CN115940832A - 一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，通过在氮化镓Doherty功率放大器的前级增加一线性化前级驱动电路，以改善Doherty功率放大器的线性度；其中，线性化前级驱动电路包括有源偏置电路和驱动放大器，驱动放大器与氮化镓Doherty功率放大器连接；有源偏置电路设置于驱动放大器的前级，用于稳定驱动放大器的栅极电压，以使驱动放大器的工作状态偏置在弱C类。相比于传统的数字预失真技术，本发明的电路更加简单，且不需要高采样率的FPGA；相比于传统的模拟预失真技术，本发明不但能够明显提高氮化镓Doherty功放的线性度，还能提供额外的增益。

Description

一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种氮化镓Doherty功率放大器的线性化前级驱动电路。

背景技术

对于当今的无线通信系统来说，发射机中的功率放大器至关重要。在5G时代，氮化镓器件由于具有高功率密度和高效率特性而被广泛使用，然而相比于其他器件工艺，氮化镓器件的增益随着输出功率的增加缓慢下降，表现出很强的软压缩特性，如图1所示。

为了保证通信系统的频谱利用率，现代通信采用的高阶数字调制调信号有着很高的峰均比，这对功放回退效率提出了很高要求，业界普遍采用Doherty功率放大器(DohertyPower Amplifier，DPA，简称Doherty功放)来解决这一问题。受氮化镓器件软压缩特性的影响，使用氮化镓器件设计的Doherty功放相比于其它半导体工艺具有更差的线性度，其主要表现为功放的AM/AM特性和AM/PM特性随输出功率的增加而偏移，这会使星座图失真，降低信号传输质量。

为了改善氮化镓Doherty功放线性度，业界主要采用预失真的方法。预失真方法包括数字预失真(Digital Pre-Distortional，DPD)和模拟预失真(Analog Pre-Distortional，APD)，如图2所示，其中，(a)图为数字预失真，(b)图为模拟预失真。数字预失真使用FPGA在基带作信号处理，线性化效果较好，但电路结构复杂且对FPGA采样率提出了较高要求。模拟预失真电路结构简单但效果较差，且其插入损耗会降低增益。随着通信技术的发展，通信频率越来越高，尤其是在毫米波段，传统的数字或模拟预失真线性化方法表现出越来越多的短板，因此有必要找到一种新型的线性化方法来满足氮化镓Doherty的应用需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，通过在所述氮化镓Doherty功率放大器的前级增加一线性化前级驱动电路，以改善Doherty功率放大器的线性度；其中，所述线性化前级驱动电路包括有源偏置电路和驱动放大器，

所述驱动放大器与所述氮化镓Doherty功率放大器连接；

所述有源偏置电路设置于所述驱动放大器的前级，用于稳定所述驱动放大器的栅极电压，以使所述驱动放大器的工作状态偏置在弱C类。

在本发明的一个实施例中，所述有源偏置电路包括第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻以及第一晶体管；其中，

所述第五电阻和所述第一电容串联在所述第一晶体管的栅极和地之间；

所述第四电阻的一端连接控制电压V_Contral端，另一端连接所述第一晶体管的栅极；

所述第一电阻的一端连接所述第一晶体管的漏极，另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第一晶体管的源极，另一端连接控制电压V_Contral端；

所述第三电阻的一端连接所述第一晶体管的源极，另一端接地；

所述第一晶体管的漏极还作为所述有源偏置电路的输出端连接所述驱动放大器的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述驱动放大器包括第一电感、第二电感第二晶体管、输入匹配电路以及级间匹配电路；其中，

