CN101478289A

CN101478289A - 应用于低功率输出的e类功率放大器数字式功率控制电路

Info

Publication number: CN101478289A
Application number: CNA2009100280181A
Authority: CN
Inventors: 李智群; 袁成; 李芹; 王志功
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明公开了一种应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，包括：用于实现放大器有效级联的级间匹配电路和用于信号功率放大的输出放大级，级间匹配电路的输出端与输出放大级输入端连接，在级间匹配电路的输入端上连接有用于预放大功能和信号幅度增益控制的可控放大级且级间匹配电路的输入端与可控放大级的输出端连接，在输出放大级的输入端上连接有用于调节进入到输出放大级开关晶体管的栅极偏置电压的偏置控制电路且输出放大级的输入端通过电感与偏置控制电路的输出端连接。本发明能够提高输出功率范围和输出功率效率，具有电路结构简单可靠，易于单片电路集成的优点。

Description

应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路

技术领域

本发明涉及一种放大器输出功率的控制电路，特别涉及在低功率输出的E类功率放大器的输出功率控制电路。

背景技术

E类功率放大器由Sokal等人于1975年首次提出。电路的基本组成结构如图1所示，包括：开关晶体管SW(通常可采用MOS晶体管驱动其栅极实现开关功能)，与电源电压相连的电感L1，与开关晶体管并联的电容C，串联谐振于工作频率f₀的电感L_s与C_s，优化电抗元件jX(一般为电感)和负载阻抗R。

E类功率放大器的工作原理如下：如图1所示，当输入电压大于MOS晶体管阈值电压时，晶体管工作在线性区，相当于开关闭合，由于漏源间电阻r_on很小，因此v_s近似为0；而当输入电压小于阈值电压时，场效应管截止，相当于开关断开，i_s为0。此时，C开始充电，引起v_s增加，调谐网络从Vs中滤出基波，传输到负载电阻上。当开关再次闭合时，满足E类晶体管工作的两个条件(1)v_s＝0和(2)dv_s/dt＝0，从而使得晶体管上的电压和电流不同时出现，消除了由于充放电带来的(1/2)CV²的损耗，晶体管理想效率达到100％。

E类功率放大器的功率控制问题，由E类放大器自身特点决定。根据其工作原理，最佳控制方式是改变连接在L₁的电源电压V_dd。但是在实际应用中，很难提供这样一个可变的电源电压，故在电路设计的时候需要增加LDO模块。不仅增加了芯片面积，并且LDO电路存在效率问题，其自身需要消耗一部分功耗，从而导致了E类功率放大器在整个功率输出范围内效率的降低。除此方法之外，目前对于低功率输出的E类功率放大器的功率控制功能的实现，尚无有效的方法。

发明内容

本发明提供一种能够提高输出功率范围和输出功率效率的应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，具有电路结构简单可靠，易于单片电路集成的优点。

本发明采用如下技术方案来解决上述技术问题：

一种应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，包括：用于实现放大器有效级联的级间匹配电路和用于信号功率放大的输出放大级，级间匹配电路的输出端与输出放大级输入端连接，其特征在于，在级间匹配电路的输入端上连接有用于预放大功能和信号幅度增益控制的可控放大级且级间匹配电路的输入端与可控放大级的输出端连接，在输出放大级的输入端上连接有用于调节进入到输出放大级开关晶体管的栅极偏置电压的偏置控制电路且输出放大级的输入端通过电感与偏置控制电路的输出端连接。增益控制位2连接于可控放大级，实现输入信号增益控制的功能。当增益控制位2为高电平时，信号增益增大，输出功率上升，反之亦然。偏置控制位1和偏置控制位0连接于偏置控制电路，实现信号占空比控制的功能。当偏置控制位1/0为高高电平是，信号占空比增加，输出功率上升，反之亦然。通过联合改变控制位2、控制位1和控制位0的电平，可以实现输出功率在在较大范围内的控制。如图4所示，当三位控制字设为“000”时，功率放大器输出最小功率；当三位控制字设为“111”时，功率放大器输出最大功率。表1列出了3位控制字的8种状态。

表1.三位控制字的状态表

序列	控制字	控制位2	控制位1	控制位0
序列	控制字	控制位2	控制位1	控制位0	0	000	0	0	0
1	001	0	0	1	0	000	0	0	0
1	001	0	0	1	2	010	0	1	0
3	011	0	1	1	2	010	0	1	0
3	011	0	1	1	4	100	1	0	0
5	101	1	0	1	4	100	1	0	0
5	101	1	0	1	6	110	1	1	0
7	111	1	1	1	6	110	1	1	0

