功率放大器的制作方法

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种功率放大器。

背景技术：

射频电路在通信、导航、射电天文、电子对抗等领域的无线电系统有着广泛的应用；射频功率放大器是现代无线通信系统中非常关键的模块，尤其是在无线接收机当中，一般位于接收机的前端。射频功率放大器主要用于将小功率的射频电信号放大，并通过天线辐射出去进行信息通信。射频功率放大器的性能直接影响着无线通信系统的整体性能；现代无线通信技术的飞速发展对射频功放的性能提出了更加苛刻的要求，如高功率、高带宽、高增益平坦度等。

为满足如此苛刻的要求超宽带放大器应运而生，常见的超宽带放大器的电路结构有很多，如分布式功率放大器和采用高阶电感电容网络匹配的功率放大器以及堆栈式功率放大器。分布式功率放大器采用传输线来进行输入输出匹配，消耗大量面积与功耗；电感电容高阶网络匹配的功率放大器则同样也会消耗大量面积与功耗。而堆栈式功率放大器能够通过选择每单元晶体管的尺寸使其输出阻抗全频带内接近50欧姆以避免面积损耗。因此，堆栈式功率放大器是超宽带功率放大器一种较好的实现方式，然而传统的堆栈式功率放大器，仍然存在如下的问题：

(1)超宽带输入匹配难度较大；

(2)高频增益衰退严重；

(3)超宽带内增益平坦度难以提高。

技术实现要素：

本发明提供的功率放大器，能够提高功率放大器的增益平坦度，改善功率放大器的输入匹配特性。

本发明提供一种功率放大器，包括：负反馈网络和功率放大电路；

其中，所述功率放大电路包括堆叠式结构的晶体管，且顶层的晶体管的漏极与所述功率放大器的信号输出端连接，所述功率放大器的信号输入端连接所述功率放大电路中底层的晶体管的栅极；

所述负反馈网络的一端连接底层的晶体管的栅极，所述负反馈网络的另一端连接顶层的晶体管的漏极。

可选地，所述底层的晶体管上方的晶体管的源极和漏极之间均连接有补偿电容。

可选地，所述顶层的晶体管的漏极通过隔直电容与所述信号输出端连接，所述底层的晶体管的源极接地。

可选地，所述负反馈网络包括：第六电阻器和第七电容器；

其中，所述第六电阻器与第七电容器串联，第六电阻器的另一端与底层的晶体管的栅极连接，所述第七电容器的另一端与顶层的晶体管的漏极连接。

可选地，所述功率放大器还包括：输入匹配网络，所述输入匹配网络包括：并联子网络、低通滤波子网络和串联子网络；

其中所述并联子网络的输入端与信号输入端连接，所述并联子网络的输出端与所述低通滤波子网络的输入端连接，所述低通滤波子网络的输出端与串联子网络的输入端和底层的晶体管的栅极连接。

可选地，所述并联子网络包括：第一电阻器和第一电容器，所述第一电阻器和第一电容器并联连接；

所述低通滤波子网络包括：第一电感器和第二电容器，所述第一电感器的一端与所述第二电容器的一端连接，并作为所述低通滤波子网络的输入端，所述第一电感器的另一端作为所述低通滤波子网络的输出端，所述第二电容器接地；

所述串联子网络包括第二电阻器和第二电感器，所述第二电阻器的一端作为所述串联子网络的输入端并与底层的晶体管的栅极连接，所述第二电阻器的另一端与所述第二电感器的一端连接，所述第二电感器的另一端接地。

可选地，所述堆叠式结构的晶体管纵向排列，且相邻的所述晶体管中一晶体管的源极与另一晶体管的漏极互连；

底层的晶体管的栅极通过第三电感器与所述第一电源端连接；

顶层的晶体管的漏极通过第四电感器与所述第二电源端连接。

可选地，所述功率放大器还包括偏置分压网络；

所述偏置分压网络包括若干个串联的分压电阻器，以形成若干个电阻分压节点，所述串联的分压电阻器的一端与顶层的晶体管的漏极连接，所述串联的分压电阻器的另一端接地；

在底层的晶体管的上方的所述晶体管的栅极均单独连接一个电阻分压节点。

可选地，在底层的晶体管的上方的所述晶体管的栅极与对应的电阻分压节点均共接级间匹配电容，所述级间匹配电容的一端接地。

本发明实施例提供的功率放大器，采用负反馈网络，并将所述负反馈网络的一端连接底层的晶体管的栅极，另一端连接顶层的晶体管的漏极，提高了功率放大器的增益平坦度，改善了功率放大器的输入匹配特性。

