本發(fā)明屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及功率放大器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率放大器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)功率放大器的有四種類型，它們的主要差別在于偏置情況不同。這些放大器分為a類、ab類、b類和c類，并且所有這四種放大器都可以通過(guò)同一個(gè)模型來(lái)理解。在這個(gè)一般的模型中，電阻r代表我們將要把輸出功率傳遞到那里去的負(fù)載電阻。一個(gè)“大而胖”的電感bfl把dc功率送入到晶體管的漏極且假設(shè)這個(gè)電感很大以至于足以使通過(guò)它的電流基本不變。漏極通過(guò)電容bfc連至一個(gè)振蕩回路以防止在負(fù)載中有任何dc功耗。這種特定形式的功率放大器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)與在傳統(tǒng)的小信號(hào)放大器中一樣，晶體管的輸出電容可以被吸收進(jìn)振蕩回路。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由振蕩回路提供的濾波功能削減了由總是存在的非線性引起的頻帶外的發(fā)射。

傳統(tǒng)功率放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成，但是它的線性度較差，效率低，輸出功率穩(wěn)定性差，無(wú)法滿足現(xiàn)代產(chǎn)品越來(lái)越高的需求。在現(xiàn)代發(fā)射機(jī)中，線性度和輸出功率要求越來(lái)越高。因此功率放大器的輸出功率和線性度性能顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，本發(fā)明提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率放大器，實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出幅度控制和線性度提高。

一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率放大器，包括功率放大器核心電路模塊、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊、線性度提高電路模塊和輸出匹配電路模塊。

所述功率放大器核心電路模塊采用ab類功率放大器由功率驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路組成；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊由反饋電路和調(diào)節(jié)反饋系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成；線性度提高電路模塊由電阻電容并聯(lián)組成；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分析輸出幅度的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)m9的尺寸，使反饋電路的反饋系數(shù)β取得最佳值，從而實(shí)現(xiàn)輸出幅度的穩(wěn)定。

外接偏置電壓產(chǎn)生電路模塊為功率放大器提供偏置電壓，功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出接功率放大電路的輸入，線性度提高電路模塊的兩端分別連接功率驅(qū)動(dòng)電路與功率放大電路的共柵端，功率放大電路的輸出接輸出匹配電路模塊的輸入；反饋電路的輸入端接輸出匹配電路模塊的輸出端，反饋電路的輸出端接功率放大電路的共源端，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接反饋電路的控制端。

所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊由反饋電路和調(diào)節(jié)反饋系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，其中反饋網(wǎng)絡(luò)由nmos對(duì)管m7、m8，電流鏡nmos管m5，尾電流源nmos管m6，電流源pmos管m9、m10和偏置電阻r2組成，其中nmos對(duì)管的尺寸比為1：1，采用差分對(duì)形式連接，電流源pmos管m9、m10的柵極與漏極短接并分別與nmos對(duì)管m7、m8的漏極相連，電流源pmos管m9、m10源極接電源，nmos對(duì)管m7、m8源極短接并與尾電流源nmos管m6的漏極相連，尾電流源nmos管m6的源極接地，尾電流源nmos管m6的柵極與電流鏡nmos管m5的柵極相連，nmos管m7接功率放大器輸出，nmos管m8外接參考電壓vref，偏置電阻r2一端與nmos管m7的漏極相連，另一端接功率放大級(jí)共源nmos管m3的柵極相連，pmos管m9由mos管陣列組成。

進(jìn)一步的，所述線性度提高電路模塊由兩個(gè)電容c2、c3和一個(gè)電阻r1組成，其中，兩個(gè)電容c2、c3串聯(lián)，電阻r1一端接兩個(gè)電容c2、c3之間，另一端接地。反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入端接功率放大級(jí)共柵nmos管m4的柵極，輸出端接功率驅(qū)動(dòng)級(jí)共柵nmos管m2的柵極。

