CN101656514B

CN101656514B - 一种基于匹配共享增益可控的并联型射频功率放大器

Info

Publication number: CN101656514B
Application number: CN2009100351810A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 刘万福; 张萌; 高星; 黄福青; 吉新村; 王声扬; 李闯; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: CN101656514A

Abstract

本发明公开了一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器，适用于蓝牙等短距离通信系统，包括：输入匹配级I，根据中间级II并联差分结构电路单元组合的变化，动态调整匹配电路，实现良好共轭匹配；中间级II，多组不同宽长比的差分结构电路单元在数字控制信号作用下，可以实现任意组合，达到了输出功率可编程；输出匹配级III，采用具有容性中和技术的巴伦电路结构；动态电压偏置电路IV，为中间级II的每个差分结构电路单元提供单独电压偏置电路。本发明还公开了其实现方法。本发明简化了输入和输出匹配电路，大大减小了芯片占用面积，采用数字控制方式，可以实现功率输出的精确控制，易于和其它系统模块集成，增强了应用的广泛性。

Description

一种基于匹配共享增益可控的并联型射频功率放大器

技术领域

本发明涉及一种射频功率放大器，特别是涉及应用于短距离通信系统中的射频功率放大器及其实现方法。

背景技术

近年来，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)射频功率放大器已经得到广泛应用。今天，效率提高技术和功率可控技术越来越成为全集成CMOS收发芯片的关注热点。

但是，随着MOS管沟道长度的不断缩小，将意味着工作电压和输出功率的下降。为了能在一个低工作电压下获得大的输出功率，传统做法是采取多级级联，多级级联存在以下问题：稳定性变差；级间匹配网络设计困难；功率控制较难完成；输出功率难以做高，所以目前采用的最新技术是并联型功率放大器。

对于并联型功率放大器，为满足高功率输出，一般采用功率合成方式。对于功率合成，通常采用变压器、微带耦合器以及巴伦电路三种技术实现功率合成。对于变压器合成技术，在大功率输出(如瓦级)得到了广泛应用，但是其占用芯片面积较大；对于微带耦合器，需要较高的加工工艺支持，成本较高；而对于巴伦电路合成技术，即为常见的LC电路，易在片内集成，如图1所示，为一并联型功率放大器电路结构，采用的是巴伦电路合成技术。

此电路对每个差分结构电路单元均做了对应的巴伦电路，这样带来的一个明显的缺点就是：随着差分单元数目的增加，需要的巴伦电路随之增加，特别是片内电感数目的增加，往往片内电感的面积一般都是很大的，这样将占用大量的芯片面积。另外，在图1所示电路，每个差分结构电路单元都有相应的输入匹配，输入匹配电路中用到的电感数目与巴伦电路中的相等，这样，仅仅是电感就占用了功率放大器电路模块的大部分芯片面积，因此成本也会因之而提高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为克服以上不足，减少输入输出匹配网络的复杂度，提供应用范围广、成本低的一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器及其实现方法。

技术方案：本发明的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器是通过以下技术方案实现的：

该放大器包括：

输入匹配级I：由第一电感和第一电容组成的L型匹配电路构成，L型匹配电路结构形式为：第一电感与后面连接的中间级II并联，第一电容与后面连接的中间级II串联，且在第一电感两端并联第二微调电容阵列；

输出匹配级III：由实现双端转单端功能的巴伦电路构成，巴伦电路由第二电感和第三电容组成，且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感；

中间级II：由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成，其输入端为输入匹配级I的输出端，输出端为输出匹配级III的输入端；

动态电压偏置电路IV：由电压转换器电路构成，为单输入-多输出结构形式，单输入端接基准电压，N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接，其N个输出V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。

基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法包括如下步骤：

步骤1).首先，设计输入匹配网络I，采用传统的L型匹配电路结构，只是在L型匹配电路中的电感两端并联一可调电容阵列；

1.1)首先，在中间级II的N个差分结构电路单元全开启情况下，也即此时对应最大功率输出，设计出对应的标准L型匹配电路，此L型匹配电路由第一电感和第一电容组成，其电路结构形式为：第一电感L_n与后面连接的中间级II并联，第一电容与后面连接的中间级II串联；

