CN101888213A - 线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，包括输入匹配网络、输出匹配网络以及功率放大电路，功率放大电路包括与输入匹配网络相连的第一级放大电路和连接在第一级放大电路和输出匹配网络之间的第二级放大电路，第二级放大电路为由第二共集电极放大管和第二共发射极放大管组成的NPN-NPN推挽放大电路。输出匹配网络为输出滤波匹配网络，其包括从第二级放大电路的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络、从第二级放大电路的输出端到隔直电容之间连接的三次谐波并联谐振网络、以及连接在三次谐波并联谐振网络和功率放大器输出端之间的隔直电容。本发明提高了射频功率放大器功率附加效率，改善了射频功率放大器线性度。

Description

线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器

技术领域

本发明涉及一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器。

背景技术

射频功率放大器广泛应用于当今很多领域，如：无线射频通信；无线和有线电视广播；电缆和其它有线传输系统；光学驱动放大器；音频系统；雷达等。射频功率放大器位于发射机的后端，用于放大射频信号并达到一定的输出功率。由于功率放大器会消耗很大的直流功率，因此功率附加效率是功率放大器设计时首先要考虑的重要指标。若信号波形的包络含有信息，功率放大器就应不失真地放大信号，因此功率放大器的线性度也是重要指标。所以提高电路的功率附加效率和改善其线性度成为设计射频功率放大器电路的关键所在。

推挽(Push-Pull)结构即使用两个共源共栅(共集共射)的管子，使之都工作在同样的放大状态，但一个在正半周工作，另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都加到负载上，从而在负载上得到一个完整的波形，这样就很好地兼顾到射频功率放大器电路的功率附加效率与线性度。传统的推挽结构是用NPN型和PNP型两个三极管连接而成，一来此种结构受到HBT工艺限制；二来NPN和PNP两种功率管的放大倍数和工作速度都有很大的差异，所以传统推挽结构的两个输出端波形不能完全对称。

发明内容

本发明目的是：提供一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其解决了传统NPN-PNP互补HBT推挽结构功率放大器在工艺上难实现以及输出波形不完全对称的问题；并提高了射频电路功率附加效率，改善了射频电路线性度。

本发明的技术方案是：一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，包括与功率放大器输入端连接的输入匹配网络、与功率放大器输出端连接的输出匹配网络以及连接在输入匹配网络和输出匹配网络之间的功率放大电路，所述功率放大电路包括与输入匹配网络相连的第一级放大电路和连接在第一级放大电路和输出匹配网络之间的第二级放大电路，所述第二级放大电路为由第二共集电极放大管和第二共发射极放大管组成的NPN-NPN推挽放大电路。该推挽放大电路偏置在深AB类状态，有很好的功率附加效率，并且推挽结构输出信号的线性度也很好。所述输出匹配网络为输出滤波匹配网络，其包括从第二级放大电路的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络、从第二级放大电路的输出端到隔直电容之间连接的三次谐波并联谐振网络、以及连接在三次谐波并联谐振网络和功率放大器输出端之间的隔直电容。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述第一级放大电路包括主要由第一共发射极放大管构成的第一级上支路和主要由第一共集电极放大管构成的第一级下支路；所述第一共发射极放大管的输入端与输入匹配网络的输出端连接、输出端与第二共集电极放大管的基极连接；所述第一共集电极放大管的输入端与输入匹配网络的输出端连接、输出端与第二共发射极放大管的基极连接；所述第二共集电极放大管的发射极和第二共发射极放大管的集电极与所述输出匹配网络的输入端连接。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述二次谐波串联谐振网络包括从第二级放大电路的输出端到地之间串联的第一电感和第一电容。将推挽放大电路输出的二次谐波信号短路到地。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述三次谐波并联谐振网络包括从第二级放大电路的输出端到隔直电容之间并联的第二电感和第二电容。将推挽放大电路输出的三次谐波信号反射回推挽放大电路的输出端，与基频信号相叠加。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述第一级放大电路的输入端与第二级放大电路的输出端之间连接有反馈电阻。实现了电路的电压并联负反馈，降低电路增益，提高电路的稳定度。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述输出匹配网络的输出端与所述第一级放大电路的输入端之间还连接有直流偏置电路。使得第一级的上下支路偏置在需要状态。