所述第一电感的一端连接所述第二晶体管的栅极，用于偏置；

所述第一电感的另一端作为所述驱动放大器的输入端连接所述有源偏置电路的输出端；

所述第二电感的一端连接电源电压Vdd端，另一端连接所述第二晶体管的漏极；

所述第二晶体管的源极接地；

所述输入匹配电路的输入端接入射频信号，输出端连接至所述第二晶体管的栅极；

所述级间匹配电路的输入端连接至所述第二晶体管的漏极，输入端作为所述驱动放大器的输出端连接氮化镓Doherty功率放大器。

在本发明的一个实施例中，所述驱动放大器中第二晶体管的栅压V_g满足：

其中，R₁、R₂、R₃分别表示第一电阻、第二电阻以及第三电阻的阻值，V_Contral表示控制电压的值，g_m表示第一晶体管的跨导。

本发明的有益效果：

1、本发明通过使用有源偏置电路将线性化前级驱动放大器偏置在弱C类，利用弱C类偏置的增益膨胀特性来抵消氮化镓Doherty功放的增益压缩特性，消除了氮化镓固有的软压缩缺点，改善了氮化镓Doherty功放整体的AM/AM和AM/PM特性；相比于传统的数字预失真技术，本发明的电路更加简单，且不需要高采样率的FPGA；相比于传统的模拟预失真技术，本发明不但能够明显提高氮化镓Doherty功放的线性度，还能提供额外的增益；

2、本发明使用的有源偏置电路可以稳定驱动放大器的栅极电压，减小工艺波动和温度的影响，有利于驱动放大器在长期使用中维持在稳定的偏置状态。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有氮化镓HEMT与其它工艺的归一化增益曲线图；

图2是传统的预失真线性化方法图，其中，(a)为数字预失真，(b)为模拟预失真；

图3是本发明提供的应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法的框架图；

图4是本发明采用的前级驱动、Doherty功放与总体增益曲线图；

图5是本发明实施例提供的氮化镓转移特性与亚阈值特性曲线图；

图6是本发明实施例提供的线性化前级驱动电路的详细结构图；

图7是本发明实施例提供的控制电压V_Contral与晶体管Q2栅极电压Vg关系的仿真结果图；

图8是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放增益对比图；

图9是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放AM/AM特性对比图；

图10是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放AM/PM特性对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本实施例提供了一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，如图3，图3是本发明提供的应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法的框架图，其通过在氮化镓Doherty功率放大器的前级增加一线性化前级驱动电路，以改善Doherty功率放大器的线性度，解决了氮化镓Doherty功放的软压缩问题，改善了氮化镓Doherty功放的AM/AM特性和AM/PM特性。

进一步的，线性化前级驱动电路包括有源偏置电路1和驱动放大器2，其中，

驱动放大器2与氮化镓Doherty功率放大器连接；

有源偏置电路1设置于驱动放大器2的前级，用于稳定驱动放大器2的栅极电压，以使驱动放大器2的工作状态偏置在弱C类。

一方面，本实施例使用了有源偏置电路将线性化前级驱动偏置在弱C类，由于弱C类偏置的前级驱动增益曲线具有轻微的增益膨胀特性，其产生的增益膨胀与氮化镓Doherty功放的增益压缩曲线产生互补，使得总增益曲线更加平坦，如图4所示。这消除了氮化镓的软压缩特性，因此AM/AM特性和AM/PM特性会得到改善。另一方面，由于弱C类偏置位于器件的亚阈值区，如图5所示，器件的阈值电压受工艺波动和温度影响较大，而器件在工作过程中往往会产生很多热量，因此这种偏置状态对器件栅极电压敏感，本实施例采用的有源偏置还可以稳定驱动放大器的栅极电压，减小工艺波动和温度的影响，有利于驱动放大器在长期使用中维持在稳定的偏置状态。

具体的，请参见图6，图6是本发明实施例提供的线性化前级驱动电路的详细结构图，其中，

有源偏置电路1包括第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第一晶体管Q1；其中，

第五电阻R5和第一电容C1串联在第一晶体管Q1的栅极和地之间；

第四电阻R4的一端连接控制电压V_Contral端，另一端连接第一晶体管Q1的栅极；

第一电阻R1的一端连接第一晶体管Q1的漏极，另一端接地；

第二电阻R2的一端连接第一晶体管Q1的源极，另一端连接控制电压V_Contral端；

第三电阻R3的一端连接第一晶体管Q1的源极，另一端接地；

第一晶体管Q1的漏极还作为有源偏置电路1的输出端连接驱动放大器2的输入端。

进一步的，请继续参见图6，其中，驱动放大器2包括第一电感L1、第二电感L2第二晶体管Q2、输入匹配电路M1(Input Matching)以及级间匹配电路M2(InterstageMatching)；其中，

