CN102904535B

CN102904535B - 一种功率放大器

Info

Publication number: CN102904535B
Application number: CN201210405331.4A
Authority: CN
Inventors: 李琛
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: CN102904535A

Abstract

本发明公开了一种功率放大器，包括第一级单元，其包括依次串接的多个反相器组，所述反相器组的输出端与所述第一级单元的输出端相连，其中相邻所述反相器组之间具有第一控制开关，所述反相器组与所述第一级单元的输出端之间具有第二控制开关，所述第一控制开关与所述第二控制开关切换所述多个反相器组的工作状态，以输出不同频率的方波信号；以及第二级单元，与所述第一级单元的输出端相耦接，对所述第一级单元传来的所述方波信号进行整形以产生放大信号。本发明能够使发射机以不同频谱的功率发射。

Description

一种功率放大器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种频谱可变的功率放大器。

背景技术

现代科技发展的突飞猛进，使得作为信息获取最重要和最基本的传感器网络技术也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化、网络化和智能化发展，结合各领域前沿技术、利用现代无线通信连接手段，一种具备信息综合和处理能力以及交互式无线通信的新兴传感器技术——无线传感器网络便由此应运而生了。无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器互相协作并实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后通过无线通信的方式发送给终端用户，真正实现物理环境、信息世界、人类社会的交互和融合。因此，无线传感器网络具有非常广阔的应用前景和巨大的商用价值。

无线传感器网络的一个优势在于信号传输的局域性，其优势在于能使发射机的发射频谱规范相对其他通讯系统（如GSM、WiFi等）来说更加存在自由空间。因此，无线传感器网络的发射机中功率放大器的一种常见结构就是D类功率放大器。

相对其他功率放大器而言，D类功率放大器的优势在于效率较高，但是通常的D类功率放大器的输出频谱固定。因此，如果能实现一种频谱可变的D类功率放大器，对于发射机而言意义重大。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种频谱可变的功率放大器，使得发射机能够实现不同频谱的功率发射。

为达成上述目的，本发明提供一种功率放大器，包括第一级单元，其包括依次串接的多个反相器组，所述反相器组的输出端与所述第一级单元的输出端相连，其中相邻所述反相器组之间具有第一控制开关，所述反相器组与所述第一级单元的输出端之间具有第二控制开关，所述第一控制开关与所述第二控制开关切换所述多个反相器组的工作状态，以输出不同频率的方波信号；以及第二级单元，与所述第一级单元的输出端相耦接，对所述第一级单元传来的所述方波信号进行整形以产生放大信号。

进一步的，每个所述反相器组包括多个依次串接的反相器。

进一步的，所述第一控制开关与所述第二控制开关切换所述多个反相器组的工作状态，使得依次串接的所述多个反相器组形成环形振荡器以输出所述方波信号，所述环形振荡器具有奇数个所述反相器。

进一步的，所述反相器包括NMOS管及PMOS管；其中，所述NMOS管的栅极和所述PMOS管的栅极连接作为其输入端，所述NMOS管的漏极和所述PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述PMOS管的源极接电源，所述NMOS管的源极接地。

进一步的，所述第二级单元包括依次串接的第一反相器与第二反相器，所述第一反相器包括两个第一电容、第一NMOS管及第一PMOS管；其中，所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述第一PMOS管的源极接第二电源，所述第一NMOS管的源极接地，由所述第一级单元传来的所述方波信号分别通过所述第一电容传送到所述第一PMOS管的栅极及所述第一NMOS管的栅极；所述第二反相器包括两个第二电容、第二NMOS管及第二PMOS管；其中，所述第二NMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述第二PMOS管的源极接电源，所述第二NMOS管的源极接地，所述第一反相器的输出信号分别通过所述第二电容传送到所述第二PMOS管的栅极及所述第二NMOS管的栅极。