本发明结合了信号幅度和占空比控制的方法，实现了对非线性的E类功率放大器输出功率控制的目的。和原有E类功率放大器功率控制方法相比，在输出功率范围和输出功率效率上都有明显的提高。

1.控制开关管栅极输入信号的幅度

如图3所示，通过改变可控放大级1的控制信号为高电平或是低电平，以控制晶体管M3的导通与截止，从而改变了第一级驱动放大器的增益，使得进入到输出放大级(3)中的开关晶体管SW的信号幅度可调。而开关晶体管SW的导通电阻r_on与输入信号的幅度有关，简单可以表示为：

r_{on} = \frac{1}{μ_{n} C_{ox} (W / L) (V_{gs} - V_{th})}

其中μ_n是电子迁移率，C_ox是MOS晶体管栅电容，W、L是MOS晶体管的栅宽和栅长，V_gs是MOS晶体管栅源电压，V_th是MOS晶体管的阈值电压。可以看出：信号幅度越高，导通电阻越小，E类功率放大器损耗的功率越小，从而输出功率达到最大，实现输出功率的控制功能。

可控放大级1常见于线性功率放大器，对输出功率进行直接的控制。对于E类这种非线性放大器，由于输入信号只提供频率和相位信息，与信号幅度大小无关，故无法利用可控放大级1改变功率增益的方法改变输出功率。而本发明中，利用可控放大级1对进入到输出放大级3的信号进行电压幅度控制，从而改变开关晶体管SW的导通电阻大小，进而达到对非线性放大器功率控制的目的。

2.控制开关管栅极输入信号的占空比

由E类功率放大器的理论推导可以知道，E类功率放大器负载网络的值与占空比是相关的。当占空比偏离了最优化的50％设定后，输出功率会产生下降。如图3所示，改变直流偏置控制4的大小，可以改变了输入到输出放大级3信号的占空比。当占空比下降时，输出功率下降。

改变偏置电压的方法有很多种，图3的电路原理图使用了一种简单的电阻分压的方法。偏置控制1和偏置控制0控制开关S1和S0的断开与导通，从而把不同阻值大小的电阻接入到分压网络中，改变了输出放大级3开关晶体管的直流偏置的大小。

电阻分压的方法，常用于确定电路中某点的偏置电压。而本发明中，利用其电压调节的功能，实现对进入到输出放大级3的信号的占空比进行控制。利用E类功率放大器的输入占空比变化对输出功率有影响的特性，从而达到对非线性放大器功率控制的目的。

单独使用幅度控制或者占空比控制的方法，经仿真验证，输出功率的变化范围较小，无法满足诸如无线传感网络等系统对输出功率控制的要求。同时采用这两种方法进行功率的控制，可以实现E类功率放大器在较大范围内的功率调节，同时保持较高的效率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.功率调节范围广。由于结合了幅度控制和占空比控制两种控制方法，使得E类功率放大器的输出功率范围扩大，能够满足诸如无线传感网络的要求。和原有E类功率放大器功率控制方法相比，在输出功率范围和输出功率效率上都有明显的提高。

2.和原有E类功率放大器功率控制方法相比，本发明中的电路通过控制字的设立，实现了输出功率的数字式控制功能。当三位控制字设为“000”时，功率放大器输出最小功率；当三位控制字设为“111”时，功率放大器输出最大功率。便于电路在实际中的应用。

3.和原有E类功率放大器功率控制方法相比，本发明中的电路增加电路元件较少，电路结构简单可靠，易于单片电路集成。

附图说明

图1是E类功率放大器的基本结构示意图。

图2是3位数字控制的两级E类功率放大器的电路框图。

图3是3位数字控制的两级E类功率放大器的电路原理图。

图4是3位控制字示意图。

图5是本发明和原有技术在不同输出功率情况下的输出功率附加效率(PAE)对比。

具体实施方式

图2是3位数字控制的两级E类功率放大器的电路框图。参照图2，一种应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，包括：用于实现放大器有效级联的级间匹配电路2和用于信号功率放大的输出放大级3，级间匹配电路2的输出端与输出放大级3输入端连接，其特征在于，在级间匹配电路2的输入端上连接有用于预放大功能和信号幅度增益控制的可控放大级1且级间匹配电路2的输入端与可控放大级1的输出端连接，在输出放大级3的输入端上连接有用于调节进入到输出放大级3开关晶体管SW的栅极偏置电压的偏置控制电路4且输出放大级3的输入端通过电感Ldc与偏置控制电路4的输出端连接。输入信号经过可控放大级1进行初步放大，其放大增益大小可以实现数字控制。放大后的信号通过级间匹配2得到有效的级间信号传输，被送至输出放大级3。输入到输出放大级3的信号占空比可以通过偏置控制电路4进行调整，从而和可控放大级1一起，对输出信号的功率达到一定范围内的数字控制的目的。