第一电感L1的一端连接第二晶体管Q2的栅极，用于偏置；

第一电感L1的另一端作为驱动放大器2的输入端连接有源偏置电路1的输出端；

第二电感L2的一端连接电源电压Vdd端，另一端连接第二晶体管Q2的漏极；

第二晶体管Q2的源极接地；

输入匹配电路M1的输入端接入射频信号，输出端连接至第二晶体管Q2的栅极；

级间匹配电路M2的输入端连接至第二晶体管Q2的漏极，输入端作为驱动放大器2的输出端连接氮化镓Doherty功率放大器。

下面对本实施例的线性化前级驱动具体设计方案进行介绍：

1、根据功率需求选择合适的驱动放大晶体管，也即第二晶体管Q2，扫描其直流特性，选择偏置于弱C类状态的栅压Vg。

2、选择小尺寸晶体管，也即第一晶体管Q1，扫描其直流特性，记录第一晶体管Q1的阈值电压V_T和跨导G_m。

3、按照图6所示的有源偏置搭好电路结构，调整第五电阻R5和第一电容C1使其满足所需滤波特性，第四电阻R4推荐使用2000Ω的大电阻，选择需要的控制电压V_Contral，调整第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的数值，使第二晶体管Q2的栅压Vg满足所选择的弱C类偏置，其栅压所满足的近似公式为：

其中，R₁、R₂、R₃分别表示第一电阻(R1)、第二电阻(R2)以及第三电阻(R3)的阻值，V_Contral表示控制电压的值，g_m表示第一晶体管(Q1)的跨导。

4、对弱C类偏置下的第二晶体管Q2作负载牵引，找到合适的源阻抗与负载阻抗值。

5、根据找到的源阻抗值设计输入匹配电路M1，根据找到的负载阻抗值设计输出匹配电路M2，详细过程可参考现有相关技术，在此不做介绍。

6、将线性化前级驱动与氮化镓Doherty功放级联，仿真在所选偏置条件下整体的AM/AM和AM/PM特性，根据所得特性改变所选Vg，重复步骤1-6作迭代优化。

本实施例通过使用有源偏置电路将线性化前级驱动放大器偏置在弱C类，利用弱C类偏置的增益膨胀特性来抵消氮化镓Doherty功放的增益压缩特性，消除了氮化镓固有的软压缩缺点，改善了氮化镓Doherty功放整体的AM/AM和AM/PM特性；相比于传统的数字预失真技术，本发明的电路更加简单，且不需要高采样率的FPGA；相比于传统的模拟预失真技术，本发明不但能够明显提高氮化镓Doherty功放的线性度，还能提供额外的增益。

实施例二

下面以一个28GHz基于0.15um栅长氮化镓工艺的线性化前级驱动为例，同时添加常规前级驱动仿真结果作为对照组，将发明实施例中的技术方案作清晰完整的描述。

本实施例基于实施例一提供的线性化前级驱动电路实现，具体实施方案如下：

1、根据功率需求选择合适的驱动放大晶体管Q2栅宽为4*50um，扫描其直流特性，选择偏置于弱C类状态的栅压Vg＝-3.1V。

2、选择小尺寸晶体管Q1栅宽为2*20um。

3、按照图6所示的有源偏置搭好电路结构，调整R5和C1使其满足所需滤波特性，R4使用2000Ω的大电阻，选择需要的控制电压V_Contral，调整R1、R2和R3的数值，使晶体管Q2的栅压Vg＝-3.1V。选择L1和L2使其在28GHz处呈现高阻抗，各元件数值见下表1。