进一步的，所述第一级单元的电源与所述第二级单元的电源为两个分离的不同电源，所述第一级单元的接地端与所述第二级单元的接地端分开。

进一步的，所述第二级单元产生所述放大信号以驱动片外发射天线的阻抗。

进一步的，所述第一控制开关与所述第二控制开关根据开关控制信号打开或关闭。

进一步的，所述功率放大器为D类功率放大器。

本发明的优点在于通过第一级单元可实时调整功率放大器的输出频率，从而使得发射机能够以不同频谱发射信号，有效提高了发射机的利用效率。

附图说明

图1为本发明一实施例功率放大器的结构示意图。

图2为本发明一实施例功率放大器输出不同频率信号的时域波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

请参考图1，其显示本发明一实施例的功率放大器的结构示意图。

本发明的功率放大器是应用于无线传感器网络组网的发射机，用于通过对天线的匹配、放大信号，从而将数字或模拟信号通过发射机天线无线发射。由于无线传感器网络系统通常采用通断键控(OOK)调制方式，其本身对功率放大器的线性度要求不高，因此，为了提高发射效率，在本发明的一实施例中，功率放大器为非线性的D类功率放大器。如图1所示，功率放大器包括第一级单元10以及第二级单元20。第一级单元10接收输入信号PA IN，输出不同频率的方波信号，第二级单元20与第一级单元10相耦接并对方波信号整形以输出放大信号PA OUT。第一级单元10包括多个依次串接的反相器组，且相邻的反相器组之间具有第一控制开关，每个反相器组与第一级单元10的输出端之间具有第二控制开关。在本发明的一实施例中，第一级单元10包括依次串接的4个反相器组11、12、13和14。如图1所示，反相器组11与反相器组12之间具有第一控制开关s1，反相器组11与第一级单元10的输出端之间具有第二控制开关s1b。相类似的，反相器组12与反相器组13之间具有第一控制开关s2，与第一级单元10的输出端之间具有第二控制开关s2b；反相器组13与反相器组14之间具有第一控制开关s3，与第一级单元10的输出端之间具有第二控制开关s3b；反相器组14与第一级单元10的输出端之间具有第二控制开关s4b。第一控制开关s1~s4以及第二控制开关s1b~s4b可由开关控制信号Freq_Ctrl控制以打开或关闭。每一个反相器组具有多个反相器，每一个反相器包括一个NMOS管及一个PMOS管。如图1所示，反相器组11包括3个反相器INV1、INV2和INV3，其中反相器INV1包括NMOS管M1和PMOS管M2，NMOS管M1的栅极和PMOS管M2的栅极连接作为其输入端，NMOS管M1的漏极和PMOS管M2的漏极连接作为其输出端，耦接反相器INV2。PMOS管M2的源极接电源，NMOS管M1的源极接地。类似的，反相器INV2包括NMOS管M3和PMOS管M4，反相器INV 3包括NMOS管M5和PMOS管M6，其中NMOS管M5的漏极和PMOS管M6的漏极连接作为反相器INV3输出端与第一控制开关s1和第二控制开关s1b相连。反相器组12包括由MOS管M7、M8和MOS管M9、M10分别构成的反相器INV4和INV5，反相器组13包括由MOS管M11、M12和MOS管M13、M14分别构成的反相器INV6和INV7，而反相器组14包括由MOS管M15、M16和MOS管M17、M18分别构成的反相器INV8和INV9。各个反相器组依次串接，每一个反相器组及其中反相器的结构及连接关系均与反相器组11及其中反相器相类似，在此不作赘述。通过第一控制开关与第二控制开关可以在反相器组之间建立连接，使不同反相器组切换到工作状态，从而使得第一级单元10输出不同频率的方波信号。

具体而言，当开关控制信号Freq_Ctrl_1控制第一控制开关s1及第二控制开关s1b关闭，其余开关控制信号Freq_Ctrl_2、Freq_Ctrl_3与Freq_Ctrl_4控制第一控制开关s2、s3、s4及第二控制开关s2b、s3b、s4b打开，则此时仅有第一反相器组11处于工作状态，第一反相器11的3个反相器INV1、INV2、INV3形成环形振荡器，输出固定的第一频率的方波信号，在本发明的实施例中，该方波信号的第一频率为最高频率，约为1.23GHz。而当开关控制信号Freq_Ctrl_1控制第一控制开关s1关闭且第二控制开关s1b打开，开关控制信号Freq_Ctrl_2控制第一控制开关s2及第二控制开关s2b关闭，此外开关控制信号Freq_Ctrl_3，Freq_Ctrl_4使得第二控制开关s3、s4、s3b、s4b打开时，第一反相器组12与第一反相器组11导通，其输出端即为第一级单元10的输出端。因此，第一反相器组11和第二反相器组12处于工作状态，反相器INV1~INV5形成环形振荡器，实现第二频率方波信号的输出，在本发明的实施例中，该第二频率约为1.01GHz。当开关控制信号Freq_Ctrl_3控制第一控制开关s3及第二控制开关s3b关闭,其他开关控制信号控制开关s1和s2关闭，开关s1b、s2b、s4和s4b打开时，第一反相器组11、第二反相器组12和第三反相器组13均处于工作状态，此时反相器INV1~INV7形成环形振荡器，实现第三频率方波信号的输出，在本发明的实施例中，该第三频率约为0.82GHz。最后，当开关控制信号Freq_Ctrl_4控制第二控制开关s4b关闭，其他开关控制信号控制开关s1，s2和s3关闭，开关s1b、s2b、s3b打开时，反相器组11~14全部处于工作状态，反相器INV1~INV9形成环形振荡器，输出第四频率的方波信号，该第四频率约为0.65GHz。由以上论述可知，通过开关控制信号的控制，可以切换不同的反相器组组合，而这些反相器组中奇数个反相器共同形成环形振荡器，从而实现相应频率方波的输出。请参考图2，其所示为本发明的上述实施例功率放大器切换不同的反相器组工作时，第一级单元10输出信号在时域上的波形示意图，当然本发明通过控制开关切换反相器组的工作状态并不限于形成上述4种组合方式。由图2可知，第一级单元10产生的方波信号频率是可变的。由于时域上方波频率的改变将在频域上带来频谱的展宽和收缩效应，例如增加方波的频率将使频域上的频谱展宽，而减小方波的频率则将使频域上的频谱收缩。因此，通过改变第一级单元10所输出的方波信号的频率，并经第二级单元20的输出驱动，最终可以使得发射机产生频谱可变的功率发射。

