阅读说明：本技术 一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器 (Broadband high-linearity driving amplifier with flat gain ) 是由 马凯学 孙春赢 傅海鹏 陆敏 刘新阳 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器,由两级混合型匹配的放大器采用单端-单端变压器进行级间匹配连接形成；其中,放大器均为带有退化电感的共发射极结构,该放大器的输入与输出均采用LC匹配网络。本发明的宽带高线性放大器,采用变压器级间匹配与输入输出LC匹配的混合匹配方式增加了通信系统带宽,使放大器工作频率完全覆盖目标频率,从而达到高数据传输速率的增益效果；每级放大器均采用发射极退化电感的方式进行线性度增强,退化电感能够对放大器提供负反馈,进而增加整体线性度,这对通信系统信号传输误码率有着很大的提高。(The invention discloses a broadband high-linearity driving amplifier with flat gain, which is formed by performing interstage matching connection on a two-stage mixed matching amplifier by adopting a single-end-single-end transformer; the amplifier is a common emitter structure with a degeneration inductor, and the input and the output of the amplifier adopt LC matching networks. According to the broadband high-linearity amplifier, the mixed matching mode of transformer interstage matching and input and output LC matching is adopted to increase the bandwidth of a communication system, so that the working frequency of the amplifier completely covers the target frequency, and the gain effect of high data transmission rate is achieved; each stage of amplifier adopts an emitter degeneration inductance mode to enhance linearity, and the degeneration inductance can provide negative feedback for the amplifier so as to increase the overall linearity, thereby greatly improving the signal transmission error rate of a communication system.)

一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器

技术领域

本发明涉及驱动放大器技术领域，特别是涉及一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器。

背景技术

第五代移动通信技术(5G)发展越来越迅速。根据2017年12月发布的V15.0.0版TS38.104规范，5G NR的频率范围分别定义为不同的FR：FR1与FR2。频率范围FR1即通常所讲的5G Sub-6GHz频段，频率范围FR2则是5G毫米波频段。2020年后，5G Sub-6G逐步商用，导致6GHz一下频段变得十分拥挤，因此FR2频段受到人们广泛关注。由于5G毫米波频段的宽带特性，通信数据传输速率更快，信号使用调制方式更为复杂，因此需要系统线性度与带宽要足够满足通信系统要求。

5G通信系统中，驱动放大器扮演着非常重要的角色。其难点在于在一个紧凑的面积内做到在一个较宽的带宽内实现平坦增益，并同时保证较高的线性度。目前在毫米波频段放大器主要面临的问题有两个：第一，由于寄生电容的存在，放大器的带宽得到了很大的限制。诸多设计利用分布式的方法将寄生电容分割开来以此增加放大器的带宽，但是付出的代价是超大的版图面积与超低的效率。第二，毫米波频段的高复杂度调制要求放大器拥有较高的线性度，目前认为Class A放大器的线性度最佳，但是效率低，Class B放大器效率高，但是产生诸多谐波降低了放大器的线性度。

综上所述，为了克服放大器平坦宽带与线性度要求的问题，迫切需要设计一款宽带平坦增益且拥有高线性度的功率放大器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器，旨在解决5G通信系统中宽带平坦增益与高线性度要求等问题，实现高性能5G通信系统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种增益平坦的宽带高线性驱动放大器，由两级混合型匹配的放大器采用单端-单端变压器进行级间匹配连接形成；其中，放大器均为带有退化电感的共发射极结构，该放大器的输入与输出均采用LC匹配网络。

作为一个优选的技术方案，所述放大器为晶体管；放大器的集电极各自接一个退化电感后接地，前LC匹配网络的一端接前级放大器的集电极、另一端与单端-单端变压器的主线圈的一端连接，单端-单端变压器主线圈的另一端接电压VCC；后LC匹配网络的一端与单端-单端变压器的次级线圈的一端连接、另一端与后级放大器的基极连接，单端-单端变压器的次级线圈的另一端接偏置电流；前级放大器的基极作为信号输入端，后级放大器的集电极作为信号输出端。

作为一个优选的技术方案，前级放大器的基极接前级寄生电容C3并通过一个电感L3接引入的偏置电流，电感L3一端接在前级寄生电容C3与前级放大器的基极之间，前级寄生电容C3的另一端接输入信号；

后级放大器的集电极通过一个电感L4接电压VCC,并与后级寄生电容C4的另一端相接，后级寄生电容C4的另一端输出信号。

本发明的，为增加放大器整体平坦带宽，采用弱耦合变压器宽带匹配与错峰匹配技术设计；在毫米波频段，寄生电容的出现大大限制了放大器的带宽，本发明在单端放大电路中引入了变压器进行级间匹配。变压器的出现将前级晶体管Q1的集电极电容C1与后级晶体管Q2的基极电容C2分割开，以增大系统带宽，且前端寄生电容C3可与变压器主线圈(图1中左侧线圈)产生谐振峰，后级放大器寄生电容C4与变压器次级线圈(图1中右侧线圈)产生谐振峰，进一步增加系统带宽。

