CN101868913B - 低功率消耗混合模式功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低功率消耗混合模式放大器。该功率放大器包括：低输出放大器电路，用于在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果；高输出放大器电路，用于在消耗最多功率的区域的高输出模式中生成高线性的放大结果；放大器控制器，用于根据输入信号的功率电平来选择性激活所述低和高输出放大器电路。所述高和低输出放大器电路具有预定增益差。

Description

低功率消耗混合模式功率放大器

技术领域

这里公开的本发明涉及无线通信终端和系统中的功率放大器，并更具体地，涉及具有至少两个工作模式的混合模式功率放大器。 

本发明由以下研究得出，该研究被实现为信息通信部和信息技术联盟协会(MIC/IITA)的IT R&D计划的一部分[2005-S-017-03]，Integrateddevelopment of ultra low power RF/HW/SW SoC。 

背景技术

根据信息通信技术的最新发展，基于例如高速因特网、无线因特网、便携式因特网、地面数字多媒体广播(DMB)、卫星DMB等的各种形式通信基础结构，例如电影、图像、音乐内容、电子书等的各种内容处于积极使用中。当考虑当前技术发展趋势时，未来移动终端能提供与典型基于语音的服务不同的例如语音、因特网、电影、和电子签名/测量/控制的多种服务。为了实现那些服务，需要复杂功能和高传送速度，并且连同它们一起，功耗是最重要的上升(rising)问题之一。 

作为信号传送的关键组件的功率放大器是移动通信终端中的最多功率消耗器件。通过降低移动通信终端和移动电话中的功率放大器的功耗，可实现低功耗系统的多功能和复杂功能。结果，可使得新移动通信服务产业恢复生机，并由此每一个体可通过一个终端享受各种便利功能的服务。此外，由于用户可能在特别长的时间中享受多媒体通信，所以不管时间和空间来实现前沿(leading)信息交换所。因此，为了在经济学方面在全球市场中维持移动终端的具有较好竞争力的功率并创建各种附加服务，必须实现低功耗组件。 

图1是典型混合模式功率放大器的框图。 

参考图1，功率放大器包括用于放大射频(RF)输入信号的高输出放大器单元10、用于确定高输出放大器单元10的消耗电流I₁和I₂的模式开关20、用于匹配高输出放大器单元10的输入阻抗的输入阻抗匹配电路30、和用于匹配高输出放大器单元10的输出阻抗的输出阻抗匹配电路40。图1的功率 放大器是能够切换到低输出模式或高输出模式的混合模式功率放大器，其示例公开于Ballantyne在2000年5月30日提交的名为“PARTIAL ORCOMPLETE AMPLIFIER BYPASS”的美国专利第6,069,526号中。 

当前，高输出放大器10主要使用异质结双极晶体管(HBT)阵列、双极结晶体管(BJT)阵列、场效应晶体管(FET)阵列、和互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列之一。一般来说，当RF输出功率小于直流(DC)消耗功率时，典型功率放大器具有非常低的功率效率。为了解决该限制，如图1中图示的那样，已提出了根据输出功率的强度在高输出模式或低输出模式中工作的混合模式功率放大器。 

模式开关20确定混合模式功率放大器的高或低输出模式中的消耗电流I₁和I₂。低输出模式中的消耗电流₂小于该输出模式中的消耗电流I₁。一般来说，利用电池电源电压(例如，在移动电话的情况下，大约3.4V到大约4.2V)来确定功率放大器的电源电压。因此，通过电源DC电流的量来确定功率放大器的功耗。 

当RF输入在高输出放大器10中增强时，从高输出放大器10输出的RF功率连同消耗的DC电流一起增加。在这一点，由大约1W的高输出模式中的电池电源电压电平来确定用于生成最大输出功率的电压摆动宽度。在高输出功率模式中，使用大约0欧到大约5欧的负载阻抗来调整电流摆动宽度。与此形成对比的是，由于输出功率在大约16dBm的低输出模式中为低，所以不是显著增加电流消耗，而是使用大于大约15欧的负载阻抗，以允许RF电压摆动大小接近电池电源电压宽度。所以，可改善功率效率。 

如果相等地共享功率放大器的高输出模式和低输出模式之间的输出阻抗，则首先为了满足移动电话的最大输出需求，负载阻抗需要足够用于高输出模式。因此，即使高和低输出模式中的工作点的消耗电流I₁和I₂通过模式开关改变，但是由于负载阻抗的限制，所以小于大约16dBm的低输出模式中的效率可以不大于大约10％。在该情况下，如果两个模式中的消耗电流I₁和I₂逐渐降低，则效率可增加。另一方面，在高输出模式的信号操作中出现非线性的特性。这恶化了功率放大器的线性。所以，仅通过简单改变消耗电流I₁和I₂(即简单模式开关操作)，来实现在高和低输出模式中能够维持高线性并具有高效率的功率放大器存在限制。 

图2是根据码分多址(CDMA)移动通信终端和移动电话的输出的概率密度函数的图。图2的表列出在D.A.Teeter、E.T.Spears、H.Bui、H.Jiang和D.Widay所著的名为“Average current reduction in(W)CDMA poweramplifiers”的论文的第429-432页的IEEE Radio Freq.Integr.Circuits(RFIC)Symp.Dig.中。图2的表图示了在城市和郊区中根据移动通信终端和移动电话的输出的概率密度。

参考图2，移动通信终端和移动电话的实际使用率集中于其中输出功率小于大约16dBm的区域(即，低输出模式区域)。然而，设计电压放大器电路的最大效率的负载阻抗用于高输出模式，以便满足最大输出需求。为此原因，在具有最高实际使用率的低输出模式中，功率效率相对降低。 