请继续参考图1，第二级单元20耦接第一级单元10，接收第一级单元10传来的方波信号，对其进行整形以输出放大信号PA OUT。第二级单元20包括依次串接的第一反相器21和第二反相器22，其中第一反相器21包括第一电容C1、C2，第一NMOS管M19及第一PMOS管M20。第一PMOS管M20的源极接电源，第一NMOS管M19的源极接地，第一级单元10传来的方波信号分别通过第一电容C1、C2传送到第一NMOS管M19的栅极及第一PMOS管M20的栅极，第一NMOS管M19的漏极和第一PMOS管M20的漏极连接作为其输出端。第二反相器22包括第二电容C3、C4，第二NMOS管M21及第二PMOS管M22。其中第一反相器21输出端输出的脉冲信号分别通过第二电容C3、C4传送到第二NMOS管M21的栅极及第二PMOS管M22的栅极。第二PMOS管M22的源极接电源，第二NMOS管M21的源极接地，第二NMOS管M21的漏极和第二PMOS管M22的漏极连接作为其输出端。通过第一反相器21及第二反相器22，第二级单元20对第一级单元10传来的方波信号进行进一步整形，以输出放大信号PA OUT并驱动发射机片外发射天线的阻抗。

此外，在本发明的一实施例中，为了使功率放大器的第一级单元10和第二级单元20不互相影响，确保各自完成相应的功能，第一级单元10的电源和第二级单元20的电源为两个分离的不同电源，同样的，第一级单元10的接地端与第二级单元20的接地端分开。如图1中所示，第一级单元10所接电源为第一电源VDD1，接地端为第一接地端GND1；第二级单元20所接电源为第二VDD2，接地端为第二接地端GND2。如此一来，第一级单元10和第二级单元20的电源与接地端都分开版图布局，从而减小版图寄生以及封装键合线的影响。

综上，本发明所提出的功率放大器，通过第一级单元产生频率可变的信号输出，使得发射机能够以不同频谱发射信号，提高了工作效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：

第一级单元，其包括依次串接的多个反相器组，每一所述反相器组包括多个依次串接的反相器；每一所述反相器组的输出端与所述第一级单元的输出端相连，其中相邻所述反相器组之间具有第一控制开关，每一所述反相器组与所述第一级单元的输出端之间具有第二控制开关，每一所述反相器组输出固定频率的方波信号，所述第一控制开关与所述第二控制开关切换所述多个反相器组的工作状态，以输出不同频率的方波信号；以及

第二级单元，与所述第一级单元的输出端相耦接，对所述第一级单元传来的所述方波信号进行整形以产生放大信号。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一控制开关与所述第二控制开关切换所述多个反相器组的工作状态，使得依次串接的所述多个反相器组形成环形振荡器以输出所述方波信号，所述环形振荡器具有奇数个所述反相器。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述反相器包括NMOS管及PMOS管；其中，所述NMOS管的栅极和所述PMOS管的栅极连接作为其输入端，所述NMOS管的漏极和所述PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述PMOS管的源极接电源，所述NMOS管的源极接地。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述第二级单元包括依次串接的第一反相器与第二反相器，所述第一反相器包括两个第一电容、第一NMOS管及第一PMOS管；其中，所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述第一PMOS管的源极接电源，所述第一NMOS管的源极接地，由所述第一级单元传来的所述方波信号分别通过所述第一电容传送到所述第一PMOS管的栅极及所述第一NMOS管的栅极；所述第二反相器包括两个第二电容、第二NMOS管及第二PMOS管；其中，所述第二NMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极连接作为其输出端，所述第二PMOS管的源极接电源，所述第二NMOS管的源极接地，所述第一反相器的输出信号分别通过所述第二电容传送到所述第二PMOS管的栅极及所述第二NMOS管的栅极。

5.根据权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，所述第一级单元的电源与所述第二级单元的电源为两个分离的不同电源，所述第一级单元的接地端与所述第二级单元的接地端分开。

6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第二级单元产生所述放大信号以驱动片外发射天线的阻抗。

7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一控制开关与所述第二控制开关根据开关控制信号打开或关闭。

8.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器为D类功率放大器。