CN101615892B - 射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器，属于通信技术领域。所述射频功率放大器包括变压器线圈和射频功率放大单元，用于信号转换的变压器线圈包括次级线圈和位于次级线圈内的至少第一初级线圈和第二初级线圈；用于功率放大的射频功率放大单元与第一初级线圈和第二初级线圈分别连接并且位于第一初级线圈和第二初级线圈的内部。通过本发明的射频功率放大器，可以解决现有的射频功率放大器体积大、加工工艺复杂、带宽有限等问题，提高变压器本身所承受的电流，减小变压器所需要的面积，节省芯片的面积。

Description

射频功率放大器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种射频功率放大器。

背景技术

随着全球移动通讯市场的发展，无线通信系统对降低芯片尺寸、制作成本以及研发周期的要求越来越强烈。制造商尽可能地在一整块芯片上实现数字、模拟以及部分射频的集成。到目前为止，比较成功的解决方案都是在CMOS标准工艺上实现的，这是由于其本身价格低廉、功能多样。

但在实现基于CMOS工艺的单芯片通信时仍然存在着一些瓶颈，原因在于CMOS工艺本身固有的缺点，如比较低的品质因子、衬底上比较大的损耗以及对有源器件来说比较低的击穿电压，对于射频前端的功率放大器来说，这是一个致命的问题，会对功率放大器本身的输出功率、线性度以及效率构成极大的伤害，而这些参数对于无线通信系统本身都是极为重要的。因此在使用功率驱动能力比较低的CMOS工艺设计功率放大器时，需要采用差分形式的放大电路，并且需要功率合成器将多个功率单元电路连接在一起，产生所需要的大功率输出。目前比较好的解决方式是采用变压器连接。

而芯片上做变压器线圈，不但要占用相当大的面积来满足一定的电学耦合长度，还要面临CMOS工艺下线条的损耗大的问题，有可能导致射频功率放大器单元的合成效率的降低。同时对于现有的变压器来说，都存在着频率响应的带宽有限的问题，这都会影响功率放大器在现有多模多频段的无线通信系统中的应用。

发明内容

针对现有技术中射频功率放大器体积大、带宽有限的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种射频功率放大器，以解决上述问题至少之一。

本发明提供的一种射频功率放大器，包括变压器线圈和射频功率放大单元，用于信号转换的变压器线圈包括次级线圈和位于次级线圈内的至少第一初级线圈和第二初级线圈；用于功率放大的射频功率放大单元与第一初级线圈和第二初级线圈分别连接，并且位于第一初级线圈和第二初级线圈的内部。

通过本发明的上述技术方案，提供一种射频功率放大器，可以解决现有的射频功率放大器体积大、加工工艺复杂、带宽有限等问题。这种射频功率放大器可以提高变压器本身所承受的电流，减小变压器所需要的面积，节省芯片的面积。

附图说明

图1为本发明实施例的射频功率放大器的总体结构框图；

图2为本发明实施例的变压器线圈的整体框图；

图3为本发明实施例的变压器线圈的三层走线的侧视平面图；

图4为本发明实施例的变压器线圈在未加电容谐振的情况下，单层金属走线的变压器的损耗仿真图；

图5为本发明实施例的变压器线圈在未加电容谐振的情况下，多层金属走线的变压器的损耗仿真图；

图6为本发明实施例的变压器线圈在加入电容谐振的情况下，单层金属走线的变压器的损耗仿真图；

图7为本发明实施例的变压器线圈在加入电容谐振的情况下，多层金属走线的变压器的损耗仿真图；

图8为本发明实施例的变压器线圈在所加入谐振电容改变的情况下的频率响应的仿真图。

具体实施方式

在本发明实施例中，提供了一种射频功率放大器的实现方案，在该实现方案中，利用包括初级线圈与次级线圈的变压器线圈与射频功率放大单元组成的射频功率放大器，实现射频功率的放大。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所提供的射频功率放大器主要用于无线通信系统中的前端发射机中，将经过上变频后的信号放大，传送给天线发射出去。

如图1所示，本发明实施例的射频功率放大器包括差分的射频功率放大器单元101和变压器线圈102两部分。射频功率放大器单元101包括两个差分器，用于发出差分信号以将功率放大；变压器线圈102由两个初级线圈104、105和一个次级线圈103构成，初级线圈104、105分别连接到射频功率放大器单元101的两个差分器，不仅实现将射频功率放大器单元101的差分信号转换为单端信号的功能，还要实现多个功率放大器单元101合成的功能。射频功率放大单元101位于变压器线圈102的内部，极大的节省了设置射频功率放大器和芯片的面积。变压器线圈采用三层金属走线，可以大大提高变压器本身所承受的电流，同时可以有效减少变压器本身的损耗。

变压器线圈102还包括分别加在变压器初级线圈104、105输入端的可变电容106，也称为谐振电容。可变电容106可以是可连续变化的压控电容，也可以是受信号控制的电容阵列。可变电容106通过与初级线圈104、105电感的谐振，大大减小了变压器所需要的面积。

