J类波形合成阻抗匹配网络的输出端为整个高效率J类功率放大器的输出端；输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的第一、第二、第三输出端分别与三路功率放大波形形成网络的第一、第二、第三输入端连接；三路功率放大波形形成网络的第一、第二输出端以及高频滤波移相网络的输出端同时与三路J类波形合成阻抗匹配网络的输入端连接，三路功率放大波形形成网络的第三输出端与高频滤波移相网络的输入端连接。

如图2所示，输入一分三功率分配及阻抗匹配网络的输入端连接C

如图2所示，三路功率放大波形形成网络的第一输入端连接电感L

如图2所示，高频滤波移相网络的输入端连接电感L

如图2所示，三路J类波形合成阻抗匹配网络的输入端同时连接电感L

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端RFin进入高效率J类功率放大器，通过阻抗匹配和功率分配后，分为三部分进入三路功率放大波形形成网络进行信号放大，其中第一路放大器工作在B类，第二路放大器工作在浅C类，第三路放大器工作在深C类，利用浅C类、深C类放大器经过移相后的特殊波形，整形B类放大器的波形，同时通过三路J类波形合成阻抗匹配网络合成整形达到所需的J类放大器的波形特性，其中三路J类波形合成阻抗匹配网络中的L

本发明实施例采用三路功率放大波形形成网络，其核心采用三路合成的自偏置的堆叠放大器，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势。同时本发明采用的J类放大网络是采用B类、浅C类、深C类的合成网络实现的，可以实现有效的波形整形，而传统的J类放大器往往采用单管共源放大器的形式，波形整形能力比较有限；本方案只需要一个栅极供电电压V

其中，B类放大晶体管的工作电流为：

其中，浅C类放大晶体管的工作电流为：

其中，

其中，深C类放大晶体管的工作电流为：

其中，

B类、浅C类、深C类的波形合成后工作电流为：

B类、浅C类、深C类的波形合成后最大效率为：

其中，

B类、浅C类、深C类的波形合成后最大功率为：

其中，

其中，

本发明实施例中的高频滤波移相网络采用电感L

本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他馈电电阻、匹配电感、匹配电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在电路宽带、高效率、高增益、高功率输出能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。