本發(fā)明涉及一種功率放大器技術(shù)，具體涉及一種可以降低輸入匹配難度和減小芯片面積的寬帶功率放大器及其有源匹配電路。

背景技術(shù)：

在需要數(shù)據(jù)高速無線傳輸?shù)氖謾C(jī)，WIFI以及可穿戴設(shè)備中,功率放大器作為信號發(fā)射的重要芯片。傳統(tǒng)設(shè)計中往往需要2到3個功率放大器芯片來完成，現(xiàn)在集成到一個芯片上面。這就使功率放大器需要覆蓋一個非常寬的帶寬。芯片面積成為直接制約其能否應(yīng)用于微型化的通信設(shè)備中，并且還是制約成本的一個關(guān)鍵因素。功率放大器一般分為驅(qū)動級和功率級。驅(qū)動級主要提供增益，功率級主要提供功率。在輸出功率一定的情況下，隨著帶寬的變寬，增益會降低。通過smith圓圖上的等品質(zhì)因數(shù)（Q）圓，可以清楚的表達(dá)。Q=fr /Δf = |X/R|，其中X是輸入阻抗的虛部，R是輸入阻抗的實部。如圖1所示，為當(dāng)Q=1，2，5 and 10時的等品質(zhì)因數(shù)圓，隨著Q值的升高，功率放大器帶寬相應(yīng)的降低。傳統(tǒng)的功率放大器，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值約需要7左右，而現(xiàn)在其Q值要求需要小于等于2. 另外一個問題是如果在兩級的基礎(chǔ)上加入一級放大，設(shè)計成三級放大結(jié)構(gòu)，這會很大程度上增加芯片面積（費(fèi)用）和芯片的功耗，從而導(dǎo)致功率附加效率PAE的降低，從而降低手機(jī)等手持終端的待機(jī)時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種寬帶功率放大器及其有源匹配電路，有效低降阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，有效提升效率，降低芯片面積和成本。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種寬帶功率放大器的有源匹配電路，其特點(diǎn)是，該有源匹配電路包含：

晶體管，其基極電路連接寬帶功率放大器的射頻輸入端，集電極電路連接功率放大器的驅(qū)動級放大器，發(fā)射極通過發(fā)射極電阻接地；

串聯(lián)連接的阻直電容和串聯(lián)電阻，其電路連接在晶體管基極與射頻輸入端之間；

串聯(lián)連接的反饋電阻和反饋電容，其電路連接在晶體管集電極與射頻輸入端之間；

直流饋電電阻，其一端連接晶體管基極，另一端連接有源匹配偏置信號；

有源匹配電源，其電路連接晶體管集電極。

上述晶體管的增益為3dB至5dB。

上述發(fā)射極電阻的電阻值為2歐姆至8歐姆。

上述串聯(lián)電阻的電阻值為2歐姆至15歐姆。

上述阻直電容的電容量為0.3pf至2pf。

上述有源匹配電路的版圖面積為小于等于0.01平方毫米。

上述反饋電阻的電阻值為500歐姆。

上述反饋電容的電容量為2pf。

一種寬帶功率放大器，其特點(diǎn)是，該功率放大器包含：

如上述的有源匹配電路，其輸入端接寬帶功率放大器的射頻輸入端；

驅(qū)動級放大器，其輸入端電路連接有源匹配電路的輸出端；

功率級放大器，其輸入端電路連接驅(qū)動級放大器的輸出端，輸出端接寬帶功率放大器的射頻輸出端。

本發(fā)明寬帶功率放大器及其有源匹配電路和現(xiàn)有技術(shù)的功率放大器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于功率放大器的有源寬帶匹配結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效低降阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，降低芯片面積和成本。

附圖說明

圖 1 為Smith圓圖上的等品質(zhì)因數(shù)圓曲線圖；

圖2為本發(fā)明寬帶功率放大器的示意圖；

圖3為一種寬帶功率放大器的有源匹配電路的電路架構(gòu)示意圖；

圖4為阻抗S11在10MHz到10GHz的測試曲線圖；

圖5為本發(fā)明驅(qū)動級放大器和功率級放大器的穩(wěn)定系數(shù)在10MHz到10GHz曲線圖；

圖6為本發(fā)明寬帶功率放大器及其中有源匹配電路、驅(qū)動級放大器和功率級放大器的電流隨功率的變化曲線圖；

圖7為本發(fā)明寬帶功率放大器及有源匹配電路的版圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施例。

功率放大器的設(shè)計開始于輸出負(fù)載阻抗，然后由負(fù)載阻抗逆向設(shè)計到驅(qū)動級，最后到輸入匹配電路。有源匹配電路的晶體管的尺寸決定于其所要承受的功率，負(fù)載阻抗和電流。當(dāng)選擇的晶體管尺寸過小，那么隨著輸入功率的增加電流增加幅度非?？臁Ｈ绻x擇的晶體管尺寸過大，那么增益將會降低，Q值將會升高，盡而帶寬就會減小。有源匹配網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖所示。它應(yīng)用電阻與電容的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為集電極和基極之間的反饋，從而提高了輸入阻抗和達(dá)到驅(qū)動級對增益、穩(wěn)定性、功率的要求。