图3是3位数字控制的两级E类功率放大器的电路原理图。参照图3，

所述的可控放大级1由共源共栅放大级晶体管M1、晶体管M2和晶体管M3，以及连接于电源电压Vdd和可控放大级输出之间的第一电感Ls组成。

所述的偏置控制电路4由电阻分压网络和并联在电阻分压网络中的第一电阻R1和第二电阻R2两端的第一开关S1和第二开关S2组成。

所述的级间匹配电路2由组成π型网络的第一电容C1、第二电容C2和第二电感Lt构成。

所述的输出放大级3由开关晶体管SW、连接于电源电压Vdd和开关晶体管SW漏极之间的第三电感L1、并联于开关晶体管SW的漏极和源极的第三电容Cd、串联于开关晶体管SW漏极和输出负载RL之间的第四电容C0和第四电感L0构成。

可控放大级1由共源共栅放大级M1、M2和M3构成，电感Ls连接于电源电压Vdd和可控放大级输出之间。增益的控制是通过改变共栅晶体管的宽度实现，具体表现为：增益控制位2为高电平时，晶体管M3导通，增益变大；当增益控制位2为低电平时，晶体管M3截止，增益降低。预放大后的信号进过电容C1、C2和Lt构成的π型级间匹配2，进入到输出放大级3开关晶体管SW的栅极。输出放大级由开关晶体管SW，连接于电源电压Vdd和开关晶体管SW漏极之间的电感L1，并联于开关晶体管SW的漏极和源极的电容Cd，串联于开关晶体管漏极和输出负载RL之间的电容C0和L0构成。偏置控制电路4通过电感Lt，连接到开关晶体管SW的栅极，通过改变开关晶体管SW栅极直流偏置电压，改变进入到开关晶体管SW的信号占空比。具体表现为：通过偏置控制位1和偏置控制位0，对并联在电阻R2和R1两端的开关进行控制。当开关S1/S2导通时，对应的电阻R1/R2接入到电路中，偏置电压下降，使得信号占空比减小；当开关S1/S2断开时，对应的电阻R1/R2短路，，故偏置电压上升，使得信号占空比增大。与增益控制位2一起，构成了三位数字控制的两级E类功率放大器。通过仿真表明，该电路可以有效控制输出功率，在-3dBm至+9dBm范围内可以有效的工作，同时保持了较高的效率。图5通过EDA软件仿真显示了E类功率放大器输出功率(Pout)及其对应的功率附加效率(PAE)。可以看出，本发明提供的功率改变方法比起原方案(利用LDO改变电源电压)，在相同输出功率的情况下，输出效率有了显著的提高，并且节省了LDO电路模块所占用的面积，使得电路成本降低。

Claims

1.一种应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，包括：用于实现放大器有效级联的级间匹配电路(2)和用于信号功率放大的输出放大级(3)，级间匹配电路(2)的输出端与输出放大级(3)输入端连接，其特征在于，在级间匹配电路(2)的输入端上连接有用于预放大功能和信号幅度增益控制的可控放大级(1)且级间匹配电路(2)的输入端与可控放大级(1)的输出端连接，在输出放大级(3)的输入端上连接有用于调节进入到输出放大级(3)开关晶体管(SW)的栅极偏置电压的偏置控制电路(4)且输出放大级(3)的输入端通过电感(Ldc)与偏置控制电路(4)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，其特征在于可控放大级(1)由共源共栅放大级晶体管(M1)、晶体管(M2)和晶体管(M3)，以及连接于电源电压Vdd和可控放大级输出之间的第一电感(Ls)组成。

3.根据权利要求1所述的应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，其特征在于偏置控制电路(4)由电阻分压网络和并联在电阻分压网络中的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)两端的第一开关(S1)和第二开关(S2)组成。

4.根据权利要求1所述的应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，其特征在于级间匹配电路(2)由组成π型网络的第一电容(C1)、第二电容(C2)和第二电感(Lt)构成。

5.根据权利要求1所述的应用于低功率输出的E类功率放大器数字式功率控制电路，其特征在于输出放大级(3)由开关晶体管(SW)、连接于电源电压(Vdd)和开关晶体管(SW)漏极之间的第三电感(L1)、并联于开关晶体管(SW)的漏极和源极的第三电容(Cd)、串联于开关晶体管(SW)漏极和输出负载RL之间的第四电容(C0)和第四电感(L0)构成。