CN102281034B - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率放大器，根据本发明一个方面的功率放大器包括：第一放大部，具有连接为级联构造并放大输入信号的第一N金属氧化物半导体(MOS)放大器和第二N MOS放大器；第二放大部，具有连接为级联构造并放大输入信号的第一P MOS放大器和第二P MOS放大器；以及功率合成部，合成第一放大部和第二放大部的各输出信号。

Description

功率放大器
相关申请的交叉参考
本申请要求于2010年6月10日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2010-0054818号的优先权，其全部公开内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种功率放大器，更具体地，涉及一种具有彼此并联连接的N MOS放大单元和P MOS放大单元来补偿根据工作模式而变化的输入电容并提高回退点(back-off point)处的效率的功率放大器。
背景技术
近年来，使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，已经制造了无线收发机的各种类型的电路。尽管这些电路被集成在一块单芯片上，但通过使用InGaP/GaAs异质结(heterojunction)双极型晶体管(HBT)技术来制造功率放大器。然而，当与CMOS工艺相比较并且仅形成为多芯片结构时，这种InGaP/GaAs HBT技术可能会引起较高的制造成本。此外，将使用InGaP/GaAs HBT技术所制造的功率放大器与使用CMOS工艺所制造的调整电路相结合是很困难的。
出于这些原因，已经致力于对通过使用CMOS工艺制造的功率放大器的研究。
同时，用于评价线性功率放大器的性能指标可以包括达到满足线性(linearity)的点的最大输出功率、最大效率以及以最大输出功率执行的点处的效率。然而，与通过HBT工艺制造的功率放大器相比较，通过CMOS工艺制造的功率放大器具有较差的性能。
发明内容
本发明的一方面提供了一种功率放大器，其具有彼此并联连接的NMOS放大单元和P MOS放大单元，以补偿根据工作模式而变化的输入电容并提高回退点处的效率。
根据本发明的一方面，提供了一种功率放大器，包括：第一放大部，具有连接为级联(cascode，共源共栅)构造并放大输入信号的第一N金属氧化物半导体(MOS)放大器和第二N MOS放大器；第二放大部，具有连接为级联构造并放大输入信号的第一P MOS放大器和第二P MOS放大器；以及功率合成部，合成第一放大部和第二放大部的各输出信号。
第一放大部可以在第一工作模式下导通，第一工作模式在预先设定的第一功率电平范围内工作，第二放大部可以在预先设定的第二工作模式下导通，第二工作模式在被设定为低于第一工作模式的第一功率电平范围的第二功率电平范围内工作，并且第一放大部和第二放大部可以在预先设定的第三工作模式下导通，第三工作模式在被设定为高于第一工作模式的第一功率电平范围的第三功率电平范围内工作。
第一放大部可以包括：第一栅极供电单元，将预定的栅极电源提供至第一N MOS放大器的栅极；以及第一偏置供电单元，将预定的偏置电源提供至第一N MOS放大器的漏极。
第二放大部可以将预定的栅极电源提供至第二P MOS放大器的栅极，并且将预定的偏置电源提供至第一P MOS放大器的源极。
输入信号可以输入至第一放大部的第二N MOS放大器的栅极和第二放大部的第一P MOS放大器的栅极，并且第二放大部可以进一步包括连接至第二放大部的第一P MOS放大器的栅极的隔离电容器(blockingcapacitor)，从而将输入信号传输至第一P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率。
根据本发明的另一方面，提供了一种功率放大器，包括：第一放大部，具有第一放大单元和第二放大单元，第一放大单元包括连接为级联构造以放大输入信号的第一N金属氧化物半导体(MOS)放大器和第二N MOS放大器，第二放大单元包括与第一放大单元并联连接并连接为级联构造以放大所输入的差分信号的第三N MOS放大器和第四N MOS放大器；第二放大部，具有第三放大单元和第四放大单元，第三放大单元包括连接为级联构造以放大输入信号的第一P MOS放大器和第二P MOS放大器，第四放大单元包括与第三放大单元并联连接以放大差分信号的第三P MOS放大器和第四P MOS放大器；以及功率合成部，合成第一放大部和第二放大部的各输出信号。