最近，为了描述在例如移动通信终端和移动电话的系统中的功率放大器的效率改善，使用用于平均功率使用效率(APUE)的概念(notion)。如下面的等式1和等式2那样，由供应的DC功率和平均输出功率的比率来定义APUE。 

[等式1] 

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{USE}}=\frac{<P_{\mathrm{OUT},i}>}{<P_{\mathrm{IN},i}>}$

[等式2] 

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{USE}}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^M\mathrm{pdf}\left(P_{\mathrm{OUT},i}\right)\&CenterDot;P_{\mathrm{OUT},i}}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^M\mathrm{pdf}\left(P_{\mathrm{OUT},i}\right)\&CenterDot;I_{C,i}\&CenterDot;V_{\mathrm{CC},i}}$

其中，<P_OUT，i>和<P_IN，i>分别代表根据功率放大器的pdf的平均RF输出功率和供应的DC功率消耗。Pdf代表根据图2中图示的输出的概率函数值。 

一般来说，最大输出功率代表CDMA功率放大器中的最重要特性。然而，如图2中图示的，大多数放大器在城市中以大约0dBm的低输出功率(即，低输出模式区域)工作。大约28dBm输出功率的概率是大约0.2％，而该概率在大约0dBm的低输出电平中大于大约3％。概率分布函数具有与高斯分布曲线类似的形式。Pdf函数在大约16dBm之前计算的积分值为大约94％。因此，为了增加终端的电池使用时间，该功率放大器中的功率单元的效率在其中使用频率统计上为高的区域中需要增加。 

发明内容

技术问题 

本发明提供了一种能够提供高功率使用效率并降低功耗的混合模式功率放大器。 

本发明还提供了一种能够使得最频繁使用的区域中的效率最大化以便延长电池使用时间的混合模式功率放大器。 

本发明还提供了一种能够自由调整高输出放大器和低输出放大器的增益差以便容易地执行系统的功率电平调整的混合模式功率放大器。 

技术方案 

本发明的实施例提供了一种功率放大器，包括：低输出放大器电路，用于在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果；高输出放大器电路，用于在消耗最多功率的区域的高输出模式中生成高线性的放大结果；和放大器控制器，用于根据输入信号的功率电平来选择性激活所述低和高输出放大器电路。所述高和低输出放大器电路具有预定增益差。 

在本发明的其他实施例中，一种功率放大器包括：低输出放大器单元，用于在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果；高输出放大器单元，用于在消耗最多功率的区域的高输出模式中生成具有高线性的放大结果；增益控制器，用于通过具有预定增益差的多个放大器单元来放大输入信号，并将放大结果提供到所述高和低输出放大器单元；和放大器控制器，用于根据输入信号的功率电平来选择性地激活所述低和高输出放大器单元。 

在本发明的其他实施例中，一种功率放大器包括：输入阻抗匹配单元，被配置为对输入信号进行阻抗匹配；第一放大器单元，用于对输入阻抗匹配结果进行放大；第一中间阻抗匹配单元，被配置为对该第一放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；低输出放大器单元，用于在低输出模式中对该第一中间阻抗匹配结果进行放大；第二放大器单元，用于在高输出模式中对该第一中间阻抗匹配结果进行放大；第二中间阻抗匹配单元，被配置为在高输出模式中对该第二放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；高输出放大器单元，用于在高输出模式中对该第二中间阻抗匹配结果进行放大；放大器控制器，用于响应于该输入信号的功率电平来控制该低输出放大器单元、该第二放大器单元和该高输出放大器单元的放大操作；和输出阻抗匹配单元，被配置为对所述低和高输出放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。 

在本发明的其他实施例中，一种功率放大器包括：输入阻抗匹配单元， 被配置为对输入信号进行阻抗匹配；第一放大器单元，用于对输入阻抗匹配结果进行放大；第一中间阻抗匹配单元，被配置为对该第一放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；低输出放大器单元，包括分别具有不同高效率工作区的多个非线性放大器单元，以在低输出模式中对第一中间阻抗匹配结果进行放大；第二放大器单元，用于在高输出模式中对该第一中间阻抗匹配结果进行放大；第二中间阻抗匹配单元，被配置为在高输出模式中对该第二放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；高输出放大器单元，用于在高输出模式中对该第二中间阻抗匹配结果进行放大；放大器控制器，用于响应于该输入信号的功率电平来控制该低输出放大器单元、该第二放大器单元和该高输出放大器单元的放大操作；和输出阻抗匹配单元，被配置为对所述低和高输出放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。 

在本发明的其他实施例中，一种功率放大器包括：输入阻抗匹配单元，被配置为对输入信号进行阻抗匹配；第一放大器单元，包括串联连接的多个放大器单元，用于对输入阻抗匹配结果进行顺序放大；多个第一中间阻抗匹配单元，连接在放大器单元之间，用于对每一放大器单元的输出进行阻抗匹配，所述放大器单元串联连接；低输出放大器单元，用于在低输出模式中对所述第一中间阻抗匹配单元的至少一个阻抗匹配结果进行放大；第二放大器单元，用于在高输出模式中对所述第一中间阻抗匹配单元中的最后第一中间阻抗匹配单元的阻抗匹配结果进行放大；第二中间阻抗匹配单元，用于在高输出模式中对该第二放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；高输出放大器单元，用于在高输出模式中对该第二中间阻抗匹配结果进行放大；放大器控制器，用于响应于该输入信号的功率电平来控制该低输出放大器单元、该第二放大器单元、和该高输出放大器单元的放大操作；和输出阻抗匹配单元，用于对所述低和高输出放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。 

