CN101867347B

CN101867347B - 多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路

Info

Publication number: CN101867347B
Application number: CN 200910081998
Authority: CN
Inventors: 高同强; 杨海钢
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101867347A

Abstract

本发明涉及多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路，属于射频集成电路技术和模拟信号处理领域。该功率放大器电路包括输入级单元、输出级单元、输入匹配单元、输出匹配单元、偏置单元，其中，输入匹配单元分别与射频信号源和输入级单元的栅极相连，输入级单元分别与输入匹配单元和输出级单元相连，输出级单元分别与输入级单元和对应于不同谐振频率的输出匹配单元电路相连，输出匹配单元分别与输出级单元和相应的发射天线相连，偏置单元分别为输入级单元、输出级单元的放大管提供偏置电压；本发明能够实现多频段无线移动通信系统中不同频段射频信号的功率放大功能，具有结构简单、功能完善等特点。

Description

多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路

技术领域

本发明属于多频段无线移动通信系统中射频集成电路技术和模拟信号处理领域，特别涉及无线局域网(WLAN)、无线城域网(WiMAX)、高级国际移动通信技术(IMT-advanced)等多频段无线移动通信系统的无线收发机中频带可重构的功率放大器电路的结构设计。

背景技术

随着无线移动通信技术的发展，无线移动通信系统正从2G、3G向3G+、4G方向发展，出现了多频段的通信标准。如WLAN工作在2.4GHz和5.2GHz两个频段，WiMAX可以工作在3.5GHz和2.5GHz两个频段；国际电信联盟将最新的4G无线移动通信技术命名为IMT-advanced技术，其工作频段预计覆盖700M-6GHz内的几个频带，射频带宽为40M-100MHz。

在设计频带可重构的无线收发系统芯片时，对无线收发机中的各种功能模块提出了相应的要求。做为无线收发机中耗能最大的模块，功率放大器(简称功放)用于将经过上变频后的微弱射频信号进行功率放大，并经由天线发出，功率放大器的输出功率、效率、线性度等特性指标极大地影响了整个无线收发机系统的应用。针对多频段无线通信系统的应用特点，要求功放模块在满足工作频带可重构的前提下，具有高输出功率、低功耗、高线性度等特点。

目前在射频功率放大器的应用中，具备工作频带重构功能的功放模块一般是将多个独立的功放模块简单的并联在一起，如附图1所示，其输入、输出分别接各自的射频信号源和发射天线，通过选通不同的放大通路来完成相应频率下的功率放大功能。这种结构具有芯片面积大、功耗大、不易实现芯片全集成等缺点，严重影响了多频段无线移动通信系统的应用与进一步发展。

发明内容

欲解决的技术问题：

本发明的目的是针对上述多频段无线移动通信系统对收发机芯片中功率放大器模块的特定功能要求，以两个工作频带为例，提出了一种采用标准CMOS工艺实现、应用于多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路。

技术方案：

本发明实现的多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路，包括：在芯片上集成实现的功放模块，所述功放模块包含有输入匹配单元、输入级单元、输出级单元、输出匹配单元、偏置单元，其中：

输入匹配单元分别与射频信号源和输入级单元晶体管的栅极相连，输入匹配单元在宽频带范围内实现射频信号源与输入级单元之间的阻抗匹配；输入级单元分别与输入匹配单元和输出级单元的放大晶体管的栅极相连，输入级单元对输入的射频信号进行预放大，通过控制可控开关的通断状态，改变输入级单元的漏端所接电感的值，以此来改变输入级单元漏端的谐振频率，实现输入级单元的频带可重构；具有两个输出匹配单元各自的一端分别连接于输出级单元的一个共源-共栅分支，每个输出匹配单元的另一端与发射天线连接，用于在输出级单元和发射天线之间提供阻抗匹配；偏置单元与输入级单元、输出级单元连接，用于为输入级单元、输出级单元的放大晶体管提供固定的偏置电压。