如圖2所示，為本發(fā)明公開的一種寬帶功率放大器，該功率放大器包含：輸入端接寬帶功率放大器的射頻輸入端RFin的有源匹配電路AM，輸入端電路連接有源匹配電路AM的輸出端的驅(qū)動級放大器（Driver Stage）Q1，以及輸入端電路連接驅(qū)動級放大器輸出端的功率級放大器（Power Stage）Q2，功率級放大器Q2的輸出端接寬帶功率放大器的射頻輸出端RFout。

如圖3所示，為本發(fā)明一種寬帶功率放大器的有源匹配電路的實施例，該有源匹配電路包含有晶體管Q_AM、阻直電容C_BLOCK、等效串聯(lián)電阻R_ESR、反饋電阻R_FBK、反饋電容C_FBK、發(fā)射極電阻EMITTER_FEED和直流饋電電阻DC_FEED。

晶體管Q_AM的基極電路連接寬帶功率放大器的射頻輸入端RFin，集電極電路連接功率放大器的驅(qū)動級放大器（Driver Stage）Q1，發(fā)射極通過發(fā)射極電阻EMITTER_FEED接地。晶體管Q_AM的增益為3dB至5dB，晶體管Q_AM的選取可以通過該工藝的應(yīng)用手冊，也可以通過Load-Pull仿真來確定晶體管Q_AM的尺寸，若通過Load-Pull仿真將會得到所需增益、電流、功率和輸入阻抗的信息。

晶體管Q_AM的集電極還電路連接有源匹配電源AM_VCC。

發(fā)射極電阻EMITTER_FEED的電阻值為2歐姆至8歐姆。此電阻對功率放大器的電學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定有顯著提升，同時增大了輸入阻抗的實部。

阻直電容C_BLOCK和串聯(lián)電阻R_ESR串聯(lián)連接，電路連接在晶體管Q_AM基極與射頻輸入端RFin之間。

阻直電容C_BLOCK的電容量為0.3pf至2pf。阻直電容C_BLOCK通過改變輸入阻抗的虛部，降低輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)量，加入C_BLOCK后輸入匹配網(wǎng)絡(luò)最多需要一個元件電容（或電感）的串聯(lián)或并聯(lián)，或者完全不用匹配元件即可完成輸入匹配。

等效串聯(lián)電阻R_ESR的電阻值為2歐姆至15歐姆。等效串聯(lián)電阻R_ESR的加入對有源匹配電路的輸入阻抗的實部有一定的提升和對射頻信號RF增益有一定的降低作用。

反饋電阻R_FBK和反饋電容C_FBK串聯(lián)連接，且電路連接在晶體管Q_AM集電極與射頻輸入端RFin之間。反饋電阻R_FBK和反饋電容C_FBK的加入對帶寬的增加有顯著的提升。其中，反饋電阻的R_FBK電阻值為500歐姆。反饋電容C_FBK的電容量為2pf。

直流饋電電阻DC_FEED一端連接晶體管Q_AM基極，另一端連接有源匹配偏置信號AM_Bias。直流饋電電阻DC_FEED的數(shù)值需要通過Gummel曲線仿真來確定。如果該電阻選擇過大，它將會限制最大輸出功率，如果選擇太小又會帶來熱穩(wěn)定的問題。

如圖4所示，是該有源匹配電路從RFin測試所得的輸入阻抗S11曲線。該阻抗S11越小，表明阻抗匹配越好，功率傳輸?shù)男矢?。工程中一般要求在所需帶寬?nèi)小于-10dB。在該設(shè)計中，功率放大器的頻率范圍從2.3GHz到2.69GHz，覆蓋LTE的Band 7、Band30、Band38、Band40和Band41。事實上阻抗匹配的帶寬已經(jīng)覆蓋2GHz到3GHz。

本發(fā)明所公開的寬帶功率放大器是一種多級功率放大器，對于多級功率放大器來說，穩(wěn)定性是一個至關(guān)重要的問題。如圖5所示，為寬帶功率放大器中驅(qū)動級放大器（Driver Stage）Q1及其連接的功率級放大器（Power Stage）Q2的穩(wěn)定系數(shù)測試圖。根據(jù)圖5可以看到，應(yīng)用了有源匹配電路的兩級功率放大器（驅(qū)動級放大器和功率級放大器），其穩(wěn)定系數(shù)Mur和Mu_Prime在全頻段內(nèi)均大于1，處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖6所示，為寬帶功率放大器及其中有源匹配電路、驅(qū)動級放大器和功率級放大器的電流隨功率的變化曲線。在這個設(shè)計中輸出功率等于1.3dBm時，電流消耗為8mA；當(dāng)輸出功率達(dá)28dBm時候，電流消耗為16mA；在輸出功率等于28dBm時，整個寬帶功率放大器PA消耗的電流為481mA。

如圖7所示，為本發(fā)明公開的有源匹配電路的版圖。整個寬帶功率放大器的芯片面積0.533 mm²，而有源匹配電路的面積是0.01 mm²。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。