有利效果 

根据本发明，低消耗混合模式功率放大器在低输出模式中通过非线性放大器提供高效率，并在高输出模式中满足其线性以通过高线性获得期望输出。结果，提供了高功率使用效率，并可降低功耗。 

根据本发明的低消耗混合模式功率放大器，在与最频繁使用的区域对应的低输出模式中改善了功率效率，使得可有效增加功率放大器的功率效率。 

另外，根据本发明的低消耗混合模式功率放大器，并联连接的多个非线 性放大器构成低输出放大器，使得获得提供最大效率的优化点。所以，使得功率放大器的效率最大化，并可延长移动通信终端和移动电话的电池使用时间。 

另外，根据本发明的低消耗混合模式功率放大器，因为能自由调整高输出放大器和低输出放大器的增益差，所以可自由调整系统的功率电平。 

附图说明

图1是典型混合模式功率放大器的框图； 

图2是根据CDMA移动通信终端和移动电话的输出的功率密度函数的图； 

图3和4是根据本发明实施例的功率放大器的框图； 

图5是图示了在图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器中的根据低输出模式和高输出模式的增益特性的图； 

图6是图示了在图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器中的根据低和高输出模式的消耗电流特性的图； 

图7是图示了在图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器中的根据低输出模式和高输出模式的功率增加效率(power added efficiency)的特性的图； 

图8是图示了根据图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器的输出功率的线性的特性的图；和 

图9到14分别是根据本发明另一实施例的低功率消耗混合模式功率放大器的框图。 

*图中的附图标记的图示* 

100：输入阻抗匹配单元     200：第一放大器单元 

300：第一中间阻抗匹配单元 400：第二放大器单元 

500：第二中间阻抗匹配单元 600：高输出放大器单元 

700：低输出放大器单元     800：输出阻抗匹配单元 

900：偏置电路             950：放大器控制器 

1000-7000：具有至少两个工作模式的混合模式功率放大器 

具体实施方式

下面将参考附图来更详细地描述本发明的优选实施例。然而，本发明可 按照不同形式实施，并不应被解释为限于这里阐明的实施例。相反，提供这些实施例，使得该公开将全面和完整，并将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。 

本发明的低功率消耗混合模式功率放大器在低输出模式中通过非线性放大器提供高功率效率，并在高输出模式中通过高线性放大器提供期望输出。高输出放大器和低输出放大器被配置为具有增益差。可自由地调整该增益差，并因此可容易地调整系统的功率电平。低输出放大器包括并联连接的多个非线性放大器单元。结果，由于可获得提供最大效率的优化点，所以可使得功率放大器的效率最大化，并可延长移动通信终端和移动电话的电池使用时间。该低功率消耗混合模式功率放大器的详细结构如下。 

图3和4是根据本发明实施例的功率放大器1000的框图。 

参考图3和4，混合模式功率放大器1000包括输入阻抗匹配单元100、第一放大器单元200、第一中间阻抗匹配单元300、第二放大器单元400、第二中间阻抗匹配单元500、高输出放大器单元600、低输出放大器单元700、输出阻抗匹配单元800、偏置电路900、和放大器控制器950。构成混合模式功率放大器1000的功能块100到950根据图3和4中图示的功能块100到950的功能包括低输出放大器电路1100、高输出放大器电路1200、和增益控制器1300。然而，图3和4的功率放大器1000中的每一个包括根据块100到950的功能而进行功能性划分的不同结果1100到1300。功能块100到950的每一结构自己基本上相同。因此，相同的附图标记表示相同块。 

首先，参考图3，混合模式功率放大器1000包括低功率放大器电路1100、高输出放大器电路1200、放大器控制器950、和偏置电路900。低功率放大器电路1100包括输入阻抗匹配单元100、第一放大器单元200、第一中间阻抗匹配单元300、和低输出放大器单元700。低输出放大器电路1100在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果。高输出放大器电路120包括第二放大器单元400、第二中间阻抗匹配单元500、和高输出放大器单元600。高输出放大器电路1200在最多功率消耗区域的高输出模式中生成具有高线性的放大结果。偏置电路900与第一和第二放大器单元200和300相连，以提供驱动电压。放大器控制器950根据输入信号的功率电平来选择性地激活低输出放大器电路1100和高输出放大器电路1200。混合模式功率放大器1000被配置为具有高输出放大器电路1200和低输出放大器电路1100 之间的预定增益差。 

参考图4，混合模式功率放大器1000包括低输出放大器单元700、高输出放大器单元600、增益控制器1300、放大器控制器950、和偏置电路900。增益控制器1300包括输入阻抗匹配单元100、第一放大器单元200、第一中间阻抗匹配单元300、第二放大器单元400、和第二中间阻抗匹配单元500。增益控制器1300通过具有预定增益差的多个放大器单元来放大输入信号，并然后将放大结果提供到低和高输出放大器单元700和600。增益控制器1300通过第一和第二放大器单元200和400放大输入信号，以获得该系统需要的增益。偏置电路900与第一和第二放大器单元200和400相连，以提供驱动电压。放大器控制器950根据输入信号的功率电平来选择性地激活低和高输出放大器电路700和600。低输出放大器单元700响应于放大器控制器950的控制，在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果。高输出放大器单元600响应于放大器控制器950的控制，在最多功率消耗区域的高输出模式中生成具有高线性的放大结果。 