第一放大部可以在第一工作模式下导通，第一工作模式在预先设定的第一功率电平范围内工作，第二放大部可以在第二工作模式下导通，第二工作模式在被设定为低于第一工作模式的第一功率电平范围的第二功率电平范围内工作，以及第一放大部和第二放大部可以在第三工作模式下导通，第三工作模式在被设定为高于第一工作模式的第一功率电平范围的第三功率电平范围内工作。
第一放大部的第一放大单元的第一N MOS放大器的栅极和第二放大单元的第三N MOS放大器的栅极可以彼此共同地连接，差分信号可以输入至第一放大单元的第二N MOS放大器的栅极和第二放大单元的第四NMOS放大器的栅极中的每一个，以及第一放大单元的第二N MOS放大器的源极和第二放大单元的第四N MOS放大器的源极可以连接至地端子。
第二放大部的第三放大单元的第二P MOS放大器的栅极和第四放大单元的第四P MOS放大器的栅极可以彼此共同地连接，差分信号可以输入至第三放大单元的第一P MOS放大器的栅极和第四放大单元的第三PMOS放大器的栅极中的每一个，以及第三放大单元的第一P MOS放大器的源极和第四放大单元的第三P MOS放大器的源极可以共同地连接至通过其提供预定的驱动电源的驱动电源端子。
第二放大部可以进一步包括第一隔离电容器和第二隔离电容器，第一隔离电容器将差分信号传输至第三放大单元的第一P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率，而第二隔离电容器将差分信号传输至第四放大单元的第三P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率。
该功率放大器可以进一步包括将从外部施加的输入信号转换为差分信号的第一平衡-不平衡变压器。
该功率放大器可以进一步包括：第二平衡-不平衡变压器，将由第一放大部放大的差分信号转换为单一信号，并将单一信号传输至功率合成部；以及第三平衡-不平衡变压器，将由第二放大部放大的差分信号转换为单一信号，并将单一信号传输至功率合成部。
附图说明
从结合附图的以下详细描述中，将更清楚地理解本发明的以上和其他方面、特征以及另外的优点，图中：
图1是示出了根据本发明的示例性实施方式的功率放大器的示意性构造图；
图2是示出了根据本发明的另一示例性实施方式的功率放大器的内部构造的示意图；
图3是示出了通过根据本发明的示例性实施方式的功率放大器来补偿输入电容的电特性的曲线图；
图4是示出了通过根据本发明的示例性实施方式的功率放大器，效率在回退区域中提高的电特性的曲线图；以及
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的功率放大器的集成电路的示图。
具体实施方式
现在将参考附图详细地描述本发明的示例性实施方式。
图1是示出了根据本发明的示例性实施方式的功率放大器的示意性构造图。
参考图1，根据该实施方式的功率放大器100可以包括第一放大部110、第二放大部120和功率合成部130。
第一放大部110可以包括放大单元111、第一栅极供电单元112和第一偏置供电单元113。
放大单元111可以包括连接为级联构造的第一N金属氧化物半导体(MOS)放大器MN1和第二N MOS放大器MN2。
具有预定电压电平的第一栅极电源被提供至第一N MOS放大器MN1的栅极，而具有预定电平的偏置电源被提供至第一N MOS放大器MN1的漏极。
第一栅极供电单元112可以包括电阻器和电容器，它们均连接至第一栅极电源VCG_N端子，并且彼此并联连接，从而将第一栅极电源提供至第一N MOS放大器MN1的栅极。
第一偏置供电单元113由连接至偏置电源VDD端子的电感器构成。第一偏置供电单元113可以将偏置电源提供至第一N MOS放大器MN1的漏极，并隔离不需要的信号。
输入信号RFIN输入至第二N MOS放大器MN2的栅极，第二N MOS放大器MN2的源极连接至地端子，并且第二N MOS放大器MN2的漏极连接至第一N MOS放大器MN1的源极。
控制信号VCTRL_n从外部输入至第二N MOS放大器MN2的栅极，以使第一放大部110的放大单元111导通或截止。
第二放大部120可以包括放大单元121和第二栅极供电单元122。
放大单元121可以包括连接为级联构造的第一P MOS放大器MP1和第二P MOS放大器MP2。
具有预定电压电平的第二栅极电源被提供至第二P MOS放大器MP2的栅极，而具有预定电压电平的偏置电源VDD被提供至第一P MOS放大器MP1的源极。