1.2)然后，在只有宽长比最小的中间级II差分结构单元单独开启的情况下，也即此时对应最小功率输出，在第一电感L_n两端并联一个电容，在准确频点获得良好的反射系数；

1.3)当输出功率介于最大和最小功率输出值，依据上述步骤1.2)，分别得到对应的并联电容值；

1.4)在不同功率输出要求下，会得到一系列离散电容值，根据系统可提供的数字控制信号线数目，来选取不同值的片选电容。由这些片选电容组成第二微调电容阵列C₁，在数字信号线D₁-D_K的控制下，完成中间级II每种差分结构单元组合方式下的输入共轭匹配，以减少反射损耗，达到最大功率传输；

步骤2)然后，设计输出匹配网络III，采用巴伦电路结构与容性中和技术；

步骤3)其次，设计中间级II，根据输出功率的要求，确定各差分结构电路单元的组合方式；

步骤4)最后，确定中间级各差分结构电路单元的偏置电压，设计动态电压偏置电路IV，

4.1在使中间级II的差分结构电路单元的输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内，选取10mV或20mV步长的一系列离散电压值，

4.2在100mV的输入激励下，获得对应的输出功率和功率附加效率曲线，在两者之间做出折衷：满足要求的功率输出，并且同时也获得较高的功率附加效率，这样就找到了对应此时组合状态下的偏置电压值，

4.3在不同功率输出要求下，根据步骤4.2)得到一系列电压值，采用DC-DC结构，DC-DC电路的输入电压来自基准电压，N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线D_K+N+1-D_K+2N控制，其输出电压V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置。通过数字信号线D_Tune1-D_TuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小，将得到2^M个电流值，同时也就得到了2^M个偏置电压值，覆盖步骤4.2)所要求的全部电压值。

负载阻抗也即巴伦电路的输入阻抗Z_opt的优化，其值在N个中间级II差分单元电路全开启的情况下，通过负载牵引测量获得。

步骤3)中，中间级II：以N个输入差分对MOS管宽长比不同的差分结构电路作为基本单元，差分结构电路单元的每种组合均对应一个特定的功率输出。对于不同的功率输出要求，用数字控制信号线D_K+1-D_K+N来完成每个差分结构电路单元的开启和断开，即实现不同组合方式的切换。

有益效果：本发明的优点及显著效果：(1)所使用片内电感数目大大减少，因而整个功率放大器模块占用芯片面积显著缩小，易于和其它系统模块集成(2)结构简单，操作方便，只需要数字控制信号线来完成功率控制(3)动态电压偏置，可以微调偏置电压，为片外测试和应用带来方便，如果能采用宽带匹配技术，可以进一步扩大其在多频段的应用范围。

附图说明

图1是公知的基于巴伦电路合成技术的并联型功率放大器电路原理图

图2是本发明基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器原理图

具体实施方式

首先阐述本发明方法的基本原理大致如下：

如图2所示，根据不同输出功率的要求，在数字信号线D_K-D_K+N作用下，开启对应的中间级II差分结构电路单元组合，并同时在数字信号线D_K+N+1-D_K+2N作用下，开启动态电压偏置电路IV中对应单元的电压偏置电路，使其工作状态在AB类。与此同时，在数字信号线D₁-D_K作用下，调节输入匹配级I电路中与电感并联的电容值，在准确频点上得到良好的反射系数，实现良好输入共轭匹配，以达到最大功率传输。如果差分结构电路单元不工作，在数字控制信号线D_K-D_K+2N作用下，关闭对应的偏置和电路单元，从而不影响其他电路单元工作，并节省功耗。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图2，揭示本发明提出的一种基于匹配共享、增益可控的射频功率放大器的电路原理，如图所示，本发明射频功率放大器具体包括输入匹配级I、中间级II、输出匹配级III以及动态电压偏置电路IV，