参考图3和4，构成混合模式功率放大器1000的每一功能块100到950如下。 

偏置电路900与输入阻抗匹配单元100和第一中间阻抗匹配单元300之间的路径的一点相连，以便向第一和第二放大器单元200和400提供驱动电压。输入阻抗匹配单元100通过阻抗匹配输出从外部输入的射频(RF)信号。第一放大器单元200接收并放大从输入阻抗匹配单元100输出的信号。第一中间匹配单元300从第一放大器单元200接收放大的高频信号，并通过适当阻抗匹配输出它。将第一中间阻抗匹配单元300的阻抗匹配结果提供到第二放大器单元400和低输出放大器单元700中。这里，第一放大器单元200和低输出放大器单元700可由双极晶体管实现。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，第一放大器单元200和低输出放大器单元700可由异质结双极晶体管(HBT)阵列、双极结晶体管(BJT)阵列、场效应晶体管(FET)阵列、和互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列中的一个(或组合)来实现。 

第二放大器单元400接收并放大从第一中间阻抗匹配单元300输出的信号。第二放大器单元400根据放大器控制器950的控制在最多功率消耗区域的高输出模式(例如，其中输出功率多于大约16dBm的区域)中工作。包括第一和第二放大器单元200和400的放大器的结构充当用于提供系统需要的 增益的增益控制器。具体来说，当实现在高频率区域中工作的放大器时，因为该单元自己的增益小，所以本发明将多个放大器单元串联连接，以便满足系统需求，使得可增加增益。另外，放大器单元的数目可取决于系统中需要的总体信号放大度而改变。例如，在其中需要低放大度的情况下，可省略第一放大器单元200和第一中间阻抗匹配单元300。在其中需要高总体信号放大度的情况下，如图10到14中图示的那样，可通过包括多个放大器单元的多级放大器来实现第一放大器单元(或第二放大器单元)。 

尽管将在下面进行详细描述，但是第二放大器单元400和高输出放大器单元600在高输出模式中工作，而不在低输出模式(例如，其中输出功率低于大约16dBm的区域)中工作。因此，连接在第二放大器单元400和高输出放大器单元600之间的第二中间阻抗匹配单元500基本上在其中第二放大器单元400和高输出放大器600工作的高输出模式中工作。此外，第二中间阻抗匹配单元500在其中第二放大器单元400和高输出放大器单元600不工作的低输出模式中不工作。在高输出模式操作期间，第二中间阻抗匹配单元500接收在第二放大器单元400中放大的高频信号，并通过适当阻抗匹配输出它。将第二中间阻抗匹配单元500的阻抗匹配结果提供到高输出放大器单元600中。根据本发明，其中输出功率超出大约16dBm的区域和其中输出功率小于大约16dBm的区域将被分别描述为高输出模式和低输出模式。然而，高输出模式区域和低输出模式区域之间的边界点仅是本发明所应用到的一个示例。可按照各种形式改变和修改边界点。 

高输出放大器单元600包括具有高线性的高线性放大器单元。例如，高输出放大器单元600可包括A类或AB类的高线性放大器单元。高输出放大器单元600根据放大器控制器950的控制在最多功率消耗区域的高输出模式中工作，并接收从第二中间阻抗匹配单元500输出的信号，以放大该信号。该高输出放大器单元600的面积可被实现为大于该第一放大器单元200和该低输出放大器单元700的面积。这里，该最多功率消耗区域意味着在功率放大器单元中获得最大功率的区域、以及只要在终端中维持线性就可在其间获得最大功率的间隔。在该情况下，负载电流具有高值(或最大值)。 

低输出放大器单元700包括高功率消耗效率的非线性放大器单元，并根据放大器控制器950的控制在最频繁使用的区域的低输出模式(例如，其中输出功率低于大约16dBm的区域)中工作。串联连接的第二放大器单元400、 第二中间阻抗匹配单元500、和高输出放大器单元600的电压路径与低输出放大器单元700并联连接。低输出放大器单元700接收并放大从第一中间阻抗匹配单元300输出的信号。高和低输出模式中的功率放大器单元的增益与第二放大器单元400的增益具有一样多的差。低输出放大器单元700包括具有高电压效率特性的E类非线性放大器单元。一般来说，当观察该功率放大器单元中使用的类时，执行线性操作的D类、E类和F类比执行线性操作的A类、AB类和B类具有更高的效率特性。非线性功率放大器单元在高输入功率状态中使用晶体管的非线性。非线性放大器单元的输出功率不使用调制输入功率的方法，并通过调制偏压Vcc的方法来调整。所以，高输入功率对于利用晶体管的开关特性来说是必须的。 

即，低功率消耗混合模式功率放大器1000将功率放大器的功率终端划分为多于一个，并激活包括E类非线性放大器单元的低输出放大器单元700，以便在低输出模式中获得高效率。所激活的低输出放大器单元700的放大结果通过输出阻抗匹配单元800被阻抗匹配，并然后被输出为低输出模式的功率放大结果。为了在低输出模式操作中实现最大功率特性，重要的是控制该输出阻抗匹配单元800通过阻抗匹配获得最大增加效率。 

低输出模式对应于移动通信终端和移动电话的最频繁使用的区域。向低输出放大器单元700供应预定集电极电压，并向低输出放大器单元700供应比晶体管中的开关特性(即，准E类操作)必需的输入功率低的输入电压。通过设计具有大于大约16dBm的低输出放大器单元700的P1dB，可满足系统的线性标准。这里，P1dB代表1dB增益压缩点，并意味着在功率放大器达到饱和功率之前实际可用的最大功率点。即，最大功率点是功率放大器中稳定可用的最大线性输出功率。因此，尽管低输出放大器单元700包括E类非线性放大器单元，但是P1dB被设计为高于大约16dBm，对于最频繁使用的区域(即，图2中低于大约16dBm的区域)保证线性。所以，低输出放大器单元700不是执行完全开关操作的E类放大器单元，并比一般功率放大器单元具有更高效率。由于该特性改善，所以可使得功率放大器的功率效率最大化。 