进一步的，在上述射频功率放大器中，所述输入匹配网络的输出端与所述第一级放大电路的输入端之间还连接有保护电路。以保护后面的两级放大电路，防止输入信号过大造成工作管击穿，保护支路只在输入功率超过设定值的情况下才会开启，提供一个导通向地的通道，保证大功率不进入后级电路损坏管子。

本发明的优点是：

1.本发明实现了NPN-NPN型HBT推挽电路结构，使得HBT推挽结构在功率放大器中得以实现。

2.本发明将NPN-NPN型HBT推挽电路结构作为功率放大器的输出级，能很好地提高电路的功率附加效率，改善电路的线性度。

3.本发明在推挽结构输出端依次加入二次谐波串联谐振网络和三次谐波并联谐振网络，实现高线性度、高功率附加效率射频功率放大器电路。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的第一级放大电路图；

图2为本发明NPN-NPN型HBT推挽式功率放大器作为输出级的实施例图；

图3为本发明的输出匹配网络；

图4为本发明保护电路的结构示意图。

其中：1输入匹配网络；2直流偏置电路；3第一级放大电路；4第二级放大电路；5输出匹配网络；6保护电路；Q1第二共集电极放大管；Q2第二共发射极放大管；Q3第一共发射极放大管；Q4第一共集电极放大管；Q5晶体管；L1第一电感；L2第二电感；C隔直电容；C1第一电容；C2第二电容；R1电阻；R2电阻；R4反馈电阻。

具体实施方式

实施例：如图1至图3所示，一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，包括与功率放大器输入端连接的输入匹配网络1、与功率放大器输出端连接的输出匹配网络5以及连接在输入匹配网络1和输出匹配网络5之间的功率放大电路，所述功率放大电路包括与输入匹配网络1相连的第一级放大电路3和连接在第一级放大电路3和输出匹配网络5之间的第二级放大电路4，所述第二级放大电路4为由第二共集电极放大管Q1和第二共发射极放大管Q2组成的NPN-NPN推挽放大电路，所述输出匹配网络5包括从第二级放大电路4的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络、从第二级放大电路4的输出端到隔直电容之间连接的三次谐波并联谐振网络、以及连接在三次谐波并联谐振网络和功率放大器输出端之间的隔直电容C。

所述第一级放大电路3的输入端与第二级放大电路4的输出端之间连接有反馈电阻R4。

所述输出匹配网络1的输出端与所述第一级放大电路3的输入端之间还连接有直流偏置电路2。

所述输出匹配网络1的输出端与所述第一级放大电路3的输入端之间还连接有保护电路6。所述保护电路6由晶体管Q5和电阻R1、R2构成，如图4所示，防止输入信号过大造成工作管击穿。一般情况下，晶体管Q5停止工作，但当芯片处于高温状态或输入过载时，晶体管Q5导通，第一共集电极放大管Q4关闭，大电流通过保护电路的输入端经晶体管Q5接到地，对功率放大器起到很好地保护作用。

图1所示为本发明实施例的第一级放大电路3，包括主要由第一共发射极放大管Q3构成的第一级上支路和主要由第一共集电极放大管Q4构成的第一级下支路；第一共发射极放大管Q3和第一共集电极放大管Q4偏置在A类或者浅AB类，这样保证了第一级放大电路有很好的线性度。上下支路共用一个直流偏置电路2和一个保护电路6。当输入端输入一正弦信号V_in，正弦信号处于负半周时，第一共发射极放大管Q3驱动负载，第一共集电极放大管Q4关断。当正弦波处于正半周时，第一共集电极放大管Q4驱动负载，第一共发射极放大管Q3关断。由上可见，在图1的301，302端口输出完全对称的正弦波形。

输入信号RFIN通过输入匹配网络1到达第一共发射极放大管Q3和第一共集电极放大管Q4的基极，同时保护电路6和直流偏置电路2并联接在第一共发射极放大管Q3和第一共集电极放大管Q4的基极，第一级放大器3的两个输出端口301和302分别与第二级放大器4的第二共集电极放大管Q1和第二共发射极放大管Q2的基极相连，第二共集电极放大管Q1的集电极与电源端Vcc相连，发射极连接第二共发射极放大管Q2的集电极，第二共发射极放大管Q2发射极接地。第二共集电极放大管Q1的发射极501端接反馈电阻R4将信号到达第一级的输入端口303，端口501同时还连接输出匹配网络5。

