CN101262260B

CN101262260B - 多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器

Info

Publication number: CN101262260B
Application number: CN2008100471803A
Authority: CN
Inventors: 邹雪城; 张科峰; 蔡梦
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: CN101262260A

Abstract

本发明公开了一种多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器，包括状态控制器、输入匹配网络、多通道可变增益功率放大模块和输出匹配网络。该功率放大器通过对输入和输出匹配网络的阻抗匹配网络进行调整，状态控制器提供匹配选择信号，以用于为各种应用来调整输入、输出匹配网络，得到高的线性度和低功耗。多通道可变增益功率放大模块中的功率放大单元，各自具备不同的饱和输出功率，根据状态控制器所给的通道选择信号使其中一个功率放大单元处于工作中，使得在较高和较低输出功率模式下都能得到比较高的效率。在很宽的输出功率范围内，都能提高信号的传输效率。本发明可应用于多种应用场合，与现有的功放相比具有良好的性能参数。

Description

多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器

技术领域

本发明涉及无线局域网和射频集成电路领域，具体涉及一种多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器，它尤其适用于多种无线网络片上系统(System-on-chip)的射频前端发射器。

背景技术

现代通信技术为了提高频谱利用率，普遍采用同时调幅调相的技术；加上需要防止不同通信系统的相互干扰以及本系统内相邻信道之间的串扰。所以，PA(功放)要有很好的线性特性；基于通信的移动要求，PA应有尽可能高的功率效率。在射频收发器中，功放是一个极其重要的部件，它性能的优劣对整个系统来说影响重大。现代通信的发展对功放的线性、带宽、效率等提出了更高的要求，这几个方面也成为未来功放研究的热点和趋势。

可变增益放大器(VGA)是通信发射器中的一个关键模块，它与反馈环路一起组成自动增益控制电路(AGC)。AGC用来处理幅度变化范围很大的输入信号，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太大或太小而使得发射器无法正常工作。高功率效率和高线性是AGC主要的性能要求。

采用提高功率效率的方法，会增加整个系统的功率消耗。通常，如果功放的输出功率越大，则功放的效率也越高。利用较低饱和输出功率的功放，在低输出功率情况下，可以得到比较高的效率，但这种功放不能得到较高的输出功率；相反，当利用高饱和输出功率的功放时，在高输出功率情况下，可以得到比较高的效率，但若输入小信号时，效率会降低。

为实现大的动态控制范围，同时保持闭环操作恒定的建立时间，要求VGA的增益与控制电压成线性关系。最近Changkun Park、Dong Ho Lee等人在【1.8-GHz CMOS Power Amplifier with Stage-Convertible Structure Using Differential Line Inductor】(用差分线性电感器实现的1.8GHz CMOS工艺级可变结构功放。作者及出处：Changkun Park；Dong Ho Lee；Yumi Lee；Jeonghu Han；Sang-Hyun Baek；Younsuk Kim；Songcheol Hong；Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC)Symposium，2007IEEE 3-5June 2007Page(s)：741-744)一文中提出了一种用差分线性电感实现的级可变功放(基于0.18μm工艺，工作频率为1.8GHz).在低输出功率的情况下，关闭功放的功率级，信号通过驱动级后，进入低功率匹配网络之后输出；在该输出功率情况下，打开功率级，通过将功率级的信号和通过低功率匹配网络的信号结合，可获得最大的输出功率。这样，在低输出功率和高输出功率的情况下，功放都能实现比较高的效率。但存在的不足之处在于：第一，该文章只选择了两种模式：低输出功率和高输出功率模式。第二，不能实现信号的线性放大。

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器，该放大器的增益与控制信号成线性关系，同时可以提供低失真的输出。

本发明提供的多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器，其特征在于：它包括状态控制器、输入匹配网络、多通道可变增益功率放大模块和输出匹配网络；

状态控制器接收来自于上层的匹配控制信号、通道控制信号和增益控制信号，匹配控制信号进行匹配选择后产生二路匹配选择信号，分别传送给输入匹配网络和输出匹配网络；通道控制信号进行通道选择后产生通道选择信号传送给多通道可变增益功率放大模块；增益控制信号通过数模转换后产生模拟增益控制信号，传送给多通道可变增益功率放大模块；

输入匹配网络接收待处理的射频模拟信号，根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频模拟信号传送给多通道可变增益功率放大模块；

多通道可变增益功率放大模块接收匹配后的射频模拟信号，并根据模拟增益控制信号控制该射频模拟信号的增益，再根据通道选择信号对该增益后射频模拟信号进行功率放大，再传送给输出匹配网络；