另外，低功率消耗混合模式功率放大器1000在高输出模式中激活包括高线性放大器单元的高输出放大器单元600。高输出放大器单元600包括A类或AB类高线性放大器单元以保证高线性。所激活的高输出放大器单元600 的放大结果通过输出阻抗匹配单元800被阻抗匹配，并然后作为高输出模式中的功率放大结果输出。为了在高输出模式操作中获得最大特性，重要的是控制用于阻抗匹配的输出阻抗匹配单元800，以便维持高线性。根据该结构，本发明的功率放大器1000在高输出模式中满足线性，并还在最频繁使用的低输出模式中改善功率效率。结果，可有效延长电池使用时间。 

放大器控制器950通过根据高/低输出模式添加数字信号，而控制第二输出放大器单元400、高输出放大器单元600、和低输出放大器单元700。向以上单元应用典型数字信号控制技术。例如，放大器控制器950基于外部天线输出信号生成功率控制信号。响应于生成的功率控制信号，低输出放大器单元700关断，而第二放大器单元400和高输出放大器单元600接通，用于在高输出模式操作中驱动。在这一点，处于高和低输出模式中的放大器单元1000的增益与第二放大器单元400的增益具有一样多的差。可自由调整所述高和低输出放大器单元的增益差，并由于此，可容易地执行系统的功率电平调整。 

图5是图示了在图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器1000中的根据低输出模式和高输出模式的增益特性的图。 

参考图3和4以及图5，在低输出模式中，根据放大器控制器950的控制，第二放大器单元400和高输出放大器单元600在低功率消耗混合模式功率放大器1000中被关断。在该情况下，第一中间阻抗匹配单元300的匹配结果不由第二放大器单元400和高输出放大器单元600放大，而被直接提供到低输出放大器单元700。因此，在低输出模式中，不存在通过第二放大器单元400和高输出放大器单元600的增益特性。所以，与高输出模式(参考图5的低输出模式区域中的实线)相比，低增益特性存在于低输出模式中。在这一点，处于高和低输出模式中的功率放大器1000的增益与第二放大器单元400的增益具有一样多的差。可自由调整所述高输出放大器单元600和低输出放大器单元700之间的增益差，并由于此，可容易地执行系统的功率电平调整。另外，在功率放大器1000的低输出模式期间，由于不存在通过第二放大器单元400和高输出放大器单元600的增益特性，所以可有效降低第二放大器单元400和高输出放大器单元600的DC功耗。因此，可改善功率增加效率的特性。将参考图7更详细地描述功率增加效率的特性。 

根据放大器控制器950的控制，该低输出放大器单元700在高输出模式期间在低功率消耗混合模式放大器1000中被关断。所以，第一中间阻抗匹配 单元300的匹配结果不由低输出放大器单元700放大，而通过第二放大器单元400和第二中间阻抗匹配单元700被提供到高输出放大器单元600。在该情况下，当输出模式从低输出模式改变为高输出模式(参考图5的高输出模式区域中的实线)时，示出了高增益特性。在这一点，由具有总体高输出功率电平的高输出放大器单元600确定该低功率消耗混合模式功率放大器1000的功率增加效率的特性。 

为了在高和低输出模式期间获得最大特性，重要的是控制用于阻抗匹配的输出阻抗匹配单元800，以便在低输出模式中获得最大的增加效率。另外，根据该阻抗匹配，重要的是，在高输出模式操作期间控制高线性。 

图6是图示了图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器10000的根据低和高输出模式的消耗电流特性的图。 

参考图3和4以及图6，存在仅通过低输出模式中的低输出放大器单元700的消耗电流，并且还存在仅通过高输出模式中的第二放大器单元400和高输出放大器单元600的消耗电流。因此，当低输出模式在类似图6的实线的预定点P处改变为高输出模式时，根据每一工作模式在消耗电流中发生差异。图6的实线中显示的部分代表在低输出模式操作中不关断第二放大器单元400和高输出放大器单元600的典型功率放大器的消耗电流特性。图6的实线的部分代表在低输出模式操作期间关断第二放大器单元400和高输出放大器单元600的功率放大器100的消耗电流特性。参考图6，根据功率放大器1000，因为第二放大器单元400和高输出放大器单元600在低输出模式操作期间不消耗电流，所以与典型方法相比消耗更少消耗电流。 

图7是图示了图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器1000的根据低和高输出模式的功率增加效率的特性的图。 

参考图3、4和7，该低功率消耗混合模式功率放大器1000在低输出模式中激活具有低效率特性的低输出放大器单元700，并使得第二放大器单元400和高输出放大器单元600无效。所以，降低了由于第二放大器单元400和高输出放大器单元600造成的DC消耗。结果，在低输出模式中改善了功率增加效率的特性。另外，该低功率消耗混合模式功率放大器1000在高输出模式中使得低输出放大器单元700无效，并激活第二放大器单元400和高输出放大器单元600。在该情况下，因为没有损耗地传递该高输出放大器单元600的输出，所以可获得高的增加效率。 

一般来说，当RF输出功率与输入的DC消耗功率相比为低时，功率放大器具有非常低的功率效率。可通过下面的等式PAE(％)＝(输出RF功率-输入RF功率)/输入DC功率×100来获得功率放大器的功率增加效率(PAE)。这里，输入和输出的RF功率是固定的，并且当输入当前DC功率低时，PAE增加。贯穿该原理，在低输出模式中，低输出放大器700的输出电压使得输出电压最小化，以便使得功率放大器单元1000的效率最大化。 