第二栅极供电单元122包括电阻器和电容器，它们彼此并联连接并连接至第二栅极电源VCG_P端子，从而将第二栅极电源提供至第二P MOS放大器MP2的栅极。
电感器123可以连接在第二P MOS放大器MP2的漏极和接地端子之间，并隔离不需要的信号。
输入信号RFIN输入至第一P MOS放大器MP1的栅极，偏置电源VDD输入至第一P MOS放大器MP1的源极，以及第一P MOS放大器MP1的漏极连接至第二P MOS放大器MP2的源极。
控制信号VCTRL_p从外部输入至第一P MOS放大器MP1的栅极，从而使第二放大部120的放大单元121导通或截止。
第二放大部120可以进一步包括隔离电容器Cb，该隔离电容器将输入信号RFIN传输至第一P MOS放大器MP1，并隔离控制信号VCTRL_n的传输。
功率合成部130将通过第一N MOS放大器MN1的漏极输出的输出信号和通过第二P MOS放大器MP2的漏极输出的输出信号合成为单一的输出信号RFOUT。
如上所述，根据该实施方式的功率放大器100可以根据控制信号VCTRL_n和VCTRL_p使第一放大部110的放大单元111和第二放大部120的放大单元121导通或截止。
即，在具有预定功率电平的第一电平范围内，第一放大部110的放大单元111导通，而第二放大部120的放大单元121截止。在其功率电平低于第一电平范围的第二电平范围内，由于回退(back-off)值被设定为高，因此第一放大部的放大单元111截止，而第二放大部120的放大单元121导通，仅使用具有较小迁移率的P MOS放大器从而提高效率。
在其功率电平高于第一电平范围的功率电平的第三电平范围内，即，在需要最大输出功率的情况下，第一放大部110的放大单元111和第二放大部120的放大单元121导通。
此时，由于第一放大部110的放大单元111和第二放大部120的放大单元121彼此并联连接，所以控制信号VCTRL_n和VCTRL_p之间的电压电平差减小，从而抵消了电容变化。
图2是示出了根据本发明另一实施方式的功率放大器的内部构造的示意性示图。
参考图2，根据该实施方式的功率放大器200可以包括接收差分信号的第一放大部220、第二放大部230和功率合成部250。功率放大器200可以进一步包括平衡-不平衡变压器(balun)组240，该平衡-不平衡变压器组包括第一平衡-不平衡变压器210以及第二平衡-不平衡变压器241和第三平衡-不平衡变压器242，其中，第一平衡-不平衡变压器将输入信号转换为差分信号，第二平衡-不平衡变压器将从第一放大部220输出的差分信号转换为单一信号，第三平衡-不平衡变压器均将从第二放大部230输出的差分信号转换为单一信号。
第一放大部220可以包括第一放大单元221和第二放大单元222。第一放大单元221可以包括连接为级联构造的第一N MOS放大器MN1和第二N MOS放大器MN2，并且第二放大单元222可以包括连接为级联构造的第三N MOS放大器MN3和第四N MOS放大器MN4。
偏置电源VDD被施加至第一N MOS放大器MN1和第三N MOS放大器MN3的(然后输出放大信号的)各漏极。第一N MOS放大器MN1和第三N MOS放大器MN3的栅极彼此共同地连接至控制信号VCTRL_n输入处。
第二N MOS放大器MN2和第四N MOS放大器MN4的源极共同连接至地端子。差分信号输入至第二N MOS放大器MN2和第四N MOS放大器MN4的各栅极。即，差分信号中的一个可以输入至第二N MOS放大器MN2的栅极，而另一个可以输入至第四N MOS放大器MN4的栅极。
此外，差分信号可以输入至第二放大部230。
第二放大部230可以包括第三放大单元231和第四放大单元232。第三放大单元231可以包括连接为级联构造的第一P MOS放大器MP1和第二P MOS放大器MP2，并且第四放大单元232可以包括连接为级联构造的第三P MOS放大器MP3和第四P MOS放大器MP4。
偏置电源VDD被施加至第一P MOS放大器MP1和第三P MOS放大器MP3的各源极。差分信号输入至第一P MOS放大器MP1和第三P MOS放大器MP3的各栅极。即，差分信号中的一个可以输入至第一P MOS放大器MP1的栅极，而另一个可以输入至第三P MOS放大器MP3的栅极。
第二P MOS放大器MP2和第四P MOS放大器MP4的漏极输出各放大后的信号。第二P MOS放大器MP2和第四P MOS放大器MP4的栅极彼此共同地连接至控制信号VCTRL_P输入处。