输出匹配网络根据匹配选择信号对接收的射频模拟信号进行信号匹配，将匹配后的信号输出。

本发明通过对输入和输出匹配网络的阻抗匹配网络进行调整，状态控制器提供匹配选择信号，以用于为各种应用来调整输入、输出匹配网络，得到高的线性度和低功耗。多通道可变增益功率放大模块中的功率放大单元，各自具备不同的饱和输出功率，根据状态控制器所给的通道选择信号使其中一个功率放大单元处于工作中，使得信号在较高和较低输出功率模式下都能得到比较高的传输效率。在很宽的输出功率范围内，都能提高信号的传输效率。本发明可应用于多种应用场合，与现有的功放相比具有良好的性能参数。

附图说明

图1本发明多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器的结构示意图；

图2为状态控制器的结构示意图；

图3为输入匹配网络的结构示意图；

图4为多通道可变增益功率放大模块的结构示意图；

图5为可变增益放大器的具体电路图；

图6为输出匹配网络的结构示意图；

图7为应用实例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器包括状态控制器100、输入匹配网络200、多通道可变增益功率放大模块300和输出匹配网络400。

状态控制器100接收来自于MAC层的三路输入信号，分别为：匹配控制信号、通道控制信号和增益控制信号。匹配控制信号进行匹配选择后产生二路匹配选择信号，分别传送给输入匹配网络200和输出匹配网络400。通道选择信号进行通道选择后产生通道选择信号传送给多通道可变增益功率放大模块300。增益控制信号通过数模转换后产生模拟增益控制信号，传送给多通道可变增益功率放大模块300。

输入匹配网络200接收待处理的射频模拟信号，根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频模拟信号信号传送给多通道可变增益功率放大模块300。

多通道可变增益功率放大模块300接收匹配后的射频模拟信号，并根据模拟增益控制信号控制该射频模拟信号的增益，再根据通道选择信号对该增益后射频模拟信号进行功率放大，再传送给输出匹配网络400。多通道可变增益功率放大模块300不但可以对功放的输出功率进行控制，还能提高功放的效率。

输出匹配网络400根据匹配选择信号对增益控制后和功率放大后的射频模拟信号进行信号匹配，将匹配后的信号输出。

下面以四个频带的信号为例说明就上述各部分的具体构成。

如图2所示，状态控制器100包含三部分：匹配选择器101、通道选择译码器102、数模转换器103。匹配选择器101为一般的数字逻辑电路。它的输入为2位的数字信号，2位的数字信号经过匹配选择器101产生4位的输出数字信号。每位输出的数字信号，分成两个分支，这样就产生了两路相同的4位数字信号，一路进入输入匹配网络，另外一路进入输出匹配网络。匹配选择器101的设计原则为：输入‘00’、‘01’、‘10’、’11’，分别对应的输出为：‘0001’、‘0010’、‘0100’、‘1000’，分别用来选择频带f₁、f₂、f₃、f₄的匹配电路。这在数字电路中实现起来非常简单，具体的数字电路这里略去。通道选择器102用来选择多通道可变增益功率放大模块300中具有不同饱和输出功率的功率放大单元，和匹配选择器101的设计原则一致。输入‘00’、‘01’、‘10’、’11’，分别对应的输出为：‘0001’、‘0010’、‘0100’、‘1000’，分别用来选择具有不同饱和输出功率的四个功率放大单元：功率放大单元302、功率放大单元303、功率放大单元304、功率放大单元305。通过采用这种方式，可以提高本发明在使用过程中的功率效率，还可以实现对输出功率的初调。通过数模转换器103(在本发明中选择3位的数模转换器)输出的模拟信号可以控制多通道可变增益功率放大模块300中的VGA(可变增益放大器)，可实现对输出功率的细调。

如图3所示，输入匹配网络200属于无源可变匹配网络，其输出连接在多通道可变增益功率放大模块300的输入端。输入匹配网络200包括并联的n个选择开关，每个选择开关均串联一个频带输入匹配电路，n为频带的数目，该实例取值为4。