参考图7，虚线的部分图示了当低功率放大器单元包括线性功率放大器单元(或具有大面积的放大器单元)时、典型功率放大器的增加效率特性。实线的部分图示了当低输出放大器700包括占用小面积的非线性功率放大器单元时、功率放大器1000的功率增加效率的特性。如图7中图示的，典型功率放大器在低于预定点P(例如，大约16dBm)的区域(即，最频繁使用的区域)处具有低效率的输出功率。然而，因为低输出放大器单元700包括在功率放大器1000中占用小面积的非线性放大器单元，所以如实线中图示的那样在最频繁使用的输出功率区域中可改善效率。即，根据功率放大器1000的结构，低输出模式的增加效率可几乎达到最大输出功率模式(即，高输出模式)的效率。 

图8是图示了根据图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器的输出功率的线性的特性的图。 

将作为代表功率放大器的线性的索引的相邻信道泄漏比(ACLR)用作代表W-CDMA中的功率放大器的线性的标准。预定点P(例如，大约16dBm)以下的虚线面积图示了典型功率放大器中的低输出模式的ACLR。此外，实线的部分图示了使用非线性放大器作为低输出放大器的功率放大器1000的ACLR。 

参考图3、4和8，功率放大器1000使用具有大面积的线性放大器单元作为高输出模式中的高输出放大器单元600。因此，这满足预定ACLR的标准(即，功率放大器的线性)。然而，将具有小面积的非线性放大器用作低输出模式中的放大器单元700。因此，与典型功率放大器中的低输出模式的ACLR值(图8中的虚线的部分)相比，低输出模式中的ACLR的值可增加。然而，因为一旦将增加的ACLR值限于任意标准的区域(点R的虚线延长线)，该线性就可维持在该标准所定义的预定范围内。所以，可容易地满足系统的标准。 

图9到14分别是根据本发明另一实施例的低功率消耗混合模式功率放大器2000到7000的框图。 

图9的低功率消耗混合模式功率放大器2000等同于图3和4中的低功率消耗混合模式功率放大器，除了并联连接的多个非线性放大器单元700a到700m之外。相同的附图标记表示相同的部分，并且为了简明将省略其重复描述。 

参考图9，多个低输出放大器单元700a到700m(a和m是正整数)包括具有高功率效率的非线性放大器单元，并在最频繁使用的区域(例如，其中输出功率低于大约16dBm的区域)的低输出模式中工作。低输出放大器单元700a到700m中的每一个可被配置为分别具有输入信号的功率电平中的不同高效率工作区。低输出放大器单元700a到700m中的每一个可根据放大器控制器950的控制在最频繁使用的区域的低输出模式中被选择性激活。例如，在最频繁使用的区域的低输出模式中的低输出放大器单元700a到700m中，仅可激活第一低输出放大器单元700a，或仅可激活的第一和第二低输出放大器单元700a和700b。或者，可在最频繁使用的区域的低输出模式中仅激活第m低输出放大器单元700m。有关低输出放大器单元700a到700m的选择性激活操作可获得用于生成最大效率的多个优化点。因此，使得功率放大器2000的效率最大化，并由于此，可更有效地延长移动通信终端和移动电话的电池使用时间。 

参考图10，低功率消耗混合模式功率放大器3000等同于图3和4的低功率消耗混合模式功率放大器，除了多个第一放大器单元200a到200n(a和n是正整数)与多个对应中间阻抗匹配单元300a到300n串联相连之外。因此，相同的附图标记表示相同的部分，并为了简明将省略其重复描述。 

如图10中所示，第一放大器单元200a到200n以及对应中间阻抗匹配单元300a到300n从偏置电路900接收驱动电压。第一放大器单元200a到200n的输出端分别与对应中间阻抗匹配单元300a到300n相连。输入阻抗匹配单元100对从外部输入的RF信号进行阻抗匹配并输出。输入阻抗匹配单元100的阻抗匹配结果通过第一放大器单元200a到200n以及对应中间阻抗匹配单元300a到300n被放大和阻抗匹配。将第n中间阻抗匹配单元300n的阻抗匹配结果提供到第二放大器单元400和低输出放大器单元700。 

功率放大器3000在高输出模式操作期间控制并关断低输出放大器单元 700，并控制和接通第二放大器单元400和高输出放大器单元600。在这一点，将第n中间阻抗匹配单元300n的阻抗匹配结果提供到第二放大器单元400中。功率放大器3000在低输出模式操作期间关断第二放大器单元2400和高输出放大器单元600并接通低输出放大器单元700。在这一点，将第n中间阻抗匹配单元300n的阻抗匹配结果提供到低输出放大器单元700。根据该结构，高输出模式和低输出模式中的功率放大器的增益与第二放大器单元400的增益具有一样多的差异。 

另一方面，如图10中图示的，包括多个划分的第一放大器单元200a到200n的功率放大器的结构提供系统需要的增益。特别是，当实现在高频率区域中工作的功率放大器时，每一单元自己的小增益存在限制。然而，如果通过根据本发明的第一放大器单元200a到200n逐步调整增益，则每一放大器单元的小增益可充分满足系统需要的增益。 

参考图11，低功率消耗混合模式功率放大器4000基本上等同于图10的低功率消耗混合模式功率放大器，除了低输出放大器单元700的输入信号路径之外。因此，相同的附图标记表示相同的部分，并且为了简明将省略其重复描述。 