优选地，所述输出级单元采用改进的共源-共栅(cascode)电路结构，此结构包含有一个共源放大晶体管、两个共栅晶体管和相应的漏端谐振电路，共源放大晶体管作为输出级的主功率放大管，其栅极与输出级单元的输出端口相连，源级接地，漏极与两个共栅晶体管的源级相连；两个共栅晶体管的栅极分别接控制信号和经过反相后的控制信号，漏极分别接各自的漏端谐振电路；相应的漏端谐振电路分别设计工作在不同的工作频率；在控制信号的作用下，用以选择其中一个共栅晶体管导通，而另一个共栅晶体管截止，则在任一时刻只有一个输出通路工作，只有一个工作频带被选通。

优选地，所述输入匹配单元、输出匹配单元是无源元件，所述无源元件为电容、变容管、电感、开关电感或变压器。

优选地，所述输入匹配单元是由片上元件组合而成的一个宽带匹配网络。

优选地，所述输出匹配单元，是由片上无源元件组成的窄带匹配电路，其工作频率为选通的工作频带。

优选地，所述输出级单元对经过输入级单元放大后的射频信号进行功率再放大，在任一时刻只有一个输出级单元的通路工作。

优选地，所述输入匹配单元的宽频带为数百MHz带宽到数GHz带宽的范围。

有益效果：

本发明所述频带可重构的射频功率放大器的电路结构，具有结构简单、面积小、功能完善、可靠性高等特点。采用标准CMOS工艺的原因是其价格较低，便于实现射频收发机系统的全集成设计，同时所实现的功放电路性能已能满足相应的无线通信系统的要求。特别说明，本发明所述射频功率放大器结构并不局限在CMOS工艺条件，也可以应用到其他射频工艺下功率放大器的设计中。本发明克服了以往多个单一频率功放电路简单并联的模式，使得芯片结构简单、面积减小、功耗降低，从而降低了成本，更加易于射频功放电路全集成的芯片实现。

附图说明

图1为常见的双频带射频功率放大器的电路结构示意图。

图2为本发明的双频带射频功率放大器的电路结构原理图。

图3为本发明的实施例2中输入级单元的电路结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，进一步说明本发明的频带可重构的射频功率放大器电路的详细结构及工作原理。

本发明设计的用于多频段无线移动通信系统中可重构的射频功率放大器电路结构如附图2所示，包含有输入匹配单元1、输入级单元2、输出级单元3、输出匹配单元4、多个偏置单元5，上述各单元电路的连接关系为：输入匹配单元1分别与射频信号源V_in和输入级单元2的晶体管栅极相连，输入级单元2分别与输入匹配单元1和输出级单元3的共源晶体管的栅极相连，输出级单元3与输入级单元2和相应的输出匹配单元4相连，两个输出匹配单元4分别与各自对应的输出级单元3的共源-共栅(cascode)分支和发射天线相连；其中：

所述输入匹配单元1由片上元件组合而成一个宽带匹配网络，用于在很宽的频带范围内实现射频信号源和输入级单元2之间的阻抗匹配，并提供平坦的增益；

所述输入级单元2含有可控开关SW、第一电感L₂₁、第二电感L₂₂、电阻R₂、晶体管M2、级间电容C₃，第一电感L₂₁与第二电感L₂₂串联连接，第一电感L₂₁的一端与电源VDD的正端连接；第二电感L₂₂的一端与晶体管M2的漏极端连接；晶体管M2的栅极端与电阻R₂的一端和输入匹配单元1的输出端连接，漏极端与第二电感L₂₂的一端连接，源极端与电源VDD的地端连接；可控开关SW的一端与第一电感L₂₁与第二电感L₂₂的节点连接，可控开关SW的另一端与电源VDD的正端连接；级间电容C₃分别与输出级单元3的输入端、第二电感L₂₂的一端和晶体管M2的漏极端连接；所述输入级单元2用于将射频信号源V_in的输入信号进行预放大，通过控制可控开关SW的通断，可以改变输入级单元2漏端所接电感的值(L₂₂或L₂₁+L₂₂)，以此来改变输入级单元2的谐振工作频率，实现输入级单元2的工作频带可重构功能。