進(jìn)一步的，所述功率放大器核心電路模塊采用兩級(jí)共源共柵放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為功率驅(qū)動(dòng)電路，由共源nmos管m1，共柵nmos管m2和扼流電感l(wèi)1組成；第二級(jí)為功率放大電路，由共源nmos管m3，共柵nmos管m4和扼流電感l(wèi)2組成。第一級(jí)電路和第二級(jí)電路之間通過(guò)耦合電容c4連接。

進(jìn)一步的，所述輸出匹配電路模塊采用t型網(wǎng)絡(luò)匹配，由兩個(gè)電容c5、c6和一個(gè)電感l(wèi)3組成，其中，兩個(gè)電容c5、c6串聯(lián)，電感l(wèi)3一端接兩個(gè)電容c5、c6之間，另一端接地。輸出匹配電路模塊的輸入端接功率放大級(jí)共柵nmos管m4的漏極，輸出端接負(fù)載電阻r1。

在功率放大器核心電路模塊中，共源共柵放大結(jié)構(gòu)存在信號(hào)通過(guò)共柵mos管柵漏電容cgd和柵源電容cgs耦合到柵端產(chǎn)生高次諧波使功率放大器線性度降低，這種影響同時(shí)存在于功率驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路。

本發(fā)明采用反饋技術(shù)，將線性度提高電路模塊連接在功率放大電路共柵nmos管m4的柵端和功率驅(qū)動(dòng)電路共柵nmos管m2的柵端之間，通過(guò)電容c2、c3和電阻r1組成的反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生180度的相移，使耦合到共柵nmos管m4的信號(hào)與耦合到共柵nmos管m2的信號(hào)在一定程度上相抵消，這樣共柵器件對(duì)功率放大器線性度的影響就被最小化，功率放大器的線性度得到了提高。

本發(fā)明中，功率放大器與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊相連，輸入差分mos管(m7)接功率放大器輸出，輸入差分mos管(m8)接參考電壓，隨著功率放大器輸出幅度增大，當(dāng)幅度超過(guò)參考電壓時(shí)，流過(guò)m7和m9的電流增加，然后m9的柵壓下降，該電壓做為反饋電壓控制功率放大器放大級(jí)共源mos管m3的柵壓，使整個(gè)功率放大器的輸出電流減小，從而調(diào)節(jié)功率放大器的輸出幅度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；即實(shí)現(xiàn)了幅度控制。

綜上，本發(fā)明采用兩級(jí)共源共柵的ab類功率放大器作為核心電路，有效的提高了效率；且在兩級(jí)共源共柵的ab類功率放大器基礎(chǔ)上引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得功率放大器的輸出幅度穩(wěn)定性大大提高；同時(shí)本發(fā)明提供的幅度控制電路模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、面積小，實(shí)現(xiàn)功率放大器穩(wěn)定的輸出幅度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的電路示意框圖；

圖2是本發(fā)明功率放大器核心電路模塊電路圖；

圖3是本發(fā)明的輸出幅度控制電路模塊電路圖；

圖4是實(shí)施例中功率放大器的線性度波形；

圖5是實(shí)施例中功率放大器的效率波形；

圖6是實(shí)施例中功率放大器的輸出頻譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的電路原理如圖1所示，包括功率放大器核心電路模塊、線性度提高電路模塊、輸出匹配電路模塊和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊；其具體的實(shí)現(xiàn)包括功率放大器核心電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，線性度提高電路模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等部分；

功率放大器核心電路的設(shè)計(jì)，其電路圖如2所示，采用兩級(jí)共源共柵功率放大器結(jié)構(gòu)，包括了共源nmos管(m1)和共柵nmos管(m2)組成的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)、共源nmos管(m3)和共柵nmos管(m4)組成的功率放大級(jí)、一對(duì)扼流電感(l1，l2)以及隔直電容(c4)；所述共源nmos管(m1)和共源nmos管(m3)寬長(zhǎng)比相同，共柵pmos管(m2)和共柵pmos管(m4)寬長(zhǎng)比相同；所述nmos管與pmos管以共源共柵的方式連接，即m1的漏極接m2的源極，m3的漏極接m4的源極；兩級(jí)之間通過(guò)隔直電容(c4)相連接。

