CN102412787A

CN102412787A - 提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法

Info

Publication number: CN102412787A
Application number: CN2011104109298A
Authority: CN
Inventors: 曾大杰; 余庭; 张耀辉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明公开了一种提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法，通过耦合网络，把其中部分或者全部晶体管的引出端的输出功率，耦合、叠加到输出。每一个提供输出功率的管子的引出端，都连接着开关；可以通过开关控制管子能否提供输出功率。当功率放大器需要较高的输出功率的时候，电源电压高，能够输出功率的晶体管多。当功率放大器输出功率较低的时候，电源电压低，能够输出功率的晶体管少，在输出功率低的时候，能够把电源电压降低，这样能够提高功率放大器在输出低功率时候的效率。

Description

提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法

技术领域

本发明涉及射频通信的集成电路领域，尤其涉及功率放大器的设计。

背景技术

在射频通信中，为了获得更远的传输距离以克服信号的损失，以及提高接收端的SNR，给接收机留有更多的余量，减少接收机的设计难度，都需要发射机特别是功率放大器能够提供更高的输出功率。在通常的手机运用中，要求功率放大器能够提供1W的输出功率。这是手机中需要消耗功率最大的模块。它的效率非常重要，如果效率只有10%，那么每提供1W的输出功率，就需要消耗10W的功率，其中9W变成热量，被白白的消耗掉了。这样极大的减少了电源能够供电的时间，同时提高了芯片的温度。因此我们需要提高功率放大器的效率，这个效率不但是在峰值效率，同时也需要提高功率放大器工作在较低输出功率下的效率。因为现在的输入信号通常具有较高的峰均比，通常大于7dB，因此功率放大器在很长一段时间内工作在较低的输入功率的情况下。因此提供功率放大器在输入功率较低的情况下的效率，显得非常重要。

发明内容

为了技术领域上的需要，本发明提供了一种提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法。

本发明提供的提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法，是在功率放大器的输出级由若干结型场效应晶体管堆叠而成，其中，每个晶体管的漏极与另一晶体管的源级相连，进行叠加；

将部分晶体管的漏极设为引出端，每个引出端通过开关分别与不同的电源相连；

控制引出端的开关状态来控制提供给所述晶体管的供应电压的有无；

处于工作状态时，晶体管按照由下至上的堆叠方向，所述晶体管的漏极的电压由低到高；

控制开关的状态，处于导通状态的晶体管的个数较多，则输出功率的晶体管的个数较多，通过耦合网络将有功率输出的晶体管的漏极的输出功率进行叠加，功率放大器的输出级处于较高功率输出模式；

控制开关的状态，处于导通状态的晶体管的个数较少，则输出功率的晶体管的个数较少，通过耦合网络将有功率输出的晶体管的漏极的输出功率进行叠加，功率放大器的输出级处于较低功率输出模式；

当功率放大器从较高功率输出模式转换到较低功率输出模式时，功率放大器的直流功耗降低，提高了功率放大器在较低功率输出模式时的效率。

其中，所述耦合网络包括金属线，其中，与有功率输出的结型场效应管的个数相同的金属线分别与耦合网络的输入端相连，通过另一金属线利用金属线之间的叠加、耦合功能将功率耦合到耦合网络的输出端，其中耦合网络的输入端为有功率输出的结型场效应管的漏极。

其中，所述功率放大器的输出级可由2个结型场效应管M2和M1堆叠组成，所述结型场效应管M2和M1的栅极连接正向电源电压；所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；结型场效应管M2和M1的栅极连接的正向电源电压为固定偏执或者自适应的电源电压；所述结型场效应管M2和M1的漏极分别连接开关S2d和S1d，通过所述开关S2d和S1d分别与电源VDD2和VDD1相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值；

当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d处于断开状态时，结型场效应管M2和M1处于导通状态，都能提供输出功率，从漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于高功率输出模式；当所述开关S2d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，结型场效应管M2处于断开状态，不能提供输出功率，结型场效应管M1处于导通状态，可以提供输出功率，并从结型场效应管M1的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

其中，功率放大器的输出级可由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源，结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源；结型场效应管M2、M1的漏极分别连接开关S2d和S1d，通过所述开关S2d和S1d分别与电源VDD2和VDD1相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值；