所述输出级单元3用于对经过输入级单元2放大后的射频信号进行再放大，此输出级单元3含有一个共源放大晶体管M1、第一共栅晶体管M11、第二共栅晶体管M12和相应的第一漏端电感L₁₁、第二漏端电感L₁₂，还有一个反相器INV、第一电容C₁和第二电容C₂，第一漏端电感L₁₁分别与电源VDD的正端和第一共栅晶体管M11的漏极端连接；第二漏端电感L₁₂分别与电源VDD的正端和第二共栅晶体管M12的漏极端连接；第一共栅晶体管M11的源极端和第二共栅晶体管M12的源极端分别与共源放大晶体管M1的漏极端连接，第一共栅晶体管M11和第二共栅晶体管M12的栅极端分别与反相器INV的两端连接；共源放大晶体管M1的栅极端与电阻R₁的一端和输入级单元2的输出端连接；第一电容C₁和第二电容C₂各自的一端分别与第一漏端电感L₁₁和第二漏端电感L₁₂的一端及第一共栅晶体管M11和第二共栅晶体管M12的漏极端连接。由共源放大晶体管M1、第一共栅晶体管M11、第一漏端电感L₁₁、第一电容C1组成的第一共源-共栅分支和由共源放大晶体管M1、第二共栅晶体管M12、第二漏端电感L₁₂、第二电容C2组成的第二共源-共栅分支分别设计工作在不同的工作频率。在控制信号V_cnt和反相器INV的作用下，可以选择其中第一共栅晶体管M11或第二共栅晶体管M12导通，而第二共栅晶体管M12或第一共栅晶体管M11截止，这样在任一时刻只有一个共源-共栅分支被选通，也就是只有一个频率的功放电路处于工作状态，实现输出级的工作频带可重构。

所述输出匹配单元4是由片上无源元件组成，本结构中两个输出匹配单元4的输入端分别与输出级单元3的第一电容C₁和第二电容C₂连接；用于在输出级单元3和发射天线A和发射天线B之间提供阻抗匹配，两个输出匹配单元分别对应于不同的共源-共栅分支，工作在不同的工作频带。

两个偏置单元5用于分别为输入级单元2的共源放大晶体管M2、输出级单元3的共源放大晶体管M1提供固定的偏置电压。

采用本发明的多频段射频功率放大器电路(以双频带电路为例)，当要求工作于某一个工作频率f1时，控制信号V_cnt为高，此时可控开关SW闭合，输入级单元2的漏端电感为L₂₂，第二漏端电感L₂₂和级间电容C₃谐振工作频率为f1；在输出级单元3，第一共栅晶体管M11导通、第二共栅晶体管M12截止，此时只有设计工作频率为f1的输出通路导通。当要求工作于另一个工作频率f2时，控制信号V_cnt为低，可控开关SW打开，此时输入级单元2的漏端电感为(L₂₁+L₂₂)，(L₂₁+L₂₂)和级间电容C₃谐振工作频率为f2；而在输出级单元3，第二共栅晶体管M12导通、第一共栅晶体管M11截止，此时只有工作频率为f2的输出通路导通。总之，通过对控制信号V_cnt值的选择，可以实现功放电路在不同工作频带之间的状态切换。

采用本发明的频带可重构的射频功率放大器电路的总体结构如图2所示，在控制信号V_cnt和反相器INV、可控开关SW等的作用下，可以实现功放电路在不同频带之间的状态切换，达到工作频带可重构的功能。同时，整个功放电路的电源VDD通过片上电感为各放大晶体管提供电源电压。