输入匹配网络200用来实现前级电路输出阻抗和多通道可变增益功率放大模块300输入阻抗之间的匹配。当有模拟信号输入时，状态控制器100发出的状态选择信号选择相应的频带匹配电路，以此来获得好的功率传输。可以在比较宽的频带内实现阻抗匹配。比如：当信号进来时，信号的工作频带为f₁，我们可以使得匹配选择器101的输入为‘00’，那么匹配选择器101的输出数字信号为‘0001’，可以得频带f₁的输入匹配电路201选通，而其它三个频带不被选通。同样当信号工作在频带f₂，可以使匹配选择器101的输入为‘01’，输出则为‘0010’，这样f₂的输入匹配电路202选通。依次类推，可以实现四个工作频带的选通。针对单频带匹配电路的设计，目前的设计方法已经非常成熟，也比较简单，这里就不再详述。

如图4所示，多通道可变增益功率放大模块300包括可变增益放大器301和第一至第四功率放大单元302、303、304和305。由状态控制器100对其工作状态进行控制。多通道可变增益功率放大模块300中有四个功率放大单元，每个功率放大单元有不同的饱和输出功率，并有一定的功率放大范围。首先根据射频模拟信号的幅度特点，由状态控制器100发送通道选择信号，选择与之相适应的功率放大单元。例如：根据信号的特征，当需要选择第一功率放大单元302时，可以使通道选择器102的输入为00，那么通道选择器102的输出数字信号为‘0001’，可以使得第一功率放大单元302前面的开关闭合，而其它三个功率放大单元：第二至第四功率放大单元303、304、305，前面的开关断开，不被选中。同样要选择第二功率放大单元303时，可以使通道选择器102的输入为01，那么通道选择器102的输出数字信号为‘0010’，可以使得第二功率放大单元303前面的开关闭合，而其它三个功率放大单元前面的开关断开，不被选中。依次类推，可以实现四个功率放大单元的选通。这样即便在输入模拟信号幅度变化比较大时，都能够通过选择合适的功率放大单元来提高信号的传输效率。可变增益放大器301(VGA)，可变增益放大器的增益受状态控制器中数模转换器103输出信号的控制。因为是3位的数模转换器，所以可以选择8中不同的增益。将可变增益放大器和功率放大单元结合起来使用，可以实现输出功率的控制。通过选择功率放大单元来实现输出功率的粗调，结合前面的VGA可以实现输出功率的细调。从而实现了输出功率控制，并且可以在高输出功率和低输出功率的模式下，提高信号的传输效率。

可变增益放大器301采用如图5所示的典型的可变增益电路，实现了增益与控制电压的线性关系，利用MOSFET的亚阈值特性及差分对转移特性设计了指数电压转换电路。

利用双信号支路相加或相减实现增益调节的方法，在Bipolar(双极)工艺中得到广泛应用。本发明提出一种类似于Gilbert(吉尔伯特)型模拟乘法器的电流调节型可变增益单元，或称之为信号相减型栅极驱动可变增益放大器，设Vin为输入信号，V_c为控制信号。其中电阻R1和电阻R2的阻值相等。放大器的等效跨导可以表示为：

G_{m} = a (\sqrt{I_{a}} - \sqrt{I_{b}})

其中a为与晶体管尺寸及工艺相关的常数；I_a与I_b为两个信号支路的尾电流大小。

如图5，为了避免增益相位翻转，V_c必须始终大于或小于0。假定V_c＞0，即I_a始终大于I_b。则最大增益位于尾电流I_ss全部等于I_a时，即I_a＝I_ss；最小增益发生即I_a＝I_b＝0.5I_ss时。设最小增益处I_a与I_b分别为I_amin和I_bmax，由于输出阻抗不变，由(1)式可得，放大器的增益控制范围可以表示为：

DR (dB) = 20 \lg (\frac{G_{m, \max}}{G_{m, \min}}) = 20 \lg \frac{\sqrt{I_{ss}}}{\sqrt{I_{a, \min}} - \sqrt{I_{b, \max}}}

对于图5所示的可变增益放大器，为了实现增益与外部控制电压的分贝线性，需要将控制信号设计成与外部控制信号成指数关系。考虑有效的V_c受到差分最大输入电压的限制，同时为实现宽范围增益调节，最小增益应趋于0。为实现这一功能，本发明用差分对传输特性及MOS管亚阈值工作特性来实现外部控制电压到指数电压的转换电路。