所述输出匹配网络5由第一电感L1、第一电容C1组成的二次谐波串联谐振网络与第二电感L2、第二电容C2组成的三次谐波并联谐振网络构成。其中第一电感L1连接端口501，第一电容C1一端与第一电感L1相连，一端接地；由第二电感L2和第二电容C2并联组成的三次谐波并联谐振网络一端与端口501相连，另一端接隔直电容C，信号通过隔直电容后到达输出端口502。

图3所示为本发明的输出匹配网络，第二级放大电路的输出端501所接二次谐波谐振网络由第一电感L1与第一电容C1串联组成，调节第一电容C1与第一电感L1的值使第一电感L1与第一电容C1在2f₀(基频为f₀)频率点发生串联谐振，此时该串联支路上的电抗值相当于零，将二次谐波分量直接短路到地。提高了流过该支路的二次谐波电流幅度，极大地减小了集电极二次谐波电压幅度。该谐振网络滤除了二次谐波对功率放大器输出信号的影响，降低了端口501所产生的二次谐波分量，提高了功率放大器的线性度及功率附加效率。

第二级放大电路的输出端口501又接三次谐波并联谐振网络，此网络由第二电感L2与第二电容C2并联组成。调节第二电感L2与第二电容C2的值，使该三次谐波并联谐振网络谐振在3f₀频率点，由于该网络对三次谐波近似断路，其将端口501输出的三次谐波分量反射回端口501与基波信号同相叠加。

第二级放大电路的输出端口501输出信号经过二次谐波过滤和三次谐波叠加后输出的电压与电流幅度增加，则到达功率放大电路输出端502的基波信号更完整更大，很好地提高了射频电路功率附加效率及线性度。

Claims (7)

1.一种线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，包括与功率放大器输入端连接的输入匹配网络(1)、与功率放大器输出端连接的输出匹配网络(5)以及连接在输入匹配网络(1)和输出匹配网络(5)之间的功率放大电路，所述功率放大电路包括与输入匹配网络(1)相连的第一级放大电路(3)和连接在第一级放大电路(3)和输出匹配网络(5)之间的第二级放大电路(4)，其特征在于：所述第二级放大电路(4)为由第二共集电极放大管(Q1)和第二共发射极放大管(Q2)组成的NPN-NPN推挽放大电路，所述输出匹配网络(5)包括从第二级放大电路(4)的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络、从第二级放大电路(4)的输出端到隔直电容输入端之间连接的三次谐波并联谐振网络、以及连接在三次谐波并联谐振网络和功率放大器输出端之间的隔直电容(C)。

2.根据权利要求1所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述第一级放大电路(3)包括主要由第一共发射极放大管(Q3)构成的第一级上支路和主要由第一共集电极放大管(Q4)构成的第一级下支路；所述第一共发射极放大管(Q3)的输入端与输入匹配网络(1)的输出端连接、输出端与第二共集电极放大管(Q1)的基极连接；所述第一共集电极放大管(Q4)的输入端与输入匹配网络(1)的输出端连接、输出端与第二共发射极放大管(Q2)的基极连接；所述第二共集电极放大管(Q1)的发射极和第二共发射极放大管(Q2)的集电极与所述输出匹配网络(5)的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述二次谐波串联谐振网络包括从第二级放大电路(4)的输出端到地之间串联的第一电感(L1)和第一电容(C1)。

4.根据权利要求2所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述三次谐波并联谐振网络包括从第二级放大电路(4)的输出端到隔直电容(C)之间并联的第二电感(L2)和第二电容(C2)。

5.根据权利要求2所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述第一级放大电路(3)的输入端与第二级放大电路(4)的输出端之间连接有反馈电阻(R4)。

6.根据权利要求1所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述输出匹配网络(1)的输出端与所述第一级放大电路(3)的输入端之间还连接有直流偏置电路(2)。

7.根据权利要求1所述的线性度和效率提高的推挽式射频功率放大器，其特征在于：所述输出匹配网络(1)的输出端与所述第一级放大电路(3)的输入端之间还连接有保护电路(6)。

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