在变压器线圈102与射频功率放大器单元101使用多重隔离手段107，例如是多圈n阱保护环和p阱保护环，来减少变压器线圈对功率放大器单元电路的电磁干扰，在变压器线圈获得足够大的电学耦合长度的同时节省芯片的面积。

现详细说明本发明实施例的变压器线圈102。如图2所示，两个初级线圈104、105都位于次级线圈103的内部，初级线圈104与初级线圈105不接触，并且分别与射频功率放大器单元101的差分输出端口相连接，然后通过侧耦合的方式将从射频功率放大器单元101接收的信号传输到次级线圈103上，作为整个射频功率放大器的输出。次级线圈103与初级线圈104、105之间的间距很小。

图3为本发明实施例的变压器线圈的三层走线的侧视平面图，如图3所示，本发明实施例的变压器线圈102采用三层金属走线第四层金属、第五层金属和第六层金属并联而成，同时，三层金属之间采用大面积的过孔加以连接，保持线条上各点阻抗特性的均匀。当然，第四层金属和第五层金属之间的过孔排列可以与第五层金属和第六层金属之间的过孔排列相同，也可以不同。这样，可以提高承受电流极限值，同时可以有效减少损耗。

图4与图5是在未加任何外部元件的情况下，图2所示的变压器线圈102在单层金属情况下和多层金属并联情况下损耗仿真的对比。图6与图7是在采用外部电容谐振的情况下对图2所示的变压器线圈102在单层金属情况下和多层金属并联情况下损耗仿真的对比，由这两次对比可以看出来，多层金属并联的变压器线圈比单层金属变压器线圈的损耗降低了1个dB左右。

图4与图6是在使用单层金属的情况下未采用电容谐振的方案和采用电容谐振方案下损耗仿真的对比，图5与图7是在使用多层金属并联的情况下未采用电容谐振的方案和采用电容谐振方案下损耗仿真的对比，由此可以看出，采用电容谐振的方案可以将损耗降低5个dB以上，也就是说，在应用频率固定的情况下，采用电容谐振可以极大的减少变压器线圈的线条的电学耦合长度。同时，根据不同大小的电容与初级线圈103、104的等效电感谐振点不同的特点，可以通过改变谐振电容的大小来改变变压器的应用频段。

图8是在采用图2所提供的变压器方案且使用多层金属走线的情况下，谐振电容从2pF到8pF之间变化时变压器的频率响应图，可以看出，对于如图2所示的变压器，根据谐振电容的变化，其应用频段可以从1.5GHz变换到5GHz左右。

综上所述，通过本发明的上述实施例，提供的射频功率放大器，解决了目前的射频功率放大器体积大，功耗高，加工工艺复杂的问题，可以达到的效果至少包括：变压器线圈采用三层金属走线，可以大大提高变压器本身所承受的电流，同时可以有效减少变压器本身的损耗；在变压器初级线圈输入端的可变电容，可变电容通过与初级线圈电感的谐振，大大减小变压器所需要的面积，适合于片上设计；同时对可变电容的调节，不但可以用来纠正由于工艺误差所产生的频率响应的偏移，而且可以连续改变变压器的响应频率，极大地扩展了射频功率放大器的应用频段，使整个功率放大器适用于多种模式多个频段的无线通信系统；将射频功率放大器单元内置于变压器线圈之中，在采用隔离手段保护功放单元电路不受变压器干扰的情况下，可以使得变压器线圈获得足够大的电学耦合长度，同时极大的节省芯片的面积。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各单元、结构或组成部分可以用成一体地元件或构件实现，也可以分别由单个的元件或构件实现。本发明对此不作限制。线圈的个数可以根据需要而定，射频功率放大单元还可以有其他的结构，可变电容可以有一个或两个，在此不限于上述，只要能完成本发明的目的即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，包括：

用于信号转换的变压器线圈，所述变压器线圈包括次级线圈和位于所述次级线圈内的至少第一初级线圈和第二初级线圈；以及

用于功率放大的射频功率放大单元，所述射频功率放大单元与所述第一初级线圈和第二初级线圈分别连接，并且位于所述第一初级线圈和第二初级线圈的内部。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述第一初级线圈与第二初级线圈分别与所述次级线圈采用侧耦合结构。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大单元包括至少两个差分信号输出端口，所述射频功率放大单元通过所述差分信号输出端口分别连接所述第一初级线圈和第二初级线圈。

4.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述第一初级线圈、所述第二初级线圈和所述次级线圈为并联的三层金属走线，所述三层金属走线通过过孔连接。

5.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器还包括可变电容，所述可变电容的两端连接所述第一初级线圈和第二初级线圈。

6.根据权利要求5所述的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器还包括隔离机构，所述隔离机构位于所述变压器线圈与射频功率放大单元之间。

7.根据权利要求6所述的射频功率放大器，其特征在于，所述隔离机构为至少两圈n阱保护环和p阱保护环。

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