电路包含一个差分失调电压产生电路及两个幅度限制电路。如果考虑将尾电流设计为与温度成正比，则可以实现与温度无关的指数控制电压，从而实现与温度无关的增益控制特性。

输出匹配网络400为无源可变匹配网络，它连接在多通道可变增益功率放大模块300的输出端，输出匹配网络400用来对多通道可变增益功率放大模块300的输出阻抗和后面电路的输入阻抗进行匹配，以实现最大的输出功率传输。上一级来的三路状态控制信号对状态控制器100进行控制，并产生四路输出控制信号。其中一路控制信号为4位输出匹配选择信号，由状态控制器100的匹配选择器101产生。输出匹配选择信号和接入输入匹配网络中的数字信号相同。该信号接入输出匹配网络，通过变换该匹配选择信号就可以实现输出匹配网络中的匹配电路选择，实现对不同频率的滤波(四种频带匹配电路的选择和输入匹配网络中匹配电路的选择一致)。当有模拟信号输入时，状态控制器100中的匹配选择器101发出的频带选择信号选择相应的频带匹配电路，以此来获得好的功率传输。对某一频率而言，匹配电路确定后，输出阻抗即被优化，可获得最大的功率传输。

本发明中的频带输入匹配电路、频带输出匹配电路和功率放大单元的个数可以灵活选择，当本发明电路的输入信号工作在两个频带时，那们我们只需设计两种频带的输入、输出匹配电路。至于功率放大单元的选择，可以根据输入信号的幅度特性来进行选取。同时也可以灵活选择功放的个数。当然这样做的话，状态控制器100里面的匹配选择器101、通道选择器102都应该做相应的修改。

图7所示为双频带的应用实例，例如在GSM/DCS中做功率放大器。这里只画出了两个频带的输入、输出匹配电路和两个有不同饱和输出功率的功率放大单元。暂且将GSM/DCS工作的两个频带定为频带A和频带B。功率放大单元507具有高饱和输出功率，功率放大单元509具有低饱和输出功率。若作频带A使用，则匹配选择器501输出的频带选择信号，使得频带A前得开关闭合，这样就确定了输入输出匹配电路。信号的幅度较大时，可以通过通道选择器502产生的输出信号，使得功率放大单元507前面的开关闭合，而功率放大单元508前面的开关断开。这样就可以以较高的效率传输信号。通过前面的可变增益放大器506可再一定范围内，对输出功率进行控制。采用这种方式不仅可以适合不同情况下的功率使用，而且还有降低功耗的作用。相反，如果信号幅度较小的话，可以选择低饱和输出功率的功率放大单元508。然后信号通过输出匹配网络400进行匹配后输出。如果信号工作在频带B，需选择频带B的匹配电路，其它操作和上面相似。通过采用这种结构，能够适应多频带，即便是低输出功率时也能够得到最大的输出效率。而且还可以对输出功率进行良好的控制。因此，本发明可以用来实现信号高效率和输出功率可变的目标。该发明可以用于多频带、便携式电话中。当然也不局限于通信方式，只要是实现多个频带的信号功率放大功能，都可以应用本发明。

Claims

1.一种多通道自适应匹配网络可变增益功率放大器，其特征在于：它包括状态控制器（100）、输入匹配网络（200）、多通道可变增益功率放大模块（300）和输出匹配网络（400）；

状态控制器（100）接收来自于上层的匹配控制信号、通道控制信号和增益控制信号，匹配控制信号进行匹配选择后产生二路匹配选择信号，分别传送给输入匹配网络（200）和输出匹配网络（400）；通道控制信号进行通道选择后产生通道选择信号传送给多通道可变增益功率放大模块（300）；增益控制信号通过数模转换后产生模拟增益控制信号，传送给多通道可变增益功率放大模块（300）；

输入匹配网络（200）接收待处理的射频模拟信号，根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频模拟信号传送给多通道可变增益功率放大模块（300）；

多通道可变增益功率放大模块（300）接收匹配后的射频模拟信号，并根据模拟增益控制信号控制该射频模拟信号的增益，再根据通道选择信号对该增益后射频模拟信号进行功率放大，再传送给输出匹配网络（400）；

输出匹配网络（400）根据匹配选择信号对接收的射频模拟信号进行信号匹配，将匹配后的信号输出。

2.根据权利要求1所述的可变增益功率放大器，其特征在于：输入匹配网络（200）包括并联的n个选择开关，每个选择开关均串联一个频带输入匹配电路，n为用户设置的频带数目。

3.根据权利要求1或2所述的可变增益功率放大器，其特征在于：多通道可变增益功率放大模块（300）包括可变增益放大器（301）和并联的n个功率放大单元，n为用户设置的频带数目，可变增益放大器（301）的输入端与输入匹配网络（200）的输出端相连，其输出端与各功率放大单元的输入端相连，各功率放大单元的输出端与输出匹配网络（400）相连。