其中，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d处于断开状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD2供给结型场效应管M2和M1的电压值更高，所述结型场效应管M2和M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M2和M1的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于高功率输出模式；当所述开关S2d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD1供给结型场效应管M1的电压值更高，则所述结型场效应管M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M1的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

其中，所述功率放大器的输出级由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源电压，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源，所述结型场效应管M2、M0的漏极分别连接开关S2d和S0d，通过所述开关S2d和S0d分别与电源VDD2和VDD0相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD0的电压值；

其中，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S0d处于断开状态时，结型场效应管M0、M1、M2处于导通状态，结型场效应管M1使电源VDD2供给结型场效应管M2和M0的电压值更高，所述结型场效应管M2和M0能提供相对于没有结型场效应管M1时的更高的输出功率，并从结型场效应管M2和M0的漏极将功率通过耦合网络输出，所述功率放大器的输出级处于高功率输出模式；当所述开关S2d处于断开状态，开关S0d处于闭合状态时，只有结型场效应管M0处于导通状态，并从结型场效应管M0的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

其中，所述功率放大器的输出级由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源，所述结型场效应管M2、M1和M0的漏极分别连接开关S2d、S1d和S0d，通过所述开关S2d、S1d和S0d分别与电源VDD2、VDD1和VDD0相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值，所述电源VDD1的电压值高于电源VDD0的电压值；

其中，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d和S0d处于断开状态时，结型场效应管M2、M1和M0都处于导通状态，都能提供输出功率，并从结型场效应管M2、M1和M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于最高功率输出模式；当所述开关S2d、S0d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，只有结型场效应管M1和M0处于导通状态，能提供输出功率，并从结型场效应管M1和M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于较高功率输出模式；当所述开关S2d、S1d处于断开状态，开关S0d处于闭合状态时，只有结型场效应管M0处于导通状态，可以输出功率，并从结型场效应管M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

本发明公开了一种提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法，通过耦合网络，把其中部分或者全部晶体管的功率，耦合、叠加到输出。其中，所述晶体管与电源电压之间连接开关，可以通过开关的控制来控制管子能否提供输出功率。当功率放大器需要较高的输出功率的时候，电源电压高，能够输出功率的管子多。当功率放大器输出功率较低的时候，电源电压低，能够输出功率的管子少，在输出功率低的时候，能够把电源电压降低，这样能够提高功率放大器在输出低功率时候的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图。

图2为本发明实施例2的结构图。

图3为本发明实施例3的结构图。

图4为本发明实施例4的结构图。

图5为本发明实施例1、2、3的实现两端口耦合网络的示意图。

图6为本发明实施例4的实现三端口耦合网络的示意图。

具体实施方式

下面参照附图，结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的功率放大器的输出级，由结形场效应管M1和M2堆叠而成。其中，M1和M2的漏极(Drain)通过耦合网络(Coupling Network)，将他们的功率分别耦合输出。结形场效应管M1和M2的Drain端电压通过开关控制。管子M2的栅压通过开关S2g控制，当S2g打开的时候电压为Vg2，当S2g断开的时候，电压为0V。Vg2的电压可以是固定偏置的，也可以是自适应的，可以把它选择为电源电压VDD2，VDD1的函数，它随着VDD2和VDD1的变化而变化，也可以是随着输入信号的摆幅的变化而变化。需要输出最高功率的时候，开关S2d和S2g为闭合状态，开关S1d断开。管子M1和M2都能够提供输出功率。当需要输出较低功率的时候，开关S2d和开关S2g都处于断开状态，开关S1d为闭合状态，这个时候管子M2的漏极的电压降为0V，同时M2的栅级的电压也降为0V，管子M2处于关闭状态。管子M1通过电源VDD1供电，这个时候的电源电压由VDD2下降为VDD1，则管子能够提供的电压摆幅减小，所以输出功率就降低了。即功率放大器的输出级处于低功率输出模式的时候，所对应的输出的电压摆幅下降了，而这个时候如果电源电压为VDD2时，即如果电源电压固定不变，则直流功耗没有降低，则相对而言，功率放大器的效率会降低。而采用本结构，可以在输出的摆幅下降的时候，把电源电压降下来，这样就提高了功率放大器的效率。