下面进一步说明本发明技术方案的实施方式，各实施例分别说明如下：

实施例1

本发明的输入匹配单元1实施例如图2中所示，可以在数百MHz频带到数GHz的频带范围内(如200MHz带宽、1GHz带宽、3GHz带宽、7GHz带宽等，不再赘述)实现射频信号源与输入级单元2之间的阻抗匹配，并提供平坦的增益；

本发明的输入级单元2实施例结构如图2中所示，由晶体管M2、第一电感L₂₁、第二电感L₂₂、可控开关SW、电容C₃、偏置单元5、电阻R₂组成共源极放大电路，用于将经过匹配后的输入射频信号进行预放大。通过控制可控开关SW的通断状态，以选择输入级单元2漏端所接电感的值(L₂₂或L₂₁+L₂₂)，改变了漏端电感与电容C₃的谐振频率，从而改变输入级单元2的工作频率，实现输入级单元2的工作频带可重构功能。

本发明的输出级单元3实施例结构如图2中所示，由第一共源放大晶体管M1、第一共栅晶体管M11、第二共栅晶体管M12、第一漏端电感L₁₁、第二漏端电感L₁₂、反相器INV、第一电容C₁、第二电容C₂、偏置单元5、电阻R₁组成了一个改进的共源-共栅放大结构，对经过输入级单元放大后的射频信号进行功率再放大。由共源放大晶体管M1、第一共栅晶体管M11、第一漏端电感L₁₁、第一电容C1组成的第一共源-共栅分支和由共源放大晶体管M1、第二共栅晶体管M12、第二漏端电感L₁₂、第二电容C2组成的第二共源-共栅分支分别设计工作在不同的工作频率。在控制信号V_cnt和反相器INV的作用下，可以选择其中第一共栅晶体管M11或第二共栅晶体管M12导通，而第二共栅晶体管M12或第一共栅晶体管M11截止，这样在任一时刻只有一个共源-共栅分支被选通，也就是只有一个频率的功放电路处于工作状态，实现输出级的工作频带可重构。

本发明的输出匹配单元4实施例如图2中所示，它们是窄带匹配电路，用于将输出级单元3的输出阻抗匹配到相应的发射天线上；

本发明的偏置电压电路实施例如图2中所示，其作用是分别为输入级单元2、输出级单元3的共源放大晶体管提供相应的偏置电压。

整个频带可重构的双频射频功率放大器的工作过程为：当功放工作于某一个频带f1时，控制信号V_cnt设为高，此时可控开关SW闭合，输入级单元2的电感为L₂₂，第二电感L₂₂和级间电容C₃谐振在f1；在输出级单元3，第一共栅晶体管M11导通、第二共栅晶体管M12截止，相应的输出匹配单元4谐振在f1频带，经过相应的天线A向外发射频率为f1的射频信号。当功放工作于另一个工作频带f2时，控制信号V_cnt设为低，此时可控开关SW打开，输入级单元2的电感为(L₂₁+L₂₂)，(L₂₁+L₂₂)和级间电容C₃谐振在f2；而在输出级单元3，第二共栅晶体管M12导通、第一共栅晶体管M11截止，相应的输出匹配单元4谐振在f2频带，经过相应的天线B向外发射频率为f2的射频信号。

总之，通过对控制信号V_cnt值的设定，实现了功放电路在不同频带之间的状态切换，达到工作频带可重构的功能。

实施例2

本实施例采用的功放电路结构，其中输入匹配单元1、输出级单元3、输出匹配单元4、偏置单元5均与实施例1相同，在此不再重述。本实施例与实施例1的唯一差别在于，输入级晶体管M2漏端电感的选择不是由如图2所示的第一电感L₂₁、第二电感L₂₂以及可控开关SW的组合来完成，而是由一个开关电感、两个可控开关以及一个反相器来完成，如附图3所示。