確定了功率放大器的特性后，根據(jù)系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，以確定功率放大器的工作狀態(tài)。a類功率放大器是以效率為代價(jià)來(lái)提供線性度的，其效率會(huì)很差；b類功率放大器是以線性度為代價(jià)來(lái)提供效率，其線性度會(huì)很差；ab類功率放大器介于a類和b類之間，能夠提供合理的線性度和效率。本發(fā)明中要求功率放大器擁有較高的線性度和效率，故將功率放大器的工作狀態(tài)設(shè)置在ab類功率放大器，如本實(shí)施例。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)功率放大器核心電路模塊時(shí)，從功率放大器的功率管入手。根據(jù)系統(tǒng)所要求的輸出幅度，確定功率放大器電路所需偏置電流的大小。在mos管飽和區(qū)，漏極電流公式由下式給出：

其中，w/l為功率管的寬長(zhǎng)比，vgs為功率管的柵源電壓，vth為功率管的閾值電壓，vds為功率管的漏源電壓。ab類功率放大器功率管的導(dǎo)通角在180度到360度之間，故功率管的柵源電壓vgs略大于管子的閾值電壓vth。設(shè)置好功率管的柵源電壓后，可由式(1)計(jì)算出功率管的尺寸。

在確定了功率管尺寸后，需要進(jìn)一步確定扼流電感的大小。扼流電感把dc功率送入到功率管的漏極且這個(gè)電感很大以至于足以使通過(guò)它的電流基本不變，故扼流電感值應(yīng)取得較大。此外，扼流電感與功率管組成一個(gè)lc諧振回路，若選取扼流電感值使其與功率管寄生電容在工作頻率處諧振，則可以減小功率管寄生電容對(duì)輸出功率匹配的影響。當(dāng)lc諧振時(shí)，諧振頻率由下式給出：

f為功率放大器的工作頻率，c為功率管的寄生電容，在已知功率放大器的工作頻率和功率管的寄生電容情況下，由式(2)求出扼流電感的值。

本發(fā)明采用兩級(jí)共源共柵功率放大器結(jié)構(gòu)，其中功率驅(qū)動(dòng)電路的器件尺寸與功率放大電路的器件尺寸相同。在確定了器件尺寸后，需要做好輸出功率匹配，保證功率傳輸最大化。根據(jù)功率傳輸理論，負(fù)載采用共軛匹配以實(shí)現(xiàn)功率傳輸最大化。在功率放大器中不同的負(fù)載值會(huì)導(dǎo)致輸出功率和效率變化很大，借助負(fù)載牽引工具可以找到一個(gè)使輸出功率和效率最優(yōu)的點(diǎn)，然后用匹配網(wǎng)絡(luò)將負(fù)載值匹配到最佳負(fù)載點(diǎn)的共軛值實(shí)現(xiàn)功率傳輸最大化。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幅度控制電路模塊如圖3所示。由反饋電路和控制反饋系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，反饋電路由nmos對(duì)管(m7，m8)、電流鏡nmos管(m5)、尾電流源nmos管(m6)、電流源pmos管(m9，m10)和偏置電阻(r2)組成，其中nmos對(duì)管的尺寸比例為1：1，采用差分對(duì)形式連接，電流源pmos管(m9，m10)的柵極與漏極短接并分別與nmos對(duì)管(m7，m8)的漏極相連，電流源pmos管(m9，m10)源級(jí)接電源，nmos對(duì)管(m7，m8)源級(jí)短接并與尾電流源nmos管(m6)的漏極相連，尾電流源nmos管(m6)的源級(jí)接地，尾電流源nmos管(m6)的柵極與電流鏡nmos管(m5)的柵極相連，nmos管(m7)接功率放大器輸出，nmos管(m8)外接參考電壓vref，偏置電阻(r2)一端與nmos管(m7)的漏極相連，另一端接功率放大級(jí)共源nmos管(m3)的柵極相連接，pmos管(m9)由mos管陣列組成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)節(jié)m9的尺寸。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幅度控制電路模塊的工作原理如下：當(dāng)m7的柵壓，即功率放大器的輸出電壓小于參考電壓vref時(shí)，導(dǎo)致m7和m9的漏電流減??；根據(jù)pmos飽和區(qū)漏極電流公式：

m9的漏電流減小，根據(jù)公式(3)m9的柵源電壓減小，m9的柵壓增大，m9的柵極與功率管m3相連，則m3的柵壓增大，從而使功率放大器的輸出電壓增大，即幅度控制電路實(shí)現(xiàn)了輸出幅度較小時(shí)，控制輸出幅度增大的效果。