第二放大部230可以进一步包括第一隔离电容器Cb1和第二隔离电容器Cb2。第一隔离电容器Cb1可以将差分信号中的一个传输至第三放大单元231的第一P MOS放大器MP1的栅极，并隔离不需要的功率，而第二隔离电容器Cb2可以将另一个差分信号传输至第四放大单元232的PMOS放大器MP3的栅极，并隔离不需要的功率。
第一平衡-不平衡变压器210将输入信号RFIN转换为差分信号。平衡-不平衡变压器组240的第二平衡-不平衡变压器241将由第一放大部220放大的差分信号转换为单一信号。第三平衡-不平衡变压器242将由第二放大部230放大的差分信号转换为单一信号。功率合成部250可以将来自第二平衡-不平衡变压器241的单一信号和来自第三平衡-不平衡变压器242的单一信号转换为单一输出信号RFOUT。
以相同的方式，根据该实施方式的功率放大器200可以根据控制信号VCTRL_n和VCTRL_p，使第一放大部220的第一放大单元221和第二放大单元222以及第二放大部230的第三放大单元231和第四放大单元232导通或截止。
即，在具有预定功率电平范围的第一电平范围内，第一放大部220的第一放大单元221和第二放大单元222导通，而第二放大部230的第三放大单元231和第四放大单元232截止。在其功率电平范围低于第一电平范围的第二电平范围内，第一放大部220的第一放大单元221和第二放大单元222截止，而第二放大部230的第三放大单元231和第四放大单元232导通，从而仅使具有较小迁移率的P MOS放大器导通，从而提高效率。
在其功率电平范围高于第一电平范围的第三电平范围内，即，在需要最大输出功率的情况下，可以使第一放大部220的第一放大单元221和第二放大单元222以及第二放大部230的第三放大单元231和第四放大单元232导通。
这里，由于第一放大部220的第一放大单元221和第二放大单元222以及第二放大部230的第三放大单元231和第四放大单元232彼此并联连接，所以控制信号VCTRL_n和VCTRL_p之间的电压电平差减小，从而抵消了输入电容变化。
图3是示出了通过根据本发明的示例性实施方式的功率放大器来补偿输入电容的电特性的曲线图。
参考图3，当确定了N MOS放大器和P MOS放大器的工作点时(当控制信号VCTRL_n和VCTRL_p具有约2.5V的电压时)，N MOS放大器的输入电容CIN_nMOS和P MOS放大器的输入电容CIN_pMOS互相抵消，使得输入电容的变化CIN_compensation表现为减小。
图4是示出了其中通过根据本发明的示例性实施方式的功率放大器，效率在回退区域中显著提高的电特性的曲线图。
参考图4，根据依靠控制信号VCTRL_n和VCTRL_p的工作模式，功率放大器选择性地操作N MOS放大单元或P MOS放大单元，使得在低功率点处效率表现为显著提高。
图5是示出了根据本发明示例性实施方式的功率放大器的集成电路的示图。
参考图5，当功率放大器具有差分结构时，如图2所示，只有第一放大部220和第二放大部230被示为彼此并联连接。
如以上所阐述的，根据本发明的示例性实施方式，N MOS放大单元和P MOS放大单元彼此并联连接，使得可以补偿根据工作模式而变化的输入电容，并可以提高回退点处的效率。
尽管已经关于示例性实施方式示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当清楚的是，在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行修改和改变。

Claims (10)

1.一种功率放大器，包括：
第一放大部，具有连接为级联构造并放大输入信号的第一N金属氧化物半导体MOS放大器和第二N MOS放大器；
第二放大部，具有连接为级联构造并放大所述输入信号的第一P MOS放大器和第二P MOS放大器；以及
功率合成部，合成所述第一放大部和所述第二放大部的各输出信号；
其中，所述第一放大部在第一工作模式下导通，所述第二放大部在所述第一工作模式下截止，其中，所述第一工作模式在预先设定的第一功率电平范围内工作，
所述第二放大部在预先设定的第二工作模式下导通，所述第一放大部在所述第二工作模式下截止，其中，所述第二工作模式在被设定为低于所述第一工作模式的第一功率电平范围的第二功率电平范围内工作，并且
所述第一放大部和所述第二放大部在预先设定的第三工作模式下导通，所述第三工作模式在被设定为高于所述第一工作模式的第一功率电平范围的第三功率电平范围内工作。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述第一放大部包括：