本实施例中，输入级单元2含有开关电感L₂、可控开关SW1、SW2、反相器INV2、电阻R₂、晶体管M2、级间电容C₃，开关电感L₂的一端与晶体管M2的漏极端相连，一端与可控开关SW2相连，中间抽头与可控开关SW1相连；可控开关SW1的一端与电源VDD的正端连接，另一端与开关电感的中间抽头相连，其控制端接控制信号V_cnt；可控开关SW2的一端与电源VDD的正端连接，另一端与开关电感的一端相连，其控制端接控制信号V_cnt经过反相器INV2后的输出；晶体管M2的栅极端与电阻R₂的一端和输入匹配单元1的输出端连接，漏极端与电感L₂的一端连接，源极端与电源VDD的地端连接；级间电容C₃分别与输出级单元3的输入端、电感L₂的一端和晶体管M2的漏极端连接。所述输入级单元2用于将射频信号源V_in的输入信号进行预放大，通过控制可控开关SW1、SW2的通断，可以改变输入级单元2漏端所接电感L₂的值，以此来改变输入级单元2的工作频率，实现输入级单元2的工作频带可重构功能。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种多频段无线移动通信系统中频带可重构的功率放大器电路，其特征在于，针对多频段无线通信系统的应用特点，要求所述功率放大器电路在满足工作频带可重构的前提下，具有高输出功率、低功耗、高线性度，所述功率放大器由片上集成器件实现，包含有输入匹配单元、输入级单元、输出级单元、输出匹配单元、偏置单元，其中：

输入匹配单元分别与射频信号源和输入级单元晶体管的栅极相连，输入匹配单元由片上元件组合而成一个宽带匹配网络，用于在宽频带范围内实现射频信号源与输入级单元之间的阻抗匹配；

输入级单元分别与输入匹配单元和输出级单元的放大晶体管的栅极相连，输入级单元对输入的射频信号进行预放大，通过控制可控开关的通断状态，改变输入级单元的漏端所接电感的值，以此来改变输入级单元漏端的谐振工作频率，实现输入级单元的工作频带可重构；

输出级单元对经过输入级单元放大后的射频信号进行功率再放大，在任一时刻只有一个输出级单元的通路工作；

具有两个输出匹配单元各自的一端分别连接于输出级单元的一个共源-共栅分支，每个输出匹配单元的另一端与发射天线连接，用于在输出级单元和发射天线之间提供阻抗匹配；输出匹配单元，是窄带匹配电路，用于将输出级单元的输出阻抗匹配到相应的发射天线上；

偏置单元与输入级单元、输出级单元连接，用于为输入级单元、输出级单元的放大晶体管提供偏置电压。

2.根据权利要求1所述的频带可重构的射频功率放大器电路，其特征在于，所述输出级单元采用改进的共源-共栅电路结构，此结构包含有一个共源放大晶体管、两个共栅晶体管和相应的漏端谐振电路，共源放大晶体管作为输出级的主功率放大管，其栅极与输入级单元的输出端口相连，源级接地，漏极与两个共栅晶体管的源级相连；两个共栅晶体管的栅极分别接控制信号和经过反相后的控制信号，漏极分别接各自的漏端谐振电路；相应的漏端谐振电路分别设计工作在不同的工作频率；在控制信号的作用下，用以选择其中一个共栅晶体管导通，而另一个共栅晶体管截止，则在任一时刻只有一个输出通路工作，只有一个工作频带被选通。

3.根据权利要求1所述的频带可重构的射频功率放大器电路，其特征在于，所述输入匹配单元、输出匹配单元采用了无源元件，所述无源元件为电容、变容管、电感、开关电感或变压器。

4.根据权利要求1所述的频带可重构的射频功率放大器电路，其特征在于，所述输出匹配单元，是由片上无源元件组成的窄带匹配电路，其工作频率为选通的工作频带。

5.根据权利要求1所述的频带可重构的射频功率放大器电路，其特征在于，所述输入匹配单元的宽频带为数百MHz带宽到数GHz带宽的范围。