當(dāng)功率放大器的輸出電壓大于參考電壓vref時(shí)，導(dǎo)致m7和m9的漏電流增大，根據(jù)公式(3)m9的柵源電壓增大，m9的柵壓減小，則m3的柵壓隨之減小，從而使功率放大器的輸出電壓減小，即幅度控制電路實(shí)現(xiàn)了輸出幅度較大時(shí)，控制輸出幅度減小的效果。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幅度控制電路模塊對(duì)輸出幅度控制的強(qiáng)弱由反饋電路的反饋系數(shù)β決定，而反饋系數(shù)β由pmos管(m9)與功率管的尺寸比例決定，輸出幅度不同，則尺寸比例也要做出相應(yīng)的調(diào)整。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分析輸出幅度的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)m9的尺寸，使反饋電路的反饋系數(shù)β取得最佳值，從而實(shí)現(xiàn)輸出幅度的穩(wěn)定。

線性度提高電路模塊如圖2中虛線框所示。由兩個(gè)電容(c2，c3)和一個(gè)電阻(r1)組成，其中，兩個(gè)電容(c2，c3)串聯(lián)，電阻(r1)一端接兩個(gè)電容(c2，c3)之間，另一端接地。反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入端接功率放大級(jí)共柵nmos管(m4)的柵極，輸出端接功率驅(qū)動(dòng)級(jí)共柵nmos管(m2)的柵極。

線性度提高電路模塊的工作原理如下：通過(guò)電容(c2，c3)和電阻(r1)組成的反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生兩個(gè)極點(diǎn)，信號(hào)從反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入到輸出經(jīng)過(guò)兩個(gè)極點(diǎn)的變化會(huì)產(chǎn)生180度的相移，使耦合到共柵nmos管(m4)的信號(hào)與耦合到共柵nmos管(m2)的信號(hào)在一定程度上相抵消，這樣共柵器件對(duì)功率放大器線性度的影響就被最小化，功率放大器的線性度得到了提高。

反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)由下式給出：

由公式(4)可得反饋網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)極點(diǎn)和調(diào)節(jié)r1，c2，c3的值，使反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)主極點(diǎn)和一個(gè)次極點(diǎn)，功率放大器第二級(jí)的饋通信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生180度相移與功率放大器第一級(jí)的饋通信號(hào)相抵消，從而提升整個(gè)功率放大器的線性度。

為了進(jìn)一步的證明本發(fā)明的效果，圖4給出了實(shí)施例圖2功率放大器的線性度仿真波形，從圖4可以看到，功率放大器的1db壓縮點(diǎn)約為14db，線性度性能較好；圖5給出了實(shí)施例圖2功率放大器的效率仿真波形，從圖5可以看到，在功率放大器的頻帶(3.5ghz-4.5ghz)范圍內(nèi)，功率放大器的效率保持在60％左右，說(shuō)明本發(fā)明功率放大器擁有很高的效率；圖6給出了加入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出幅度控制電路模塊后的功率放大器輸出頻譜，從圖6可以看到，在功率放大器的頻帶范圍內(nèi)，輸出頻譜能夠穩(wěn)定在-10dbm左右，帶內(nèi)頻譜十分平坦，可以很好的作為現(xiàn)代發(fā)射機(jī)的功率放大器使用。

我們與傳統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行比較，傳統(tǒng)的功率放大器效率低，線性度差，輸出幅度不穩(wěn)定；本發(fā)明在同等輸入幅度和工作頻率的條件下，比傳統(tǒng)功率放大器線性度和輸出幅度穩(wěn)定性均實(shí)現(xiàn)了較大提升。