其中，所有的晶体管的栅极（Gate）都必须有一个电压，如图中与S1g相连的Vg1这个电压可以是固定不变的，也可以是输入功率和电源电压的函数。

如图5所示，本实施例中，实现两端口耦合网络的功率输出的方法是设有三段平行的金属线，最上端的金属线和最下端的金属线分别接耦合网络的两个输入端10、20，中间的金属线接到输出端40。利用金属线之间的耦合，把两个漏极输出的功率合并，叠加输出。这种结构充分利用了现在集成电路的特点，现在集成电路只有最顶层金属是厚金属，厚度在3μm以上，三段金属线都可以分布在最顶层金属层实现，降低了损耗。此外现在工艺一般有一层RDL层，是芯片做倒装焊封装的时候用来做引线的，实现这种结构的时候，也可以让最顶层金属和RDL层并联，进一步降低损耗。也可以用最顶层金属和次顶层金属并联。厚的金属的使用，不但能够减小损耗，同时能够提高它们之间的耦合。图5中显示的是利用平行的线做耦合，但是长度通常比较长，会带来较大的面积损耗，在实际应用中，可以把线弯曲，来降低面积。

通过耦合网络输出的功率要比耦合网络的输入端口的功率之和要小，耦合网络的损耗通常在1～2dB。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的功率放大器的输出级，由结形场效应管M1、M2和M0堆叠而成。与实施例1所不同的是，晶体管MO的作用是提高电源电压供给晶体管M1和M2的电压，则输出功率更高，晶体管M0没有引出端，不做功率输出。当输出高功率模式时，晶体管M0、M1、M2都处于导通状态；当处于低功率输出模式时，晶体管M0、M1处于导通状态，即当开关S2d处于闭合状态，开关S1d处于断开状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD2供给结型场效应管M2和M1的电压值更高，结型场效应管M2和M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M2和M1的漏极将功率耦合输出，则功率放大器的输出级处于高功率输出模式；当开关S2d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD1供给结型场效应管M1的电压值更高，则结型场效应管M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M1的漏极将功率输出，功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

其中，所有的晶体管的Gate端都必须有电压控制，如图中与S1g相连的Vg1,以及M0管子栅极连接的Vg0,这些电压可以是固定不变的，也可以是输入功率和电源电压的函数。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于：晶体管M1没有引出端，晶体管M0有引出端，当输出低功率模式时，晶体管M0处于导通状态，相对于实施例2在低功率输出模式下的功率更低。其中，所有的晶体管的Gate端都必须有电压控制，这个电压可以是固定不变的，也可以是输入功率和电源电压的函数。其次，当开关S2d闭合，开关S0d断开的时候，晶体管M0，M1,M2处于导通状态，晶体管 M1使电源VDD2供给晶体管M2和M0的电压值更高，晶体管M2和M0能提供相对于没有晶体管M1时的更高的输出功率，并从晶体管M2和M0的漏极通过耦合网络将功率输出，功率放大器的输出级工作在高功率输出模式。

实施例4

如图4所示，由结形场效应管M0、M1和M2组成。M0、M1、M2的Drain端通过耦合网络(Coupling Network)，将他们的功率分别耦合输出。结形场效应管M0、M1和M2的引出端（Drain）通过开关控制。当需要输出最高功率的时候，输出功率是三个功率管提供功率的叠加。当需要输出较低功率的时候，开关S2g和开关S2d断开，开关S1d和开关S1g闭合，开关S0d断开，这个时候管子输出功率是M0和M1的叠加。当管子需要输出最低功率的时候，开关S2d，开关S2g，开关S1d和开关S1g断开，开关S0d闭合，输出的功率仅仅是管子M0的功率。其中，所有的晶体管的Gate端都必须有电压控制，如图中与S1g相连的Vg1,以及M0管子的栅极连接的电压Vg0,这些电压可以是固定不变的，也可以是输入功率和电源电压的函数。

其在输出低功率模式下提高功率放大器的效率的原理同实施例，在此不再赘述。

如图6所示，本实施例中，实现三端口耦合网络的功率输出的方法是在图5所示的两端口耦合网络的功率输出的基础上，再需要将另一路的功率输出30通过耦合的形式到输出端40。本实施例中采用的方法是输入端10、20和输出端40采用最顶层金属实现。输入端30采用次顶层金属，输入端30在输出端40的正下方。