附图说明

图1为本申请实施例的功率放大器的电路原理图；

图2为本申请实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的小信号增益仿真结果图；

图3为本申请实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的输入回波损耗仿真结果图；

图4为本申请实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的输出回波损耗仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种功率放大器，结合图1，特别是一种超宽带射频功率放大器，包括：输入匹配网络、偏置分压网络、负反馈网络和功率放大电路。

其中，所述功率放大电路包括堆叠式结构的晶体管，且顶层的晶体管的漏极与所述功率放大器的信号输出端连接，所述功率放大器的信号输入端连接所述功率放大电路中底层的晶体管的栅极。

所述堆叠式结构的晶体管为若干个晶体管纵向排列，且每个晶体管均采用0.25umgaasphemt工艺实现。本实施例以三个晶体管m1、m2和m3为例，并且相邻的上下两个晶体管的源极和漏极互连，其中顶层的晶体管m3的漏极朝上。

通过对功率放大电路中晶体管的限定能够提高所述功率放大电路的输出电压摆幅和输出负载阻抗，进而提高功率放大器的输出功率。通过选择每单元晶体管的尺寸以及串联的器件数目，能够优化输出阻抗使其全频带内接近50欧姆，无需再进行输出匹配网络的设计，避免输出匹配网络带来的功率和面积损耗。

所述负反馈网络的一端连接底层的晶体管m1的栅极，所述负反馈网络的另一端连接顶层的晶体管m3的漏极。

采用负反馈网络，并将所述负反馈网络的一端连接底层的晶体管m1的栅极，另一端连接顶层的晶体管m3的漏极，能够提高功率放大器的增益平坦度，改善功率放大器的输入匹配特性。

在一种可选的实施例中，所述底层的晶体管m1上方的晶体管的源极和漏极之间均连接有补偿电容c3和c4。

所述补偿电容c3和c4的设置能够平衡晶体管m1、m2和m3堆栈结构的高频栅极泄漏，从而保证功率放大电路在高频时也可以正常工作。其中晶体管m1、m2和m3均选择16指单指栅宽150um的尺寸，保证总输出阻抗在全频带内接近50欧姆。

在一种可选的实施例中，所述顶层的晶体管m3的漏极通过隔直电容cout与所述信号输出端rfout连接，所述底层的晶体管m1的源极接地。

经过功率放大电路被放大的射频信号可以直接通过隔直电容cout输出，无需再进行输出匹配网络的设计，节省了功率放大器的设计面积，并最终输出0.1ghz-7ghz超宽带高增益平坦度的射频信号。

在一种可选的实施例中，所述负反馈网络包括：第六电阻器r6和第七电容器c7。

其中，所述第六电阻器r6与第七电容器c7串联，第六电阻器r6的另一端与底层的晶体管m1的栅极连接，所述第七电容器c7的另一端与顶层的晶体管m3的漏极连接。

将所述第六电阻器r6与第七电容器c7串联使得越接近谐振频率的交流信号越容易通过负反馈网络，并使功率放大器的闭环增益趋于稳定，消除了开环增益的影响；第六电阻器r6与第七电容器c7同时还影响功率放大器的输入阻抗，通过选取适当的电阻和电容值，能够改善功率放大器的输入阻抗匹配，提高功率放大器的增益平坦度。

在一种可选的实施例中，还包括：输入匹配网络，以实现良好的输入阻抗匹配并改善电路的稳定性。所述输入匹配网络包括：并联子网络、低通滤波子网络和串联子网络。

其中所述并联子网络的输入端与信号输入端连接，所述并联子网络的输出端与所述低通滤波子网络的输入端连接，所述低通滤波子网络的输出端与串联子网络的输入端和底层的晶体管的栅极连接。

所述输入匹配网络通过并联子网络、低通滤波子网络和串联子网络的结合,改善了电路的输入匹配，增加了电路的稳定性和可靠性。

在一种可选的实施例中，所述并联子网络包括：第一电阻器r1和第一电容器c1，所述第一电阻器r1和第一电容器c2并联连接。通过在底层的晶体管m1的栅极输入端引入所述并联子网络作为有耗元件，增加了电路的稳定性和可靠性。

所述低通滤波子网络包括：第一电感器l1和第二电容器c2，所述第一电感器l1的一端与所述第二电容器c2的一端连接，并作为所述低通滤波子网络的输入端，所述第一电感器l1的另一端作为所述低通滤波子网络的输出端，所述第二电容器c2接地。所述低通滤波子网络通过提供输入阻抗匹配，改善了功率放大器的输入匹配特性。