输入匹配级I：由第一电感L_n和第一电容C_n组成的L型匹配电路构成，L型匹配电路结构形式为：第一电感L_n与后面连接的中间级II并联，第一电容C_n与后面连接的中间级II串联，且在第一电感L_n两端并联第二微调电容阵列C₁；

输出匹配级III：由实现双端转单端功能的巴伦电路构成，巴伦电路由第二电感L_m和第三电容C_m组成，且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感L_o；

动态电压偏置电路IV：由电压转换器DC-DC电路构成，为单输入-多输出结构形式，单输入端接基准电压，N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接，其N个输出V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。

具体实施步骤如下：

步骤1：设计输入匹配级I，首先在中间级II中N个差分单元电路全开启情况下，设计出对应的标准L型匹配电路，得到对应的L_n和C_n，其电路结构形式为：第一电感L_n与后面连接的中间级II并联，第一电容C_n与后面连接的中间级II串联。

步骤2：根据步骤1确定的L型匹配电路，在只有中间级II中宽长比最小的差分结构单元单独开启的情况下，在L型匹配电路中第一电感L_n两端并联一电容，在准确频点获得良好的反射系数，因为此时中间级II的输入电容最小，此时对应的电容值为最大可调电容值。

步骤3：根据步骤2，当输出功率介于最大和最小功率输出值之间，分别得到对应的并联电容值。

步骤4：根据步骤2和3得到的一系列电容值，视系统所能提供的数字控制信号线D_k(k＝1，2，…，k)的数目来确定片选电容的大小及其数目，力求占用面积最小。这样，在K个片选电容组成的第二微调电容阵列C₁，在k个数字控制信号线D_k(k＝1，2，…，k)的控制下，覆盖上面所有的离散电容值。

步骤5：步骤4已完成输入匹配级I，然后设计输出匹配级III，在中间级II中N个差分单元电路全部开启的情况下，对差分输出端并联第三电感L_o，L_o与中间级电路的输出电容都成谐振电路，以提高功率附加效率。

步骤6：根据步骤5得到的中间级II输出为纯阻抗，接下来找出最佳负载阻抗Z_opt，通常通过负载牵引技术测得，也即为后面巴伦电路的输入阻抗。

步骤7：据步骤6得到的最佳负载阻抗Z_opt，取巴伦电路的负载为50欧姆，运用相关公式得出巴伦电路的第二电感L_m和第三电容C_m，这样就完成了输出匹配。

步骤8：以上步骤已完成输入匹配级I和输出匹配级III，接下来优化中间级II的差分电路单元的组合。根据不同的功率输出要求，选取因并联而宽长比相近的不同差分结构电路单元组合方式，测得每种组合的功率输出和功率附加效率性能，经比较，得出最佳组合方式。每种最佳组合的切换，很容易通过数字信号线D_k+1-D_k+N来驱动实现。

步骤9：本步骤可以和步骤8同步进行，在寻求最佳组合方式的过程中，对所有备选的所有组合方式，按以下步骤确定其偏置电压值：

9.1在使输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内，选取10mV或20mV为步长的一系列离散电压值。

9.2在100mV的输入激励下，测得对应的输出功率和功率附加效率曲线，在两者之间做出折衷：满足功率输出要求，并且同时也获得较高的功率附加效率，这样就找到了对应此时组合状态下的偏置电压值。

步骤10：根据步骤9得到的满足输出功率要求的最佳组合方式偏置电压，设计DC-DC电路。DC-DC电路的输入电压来自基准电压，N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线D_K+N+1-D_K+2N控制，其输出电压V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置。通过数字信号线D_Tune1-D_TuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小，将得到2^M个电流值，同时也就得到了2^M个偏置电压值，覆盖步骤9所要求的全部电压值。