本发明提供的实施例，通过耦合网络，把其中部分或者全部晶体管的漏极的功率，耦合、叠加到输出。可以通过开关控制管子能否提供输出功率。当功率放大器需要较高的输出功率的时候，电源电压高，能够输出功率的管子多。当功率放大器输出功率较低的时候，电源电压低，能够输出功率的管子少，在输出功率低的时候，能够把电源电压降低，这样能够提高功率放大器在输出低功率时候的效率。

Claims

1.一种提高功率放大器在输出低功率模式下的效率的方法，其特征在于，功率放大器的输出级由若干结型场效应晶体管堆叠而成，其中：

每个晶体管的漏极与另一晶体管的源级相连，进行叠加；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合网络包括金属线，其中，与有功率输出的结型场效应管的个数相同的金属线分别与耦合网络的输入端相连，通过另一金属线利用金属线之间的叠加、耦合功能将功率耦合到耦合网络的输出端，其中耦合网络的输入端为有功率输出的结型场效应管的漏极。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率放大器的输出级由2个结型场效应管M2和M1堆叠组成，所述结型场效应管M2和M1的栅极连接正向电源电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；结型场效应管M2和M1的栅极连接的正向电源电压为固定偏执或者自适应的电源电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管M2和M1的漏极分别连接开关S2d和S1d，通过所述开关S2d和S1d分别与电源VDD2和VDD1相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d处于断开状态时，结型场效应管M2和M1处于导通状态，都能提供输出功率，从漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于高功率输出模式。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，结型场效应管M2处于断开状态，不能提供输出功率，结型场效应管M1处于导通状态，可以提供输出功率，并从结型场效应管M1的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率放大器的输出级由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管M2、M1的漏极分别连接开关S2d和S1d，通过所述开关S2d和S1d分别与电源VDD2和VDD1相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d处于断开状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD2供给结型场效应管M2和M1的电压值更高，所述结型场效应管M2和M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M2和M1的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于高功率输出模式。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，结型场效应管M0处于导通状态，使电源VDD1供给结型场效应管M1的电压值更高，则所述结型场效应管M1能提供相对于没有结型场效应管M0时的更高的输出功率，并从结型场效应管M1的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率放大器的输出级由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源电压。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管M2、M0的漏极分别连接开关S2d和S0d，通过所述开关S2d和S0d分别与电源VDD2和VDD0相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD0的电压值。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S0d处于断开状态时，结型场效应管M0、M1、M2处于导通状态，结型场效应管M1使电源VDD2供给结型场效应管M2和M0的电压值更高，所述结型场效应管M2和M0能提供相对于没有结型场效应管M1时的更高的输出功率，并从结型场效应管M2和M0的漏极通过耦合网络将功率输出，所述功率放大器的输出级工作在高功率输出模式。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于断开状态，开关S0d处于闭合状态时，只有结型场效应管M0处于导通状态，并从结型场效应管M0的漏极将功率输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。

18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率放大器的输出级由3个结型场效应管M2、M1和M0堆叠组成，所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接正向电源。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管的堆叠方向为由下至上，结型场效应管M0的漏极与结型场效应管M1的源极相连，结型场效应管M1的漏极与结型场效应管M2的源极相连；所述结型场效应管M2、M1和M0的栅极连接的正向电源为固定偏执或者自适应的电源。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述结型场效应管M2、M1和M0的漏极分别连接开关S2d、S1d和S0d，通过所述开关S2d、S1d和S0d分别与电源VDD2、VDD1和VDD0相连；其中，所述电源VDD2的电压值高于电源VDD1的电压值，所述电源VDD1的电压值高于电源VDD0的电压值。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d处于闭合状态，开关S1d和S0d处于断开状态时，结型场效应管M2、M1和M0都处于导通状态，都能提供输出功率，并从结型场效应管M2、M1和M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于最高功率输出模式。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d、S0d处于断开状态，开关S1d处于闭合状态时，只有结型场效应管M1和M0处于导通状态，能提供输出功率，并从结型场效应管M1和M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于较高功率输出模式。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，当所述开关S2d、S1d处于断开状态，开关S0d处于闭合状态时，只有结型场效应管M0处于导通状态，可以输出功率，并从结型场效应管M0的漏极将功率耦合输出，所述功率放大器的输出级处于低功率输出模式。