所述串联子网络包括第二电阻器r2和第二电感器l2，所述第二电阻器r2的一端作为所述串联子网络的输入端并与底层的晶体管的栅极连接，所述第二电阻器r2的另一端与所述第二电感器l2的一端连接，所述第二电感器l2的另一端接地。所述串联子网络能够在输入低频信号的过程中将部分低频信号泄露出去，而不会对高频信号有影响，从而补偿了晶体管增益随频率增大而滚降的趋势，达到平坦的效果。

在一种可选的实施例中，所述堆叠式结构的晶体管纵向排列，且相邻的所述晶体管中一晶体管的源极与另一晶体管的漏极互连；底层的晶体管的栅极通过第三电感器与所述第一电源端连接；顶层的晶体管的漏极通过第四电感器与所述第二电源端连接。

其中，第一电源为栅压电源vgs；第二电源为漏压电源vdd；根据堆叠晶体管的个数和源漏极之间的额定工作电压设置漏压电源vdd的大小，当堆叠n个晶体管时，漏压电源vdd的电压为单个晶体管源漏额定工作电压的n倍；根据堆叠晶体管的个数和单个晶体管的输出阻抗设置晶体管的尺寸，当堆叠n个晶体管时，总输出阻抗为单个晶体管输出阻抗的n倍。具体的，由于晶体管的个数为3，且源漏极之间的额定工作电压为4v，所以设置漏压电源vdd的电压大小为12v。然后，射频信号经过源漏相连堆叠起来的晶体管m1、m2、m3被放大，其最终增益等于单个晶体管的增益的4倍。

通过堆叠晶体管的个数和每个晶体管的尺寸的选择，使总输出阻抗在全频带内接近50欧姆。

在一种可选的实施例中，所述偏置分压网络包括若干个串联的分压电阻器，以形成若干个电阻分压节点。所述串联的分压电阻器的一端与顶层的晶体管的漏极连接，所述串联的分压电阻器的另一端接地；在底层的晶体管的上方的所述晶体管的栅极均单独连接一个电阻分压节点。

在一种可选的实施例中，在底层的晶体管的上方的所述晶体管的栅极与对应的电阻分压节点均共接级间匹配电容，所述级间匹配电容的一端接地。

由于在一实施例中以三个晶体管m1、m2和m3为例，因此在本实施例中所述分压电阻器的数量为三个，包括：分压电阻器r3、r4和r5。其中，分压电阻器r5的一端与顶层的晶体管c4的漏极连接；分压电阻器r5的另一端与晶体管m3的栅极、级间匹配电容c6的一端、分压电阻器r4的一端连接；分压电阻器r4的另一端与晶体管m2的栅端、级间匹配电容c5的一端、分压电阻器r3的一端连接；分压电阻器r3的另一端接地。分压电阻器r3、r4和r5通过将漏压电源vdd的电压进行分配，使加到所述功率放大电路的每一个晶体管的栅源电压都相等，进而使每个晶体管都工作在饱和状态。

级间匹配电容c5、c6的设置能够保证功率从晶体管m1尽可能无损的传输到上面的晶体管m2和m3中，以此获得最大的输出功率。

以上实施例中的超宽带射频功率放大器的s参数曲线仿真结果如图2、3和4所示，其中图2为本申请一实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的小信号增益仿真结果图；图3为本申请一实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的输入回波损耗仿真结果图；图4为本申请一实施例的功率放大器与未加负反馈网络和补偿电容的传统功率放大器的输出回波损耗仿真结果图。在图2、3和4中，本发明的超宽带射频功率放大器与未使用补偿电容和负反馈网络的传统功率放大器两种结构都满足了稳定性的要求，达到比较合理的设计。从图2中的仿真结果来看，相比传统的功率放大器，本发明的超宽带射频功率放大器在保证良好的输出匹配和反向隔离度的情况下，将超宽带功率放大器的工作带宽从0.06ghz-4ghz拓展到0.06ghz-7ghz，增益信号db(s(2,1))高达23db，增益平坦度从0.1ghz-4ghz内的3db的带内波动减小到0.1ghz-7ghz内的1db的带内波动。从图3和图4的仿真结果来看，本发明的超宽带射频功率放大器的输入回波损耗db(s(1,1))在接近全频带内小于-10db，输出回波损耗db(s(2,2))在全频带内也绝大部分低于传统的功率放大器，说明本发明的超宽带射频功率放大器能较好地改善输入输出匹配特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。