Claims

1.一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器，其特征在于该放大器包括：

输入匹配级Ⅰ：由第一电感(L_n)和第一电容(C_n)组成的L型匹配电路构成，L型匹配电路结构形式为：第一电感(L_n)与后面连接的中间级Ⅱ并联，第一电容(C_n)与后面连接的中间级Ⅱ串联，且在第一电感(L_n)两端并联第二微调电容阵列(C₁)；

输出匹配级Ⅲ：由实现双端转单端功能的巴伦电路构成，巴伦电路由第二电感(L_m)和第三电容(C_m)组成，且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感(L_o)；

中间级Ⅱ：由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成，其输入端为输入匹配级Ⅰ的输出端，输出端为输出匹配级Ⅲ的输入端；

动态电压偏置电路Ⅳ：由电压转换器(DC-DC)电路构成，为单输入-多输出结构形式，单输入端接基准电压，N个独立输出电路的输出端分别与中间级Ⅱ的N个差分结构电路单元连接，其N个输出V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级Ⅱ的N个差分结构电路单元提供偏置电压。

2.一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1)首先，设计输入匹配网络Ⅰ，采用由第一电感(L_n)和第一电容(C_n)组成的L型匹配电路结构，只是在L型匹配电路中的电感两端并联一可调电容阵列；

1.1)首先，在中间级Ⅱ的N个差分结构电路单元全开启情况下，也即此时对应最大功率输出，设计出对应的标准L型匹配电路，此L型匹配电路由第一电感(L_n)和第一电容(C_n)组成，其电路结构形式为：第一电感(L_n)与后面连接的中间级Ⅱ并联，第一电容(C_n)与后面连接的中间级Ⅱ串联；

1.2)然后，在只有宽长比最小的中间级Ⅱ差分结构单元单独开启的情况下，也即此时对应最小功率输出，在第一电感(L_n)两端并联一个电容，在准确频点获得良好的反射系数；

1.4)在不同功率输出要求下，会得到一系列离散电容值，根据系统可提供的数字控制信号线数目，来选取不同值的片选电容；由这些片选电容组成第二微调电容阵列(C₁)，在数字信号线D₁-D_K的控制下，完成中间级Ⅱ每种差分结构单元组合方式下的输入共轭匹配，以减少反射损耗，达到最大功率传输；

步骤2)然后，设计输出匹配网络Ⅲ：在中间级Ⅱ中N个差分单元电路全部开启的情况下，对差分输出端并联第三电感L_o，L_o与中间级电路的输出电容都成谐振电路，找出最佳负载阻抗Z_opt，取巴伦电路的负载为50欧姆，运用相关公式得出巴伦电路的第二电感L_m和第三电容C_m，这样就完成了输出匹配。

步骤3)其次，设计中间级Ⅱ，根据输出功率的要求，确定各差分结构电路单元的组合方式；

步骤4)最后，确定中间级各差分结构电路单元的偏置电压，设计动态电压偏置电路Ⅳ，在使中间级Ⅱ的差分结构电路单元的输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内，选取10mV或20mV步长的一系列离散电压值，

4.3在不同功率输出要求下，根据步骤4.2)得到一系列电压值，采用DC-DC结构，DC-DC电路的输入电压来自基准电压，N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线D_K+N+1-D_K+2N控制，其输出电压V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级Ⅱ的N个差分结构电路单元提供偏置；通过数字信号线D_Tune1-D_TuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小，将得到2^M个电流值，同时也就得到了2^M个偏置电压值，覆盖步骤4.2)所要求的全部电压值。

3.根据权利要求2所述的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法，其特征在于负载阻抗也即巴伦电路的输入阻抗Z_opt的优化，其值在N个中间级Ⅱ差分单元电路全开启的情况下，通过负载牵引测量获得。

4.根据权利要求2所述的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法，其特征在于步骤3)中，中间级Ⅱ：以N个输入差分对MOS管宽长比不同的差分结构电路作为基本单元，差分结构电路单元的每种组合均对应一个特定的功率输出；对于不同的功率输出要求，用数字控制信号线D_K+1-D_K+N来完成每个差分结构电路单元的开启和断开，即实现不同组合方式的切换。