表1各元器件数值

R1(Ω)	R2(Ω)	R3(Ω)	R4(Ω)	R5(Ω)	C1(pF)	L1(nH)	L2(nH)
								240	130	1000	2000	10	4	1	1

4、对以上数值电路连接的晶体管Q2作负载牵引，找到合适的源阻抗与负载阻抗值。

5、根据找到的源阻抗值设计输入匹配网络，根据找到的负载阻抗值设计输出匹配网络。

6、将线性化前级驱动与氮化镓Doherty功放级联，仿真在所选偏置条件下整体的AM/AM和AM/PM特性，根据所得特性改变所选Vg，重复步骤1-6作迭代优化。

最后，对迭代优化后的功放作整体仿真，仿真结果参见图7-图10。其中，图7是本发明实施例提供的控制电压V_Contral与晶体管Q2栅极电压Vg关系的仿真结果图，从图7中可以看出，Vg稳定在-3.1V左右，几乎不随控制电压改变，这说明了有源偏置能够稳定栅压。

图8是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放增益对比图，从图8中可以看出，线性化前级驱动能够消软压缩特性，使增益在更大的输出功率范围内维持平坦。

图9是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放AM/AM特性对比图，从图9中可以看出，线性化前级驱动能够在更大的功率范围内维持AM/AM特性平坦，这意味着氮化镓Doherty功放的AM/AM特性得到极大程度的改善。

图10是使用常规前级驱动与本发明的线性化前级驱动的氮化镓Doherty功放AM/PM特性对比图，从图10中可以看出，线性化前级驱动对氮化镓Doherty功放的AM/PM特性有少量改善。

从以上仿真结果可以看出，利用本发明设计的线性化前级驱动电路能够以简单的实现方式解决氮化镓固有的软压缩问题，使氮化镓Doherty功放的AM/AM特性有明显的提升，AM/PM特性也有所改善。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，其特征在于，通过在所述氮化镓Doherty功率放大器的前级增加一线性化前级驱动电路，以改善Doherty功率放大器的线性度；其中，所述线性化前级驱动电路包括有源偏置电路(1)和驱动放大器(2)，

所述驱动放大器(2)与所述氮化镓Doherty功率放大器连接；

所述有源偏置电路(1)设置于所述驱动放大器(2)的前级，用于稳定所述驱动放大器(2)的栅极电压，以使所述驱动放大器(2)的工作状态偏置在弱C类。

2.根据权利要求1所述的应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，其特征在于，所述有源偏置电路(1)包括第一电容(C1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)以及第一晶体管(Q1)；其中，

所述第五电阻(R5)和所述第一电容(C1)串联在所述第一晶体管(Q1)的栅极和地之间；

所述第四电阻(R4)的一端连接控制电压V_Contral端，另一端连接所述第一晶体管(Q1)的栅极；

所述第一电阻(R1)的一端连接所述第一晶体管(Q1)的漏极，另一端接地；

所述第二电阻(R2)的一端连接所述第一晶体管(Q1)的源极，另一端连接控制电压V_Contral端；

所述第三电阻(R3)的一端连接所述第一晶体管(Q1)的源极，另一端接地；

所述第一晶体管(Q1)的漏极还作为所述有源偏置电路(1)的输出端连接所述驱动放大器(2)的输入端。

3.根据权利要求1所述的应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，其特征在于，所述驱动放大器(2)包括第一电感(L1)、第二电感(L2)第二晶体管(Q2)、输入匹配电路(M1)以及级间匹配电路(M2)；其中，

所述第一电感(L1)的一端连接所述第二晶体管(Q2)的栅极，用于偏置；

所述第一电感(L1)的另一端作为所述驱动放大器(2)的输入端连接所述有源偏置电路(1)的输出端；

所述第二电感(L2)的一端连接电源电压Vdd端，另一端连接所述第二晶体管(Q2)的漏极；

所述第二晶体管(Q2)的源极接地；

所述输入匹配电路(M1)的输入端接入射频信号，输出端连接至所述第二晶体管(Q2)的栅极；

所述级间匹配电路(M2)的输入端连接至所述第二晶体管(Q2)的漏极，输入端作为所述驱动放大器(2)的输出端连接氮化镓Doherty功率放大器。

4.根据权利要求3所述的应用于氮化镓Doherty功率放大器的线性化方法，其特征在于，所述驱动放大器(2)中第二晶体管(Q2)的栅压V_g满足：

其中，R₁、R₂、R₃分别表示第一电阻(R1)、第二电阻(R2)以及第三电阻(R3)的阻值，V_Contral表示控制电压的值，g_m表示第一晶体管(Q1)的跨导。

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