第一栅极供电单元，将预定的栅极电源提供至所述第一N MOS放大器的栅极；以及
第一偏置供电单元，将预定的偏置电源提供至所述第一N MOS放大器的漏极。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述第二放大部将预定的栅极电源提供至所述第二P MOS放大器的栅极，并将预定的偏置电源提供至所述第一P MOS放大器的源极。
4.根据权利要求3所述的功率放大器，其中，所述输入信号输入至所述第一放大部的所述第二N MOS放大器的栅极和所述第二放大部的第一P MOS放大器的栅极，以及
所述第二放大部进一步包括连接至所述第二放大部的所述第一P MOS放大器的栅极的隔离电容器，从而将所述输入信号传输至所述第一P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率。
5.一种功率放大器，包括：
第一放大部，具有第一放大单元和第二放大单元，所述第一放大单元包括连接为级联构造以放大差分信号的N金属氧化物半导体MOS放大器和第二N MOS放大器，所述第二放大单元包括与所述第一放大单元并联连接并连接为级联构造以放大所输入的所述差分信号的第三N MOS放大器和第四N MOS放大器；
第二放大部，具有第三放大单元和第四放大单元，所述第三放大单元包括连接为级联构造以放大所述差分信号的第一P MOS放大器和第二P MOS放大器，所述第四放大单元包括与所述第三放大单元并联连接以放大所述差分信号的第三P MOS放大器和第四PMOS放大器；以及
功率合成部，合成所述第一放大部和所述第二放大部的各输出信号；
其中，所述第一放大部在第一工作模式下导通，所述第二放大部在所述第一工作模式下截止，其中，所述第一工作模式在预先设定的第一功率电平范围内工作，
所述第二放大部在预先设定的第二工作模式下导通，所述第一放大部在所述第二工作模式下截止，其中，所述第二工作模式在被设定为低于所述第一工作模式的第一功率电平范围的第二功率电平范围内工作，并且
所述第一放大部和所述第二放大部在预先设定的第三工作模式下导通，所述第三工作模式在被设定为高于所述第一工作模式的第一功率电平范围的第三功率电平范围内工作。
6.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述第一放大部的所述第一放大单元的第一N MOS放大器的栅极和所述第二放大单元的所述第三N MOS放大器的栅极彼此共同地连接，
所述差分信号输入至所述第一放大单元的所述第二N MOS放大器的栅极和所述第二放大单元的所述第四N MOS放大器的栅极中的每一个，以及
所述第一放大单元的所述第二N MOS放大器的源极和所述第二放大单元的所述第四N MOS放大器的源极连接至地端子。
7.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述第二放大部的所述第三放大单元的所述第二P MOS放大器的栅极和所述第四放大单元的所述第四P MOS放大器的栅极彼此共同地连接，
所述差分信号输入至所述第三放大单元的所述第一P MOS放大器的栅极和所述第四放大单元的所述第三P MOS放大器的栅极中的每一个，以及
所述第三放大单元的所述第一P MOS放大器的源极和所述第四放大单元的所述第三P MOS放大器的源极共同地连接至通过其提供预定的驱动电源的驱动电源端子。
8.根据权利要求7所述的功率放大器，其中，所述第二放大部进一步包括第一隔离电容器和第二隔离电容器，所述第一隔离电容器将所述差分信号传输至所述第三放大单元的所述第一P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率，而所述第二隔离电容器将所述差分信号传输至所述第四放大单元的所述第三P MOS放大器的栅极，并隔离不需要的功率。
9.根据权利要求5所述的功率放大器，进一步包括，将从外部施加的输入信号转换为所述差分信号的第一平衡-不平衡变压器。
10.根据权利要求5所述的功率放大器，进一步包括：
第二平衡-不平衡变压器，将由所述第一放大部放大的所述差分信号转换为单一信号，并将该单一信号传输至所述功率合成部；以及
第三平衡-不平衡变压器，将由所述第二放大部放大的所述差分信号转换为单一信号，并将该单一信号传输至所述功率合成部。
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