在图11中，在低输出模式操作期间，根据放大器控制器950的控制来关断第二放大器单元400和高输出放大器单元600，并将输入阻抗匹配结果通过第一放大器单元200和第一中间阻抗匹配单元300a提供到低输出放大器单元700。与此不同的是，在高输出模式操作期间，根据放大器控制器950的控制来关断低输出放大器单元700，并且输入阻抗匹配结果通过第一放大器单元200a到200n和对应中间阻抗匹配单元300a到300n被放大和阻抗匹配。将第n中间阻抗匹配单元300n的阻抗匹配结果通过第二放大器单元400提供到第n-1中间阻抗匹配单元500和高输出放大器单元600。根据该结构，高和低输出模式中的放大器4000的增益与第一放大单元200b到200n(n-1的数目)和第二放大器单元400的增益具有一样多的差异。这里，可通过改变低输出放大器单元700的输入信号路径，来按照各种形式修改高和低输出模式中的放大器4000的增益。可通过改变第一放大器单元200a到200n和低输出放大器单元700的连接关系，来完成低输出放大器单元700的输入信号路径的改变。 

参考图12，低功率消耗混合模式功率放大器5000基本上等同于图10的 低功率消耗混合模式功率放大器，除了并联连接的非线性放大器单元700a到700m之外。因此，相同的附图标记表示相同的部分，并为了简明将省略其重复描述。 

参考图12，多个低输出放大器单元700a到700m(a和m是正整数)包括高功率效率的非线性放大器单元。根据放大器控制器950的控制，低输出放大器单元700a到700m在最频繁使用的区域(例如，其中输出功率低于大约16dBm的区域)的低输出模式中工作。低输出放大器单元700a到700m中的每一个可根据放大器控制器950的控制在最频繁使用的区域的低输出模式中被选择性激活。例如，在最频繁使用的区域的低输出模式中的低输出放大器单元700a到700m中，仅激活第一低输出放大器单元700a，或仅激活第一和第二低输出放大器单元700a和700b。或者，可在最频繁使用的区域的低输出模式中仅激活第m低输出放大器单元700m。低输出放大器单元700a到700m的选择性激活操作可获得生成最大效率的多个优化点。因此，使得功率放大器2000的效率最大化，并由于此，可更有效地延长移动通信终端和移动电话的电池使用时间。 

参考图13，低功率消耗混合模式功率放大器6000等同于图12的低功率消耗混合模式功率放大器，除了低输出放大器700的输入信号路径之外。因此，相同的附图标记表示相同的部分，并为了简明将省略其重复描述。 

在图13中，在低输出模式中，多个低输出放大器700a到700m(a和m是正整数)根据放大器控制器950的控制在最频繁使用的区域的低输出模式中被选择性激活。激活的低输出放大器单元700a到700m接收并放大第一中间阻抗匹配单元300a的阻抗匹配结果。而且，在高输出模式操作期间，低输出放大器单元700a到700m根据放大器控制器950的控制被关断。另外，第一中间阻抗匹配单元300a的阻抗匹配结果通过第一放大器单元200b到200n和对应中间阻抗匹配单元300b到300n被放大和阻抗匹配。然后，将阻抗匹配结果通过第二放大器单元400顺序提供到第n-1中间阻抗匹配单元500和高输出放大器单元600。根据该结构，可自由调整高和低输出模式中的功率放大器600的增益，并可实现生成最大效率的优化点。因此，使得功率放大器600的效率最大化，并由于此，可更有效地延长移动通信终端和移动电话的电池使用时间。 

参考图14，低功率消耗混合模式功率放大器7000等同于图13的低功率 消耗混合模式功率放大器，除了低输出放大器700的输入信号路径之外。因此，相同的附图标记表示相同的部分，并为了简明将省略其重复描述。 

在图14中，在低输出模式操作期间，低输出放大器单元700a到700n(a和n是正整数)分别接收和放大中间阻抗匹配单元300b到300n(b和n是正整数)的输出。在低输出模式操作期间，根据放大器控制器950的控制来关断第二放大器单元400和高输出放大器单元600。如图14中图示的，低输出放大器单元700a到700n分别对应于中间阻抗匹配单元300b到300n。然而，可按照各种形式修改低输出放大器单元的数目、中间阻抗匹配单元的数目、以及它们之间的连接关系。另外，可按照各种形式修改用于选择性激活n个数目的低输出放大器单元700a到700n的方法。 

根据以上结构，具有小增益的放大器单元可充分满足系统需要的增益。另外，可自由调整高和低输出模式中的放大器700的增益，并可获得生成最大效率的优化点。另外，使得功率放大器7000的效率最大化，并由于此，可更有效地延长移动通信终端和电话的电池使用时间。 

另一方面，可通过作为示例的双极晶体管来实现本发明的放大器单元(例如，第一放大单元和低输出放大器单元)，但是这仅是本发明的一个示例。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可通过HBT阵列、BJT阵列、FET阵列、和CMOS阵列中的一个(或组合)来实现本发明的放大器单元。 

另外，放大器单元的数目可根据系统需要的总体信号放大度而改变。例如，在需要低放大度的情况下，可省略第一放大器单元200和第一中间阻抗匹配单元300。在需要高总体信号放大度的情况下，如图10到14中图示的，可通过包括多个放大器单元的多级放大器来实现第一放大器单元(或第二放大器单元)。此外，在增益差在高和低输出模式中为大、并且要求该低输出模式的信号低的情况下，如图11和13中图示的，第一放大器单元200a和第一中间阻抗匹配单元300a的输出可直接连接到低输出放大器单元700。如图9和12到14中图示的，低输出放大器单元700a到700m或700a到700n并联连接，而第一中间阻抗匹配单元300a到300n的输出可分别选择性连接到低输出放大器单元700a到700m或700a到700n。结果，可自由调整高输出放大器单元600与低输出放大器单元700a到700m或700a到700n之间的增益差。 