其中，放大器的偏置网络(bias circuit)还可融入到变压器中，从而减轻电路复杂度。通过调谐两级放大器的峰值，使其峰值叠加形成宽带效果。考虑到晶体管输出要求不高，因此输出匹配应尽量减小匹配网络的插入损耗，通过对比验证，发现输出匹配使用二阶LC匹配即可满足带宽要求。

通过在驱动级与功率级添加退化电感的方式，实现放大器整体线性度的提升。在晶体管的发射极添加退化电感会对放大器的AM-AM/PM失真有所优化。但线性度对退化电感有一定的敏感度，当退化电感的值增加到一定值后，线性度改善变得不再明显，但是放大器的增益下降会变严重，因此需要对两级放大器的退化电感进行全方面分析并选取。

放大器的匹配采用变压器匹配与LC混合匹配的方式增加系统带宽，并将一二级放大器的增益峰值设置在不同频率以此拓展带宽。在每级放大器的发射极引入一个退化电感(L1，L2)，通过调节两级电感的取值，可以保证放大器增益的前提下提升放大器的线性度。

本发明的宽带高线性放大器，采用变压器级间匹配与输入输出LC匹配的混合匹配方式增加了通信系统带宽，使放大器工作频率完全覆盖目标频率，从而达到高数据传输速率的增益效果。

本发明的宽带高线性放大器，每级放大器均采用发射极退化电感的方式进行线性度增强，退化电感能够对放大器提供负反馈，进而增加整体线性度，这对通信系统信号传输误码率有着很大的提高。

附图说明

图1为本发明实施例的增益平坦的宽带高线性驱动放大器结构示意图；

图2为本发明实施例的退化电感对线性度作用效果图；

图3-图4为退化电感对单级放大器线性度的影响效果图

图5-图6为驱动级退化电感对放大器线性度的影响效果图；

图7-图8为功率级退化电感对放大器的影响效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的增益平坦的宽带高线性驱动放大器，采用两级混合型匹配的放大器。放大器的两级均为带有退化电感的共发射极结构。该放大器的输入与输出均采用LC匹配网络，级间匹配采用单端-单端变压器结构。

如图1所示，本发明实施例的增益平坦的宽带高线性驱动放大器，由两级混合型匹配的放大器采用单端-单端变压器进行级间匹配连接形成；其中，放大器均为带有退化电感的共发射极结构，该放大器的输入与输出均采用LC匹配网络，其中，优选的，所述放大器为晶体管(Q1，Q2)；放大器的集电极各自接一个退化电感(L1，L2)后接地，前LC匹配网络的一端接前级放大器的集电极、另一端与单端-单端变压器的主线圈的一端连接，单端-单端变压器主线圈的另一端接电压VCC；后LC匹配网络的一端与单端-单端变压器的次级线圈的一端连接、另一端与后级放大器的基极连接，单端-单端变压器的次级线圈的另一端接偏置电流；前级放大器的基极作为信号输入端，后级放大器的集电极作为信号输出端，其中，前级放大器的基极接前级寄生电容C3并通过一个电感L3接引入的偏置电流，电感L3一端接在前级寄生电容C3与前级放大器的基极之间，前级寄生电容C3的另一端接输入信号；后级放大器的集电极通过一个电感L4接电压VCC,并与后级寄生电容C4的另一端相接，后级寄生电容C4的另一端输出信号。

本发明对放大器级间匹配使用了变压器宽带匹配，而且将放大器两级的增益峰值匹配于不同频率下，这样两级放大器的级联可以使不同频率下的增益相互叠加，从而形成宽带平坦增益，如图2所示。

图3-图8说明了退化电感对单级放大器线性度的影响。由于引入了退化电感放大器的AM_AM/PM失真得到了显著的改善。图2为退化电感对放大器线性度的影响。图3显示，随着退化电感感知的增加，AM_AM失真有显著改善，且有一个显著改善到平稳的变化的过程。图4为退化电感对AM_PM的影响。随着退化电感感值的增加，AM_PM失真会越来越平坦，而且在接近饱和输出功率的区域的线性度也越来越好。但是引入退化电感的缺点是放大器的增益逐渐降低。因此选择40p电感作为最优退化电感。

其次，对两级放大器中驱动级与功率级线性度对放大器整体线性度的影响分析。

图5-图6展示了驱动级退化电感对放大器线性度的影响，退化电感的增加对放大器整体AM_AM失真有有益影响，但是影响较小。退化电感增加对放大器整体的AM_PM失真影响较大，首先随着电感增加对AM_PM失真有较大改善，但是再逐渐增大驱动级退化电感，AM_PM失真出现了恶化。再看驱动级退化电感对放大器P1dB与PAE的影响，发现驱动级的退化电感对两者影响较小，因此对驱动级退化电感进行折中选择。

图7-图8展示了功率级退化电感对放大器的影响。图7显示，功率级退化电感对于放大器整体的AM_AM失真并没有改善，它仅仅对整体的AM_PM失真有帮助，且随着功率级退化电感的增加，放大器整体线性度先有所改善，但随着功率级电感再增加，放大器的AM_PM失真就会恶化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。