上面公开的主题可被看作图示性的而非限制性的，并且所附权利要求意 欲覆盖落入本发明的真实精神和范围之内的所有这样的修改、增强、和其他实施例。由此，在法律允许的最大程度上，本发明的范围将由以下权利要求及其等效的最宽容许解释来确定，并不应由前述详细描述局限或限制。 

工业实用性 

可采用本发明用于无线通信终端和系统中的具有至少两个工作模式的混合模式功率放大器。 

Claims (23)

1.一种功率放大器，包括：

低输出放大器单元，用于在最频繁使用的低输出模式中生成具有高效率的功率放大结果；

高输出放大器单元，用于在消耗最多功率的区域的高输出模式中生成具有高线性的放大结果；

增益控制器，用于通过具有预定增益差的多个放大器单元来放大输入信号，并将放大结果提供到所述高和低输出放大器单元；和

放大器控制器，用于根据输入信号的功率电平来选择性地激活所述低和高输出放大器单元，

其中该增益控制器包括：

输入阻抗匹配单元，被配置为对该输入信号进行阻抗匹配；

第一放大器单元，用于在所述低和高输出模式中对输入阻抗匹配结果进行放大；

第一中间阻抗匹配单元，被配置为在所述低和高输出模式中对该第一放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；

第二放大器单元，用于在高输出模式中对所述第一中间阻抗匹配结果进行放大；和

第二中间阻抗匹配单元，被配置为在高输出模式中对该第二放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。

2.根据权利要求1的功率放大器，其中该增益差对应于该第二放大器单元的增益。

3.根据权利要求1的功率放大器，其中该增益差是可调整的。

4.根据权利要求1的功率放大器，还包括偏置电路，用于向该增益控制器供应工作电压。

5.根据权利要求1的功率放大器，还包括输出阻抗匹配单元，被配置为对所述低和高输出放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。

6.根据权利要求1的功率放大器，其中该低输出放大器单元响应于该放大器控制器的控制在低输出模式中工作，而不在高输出模式中工作。

7.根据权利要求1的功率放大器，其中该低输出放大器单元是具有高功率效率的非线性放大器。

8.根据权利要求1的功率放大器，其中该低输出放大器单元是E类放大器。

9.根据权利要求1的功率放大器，其中该低输出放大器单元包括分别具有不同的高效率工作区的多个非线性放大器单元。

10.根据权利要求9的功率放大器，其中根据该放大器控制器的控制在低输出模式中选择性地激活所述非线性放大器单元中的每一个。

11.根据权利要求9的功率放大器，其中所述非线性放大器单元并联连接。

12.根据权利要求1的功率放大器，其中该第二放大器单元和该高输出放大器单元响应于该放大器控制器的控制在高输出模式中工作，而不在低输出模式中工作。

13.根据权利要求1的功率放大器，其中该高输出放大器单元是具有高线性的A类放大器和AB类放大器之一。

14.根据权利要求1的功率放大器，其中该高输出放大器比该第一放大器单元和该低输出放大器单元具有更大面积。

15.根据权利要求1的功率放大器，其中所述高输出放大器单元和所述低输出放大器单元中的每一个包括异质结双极晶体管阵列、双极结晶体管阵列、场效应晶体管阵列、和互补金属氧化物半导体阵列之一。

16.根据权利要求1的功率放大器，其中该第一放大器单元包括其中多个放大器单元串联连接的多级放大器。

17.根据权利要求16的功率放大器，其中该第一中间阻抗匹配单元包括与放大器单元分别对应的多个中间阻抗匹配单元，并且所述中间阻抗匹配单元中的每一个连接在串联连接的放大器单元之间。

18.根据权利要求17的功率放大器，其中将所述中间阻抗匹配单元的至少一个输出提供到该低输出放大器单元。

19.一种功率放大器，包括：

输入阻抗匹配单元，被配置为对输入信号进行阻抗匹配；

第一放大器单元，包括串联连接的多个放大器单元，用于对输入阻抗匹配结果进行顺序放大；

多个第一中间阻抗匹配单元，连接在放大器单元之间，用于对每一放大器单元的输出进行阻抗匹配，所述放大器单元串联连接；

低输出放大器单元，用于在低输出模式中对所述第一中间阻抗匹配单元的至少一个阻抗匹配结果进行放大；

第二放大器单元，用于在高输出模式中对所述第一中间阻抗匹配单元中的最后第一中间阻抗匹配单元的阻抗匹配结果进行放大；

第二中间阻抗匹配单元，用于在高输出模式中对该第二放大器单元的放大结果进行阻抗匹配；

高输出放大器单元，用于在高输出模式中对第二中间阻抗匹配结果进行放大；

放大器控制器，用于响应于该输入信号的功率电平来控制该低输出放大器单元、该第二放大器单元、和该高输出放大器单元的放大操作；和

输出阻抗匹配单元，用于对所述低和高输出放大器单元的放大结果进行阻抗匹配。

20.根据权利要求19的功率放大器，其中该低输出放大器单元对所述第一阻抗匹配单元中的最后一个的阻抗匹配结果进行放大。

21.根据权利要求19的功率放大器，其中该低输出放大器单元对所述第一阻抗匹配单元中的第一个的阻抗匹配结果进行放大。

22.根据权利要求19的功率放大器，其中该低输出放大器单元对从相应第一阻抗匹配单元生成的阻抗匹配结果进行放大。

23.根据权利要求19的功率放大器，还包括偏置电路，用于将工作电压供应到所述第一和第二放大器单元。