CN103457550B - 射频功率放大器及其移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器，同时还涉及使用该射频功率放大器的移动终端。该射频功率放大器包括至少两级放大电路，其中后级放大电路的晶体管集电极与前一级放大电路的晶体管集电极之间具有反馈电感，以便后级放大电路的晶体管从前一级放大电路的晶体管集电极获得所需的集电极偏置电压；最后一级放大电路的晶体管集电极连接馈电电感。该射频功率放大器在工作时，可将各级放大电路按需要关闭，实现高中低等多种工作模式，提高在不同输出功率下的效率。

Description

射频功率放大器及其移动终端

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及一种具有高中低等多种工作模式的射频功率放大器（RF Power Amplifier），同时还涉及使用该射频功率放大器的移动终端，属于功率放大器技术领域

背景技术

在移动终端中，功率放大器是一个必不可少的功能模块。它的主要作用是放大移动终端的发射功率，使其达到基站时仍然保持足够的信号强度，达到通信所需的最低信噪比，从而完成整个通信链路的信号收发工作。如图1所示，通常在移动终端的通信链路中，信号由基带芯片产生并输入给收发芯片。收发芯片输出射频信号，提供给功率放大器芯片。射频信号由功率放大器放大后再经滤波器实现滤波，最后由天线对外发射。

在移动通信网络中，功率放大器的功耗在整机系统中占有相当大的比例，降低功率放大器的功耗可以明显提高整机系统的工作时间。另一方面，功率放大器的性能好坏直接决定了射频电路的整体性能。一个高性能的功率放大器，要求在满足一定的增益要求和最大输出功率的条件下，同时获得尽可能高的效率。

要达到一定的增益要求，功率放大器一般采用两级或者三级放大。参见图2所示的典型功率放大器电路，包括双极型晶体管（简称为晶体管）201、202和203、直流馈电电感204、205和206与隔直电容207、208、209和210。其中，射频输入信号输入第一级晶体管201，晶体管201将信号放大15dB左右输入给第二级晶体管202，晶体管202放大信号10dB左右后将驱动信号输入到第三级晶体管203，由晶体管203最后输出整机系统所需的最大功率。需要说明的是，功率放大器中还包括输入输出匹配电路和级间匹配电路，但因与本发明无关，在图2中予以省略。

射频功率放大器的小型化设计是整个功率放大器的设计趋势。在图2所示的典型功率放大器电路中，直流馈电电感204、205和206提供功率放大器必需的静态工作电流，同时在射频频段具有高阻抗的特性，防止外围的其他器件通过直流馈电电感影响功率放大器的正常工作。由于移动终端的射频频段通常为300MHz～3000MHz，所需的直流馈电电感值通常需要大于5nH。无论是使用SMD（表面贴装器件）封装方式的电感，还是使用分布方式的金属走线电感，都会占用较大的面积并增加额外的成本，不利于实现射频功率放大器的小型化。

另一方面，移动通信网络中的相关技术标准对移动设备的发射功率有严格要求，例如最大发射功率需达到24dBm，最小的发射功率为－50dBm，动态范围在75dB左右，增益一般在25dB～30dB等。参见图3所示，射频功率放大器需要覆盖75dB左右的动态范围，其中最大概率发射点在0dBm左右。虽然射频功率放大器工作在－50dBm和24dBm的时间非常少，但在设计时必需考虑到覆盖这么大的发射功率范围。当射频功率放大器输出最大功率时，对应的静态工作电流通常在80mA以上。如果保持该静态工作电流不变，当射频功率放大器输出最小发射功率时，该状态下的效率较差。

为了在不同输出功率下兼顾射频功率放大器在效率、体积等方面的要求，人们进行了多方面的技术研究。例如美国专利US 11/385，948公开了一种多模式RF（射频）放大器，其具有由两个功率路径组成的高和低输出功率模式。当多模式RF放大器被偏置到高功率HP模式时，经由两个(第一和第二)路径来传递实际功率。而在低功率LP模式下，仅经由第二路径来传递功率，所述第二路径被设计为在低功率(回退)工作下降低电流消耗并改善效率。在一个实施例中，多模式RF放大器具有功率放大器，但没有机械或电子开关。多模式放大器利用其中阻抗在不同功率放大器偏置条件下改变的阻抗匹配电路以便优化两种工作模式下的电流消耗，并且对于便携式应用，功率效率高。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种射频功率放大器。该射频功率放大器具有高中低等多种工作模式，可以实现不同输出功率下的功率放大器的优化工作状态。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供使用上述射频功率放大器的移动终端。

为解决上述的问题，本发明采用下述的技术方案：

一种射频功率放大器，其特征在于：

所述射频功率放大器包括至少两级放大电路，其中后级放大电路的晶体管集电极与前一级放大电路的晶体管集电极之间具有反馈电感，以便后级放大电路的晶体管从前一级放大电路的晶体管集电极获得所需的集电极偏置电压；最后一级放大电路的晶体管集电极连接馈电电感。

其中较优地，所述射频功率放大器通过调整各级放大电路的基极偏置电压改变相应的增益模式。

其中较优地，所述放大电路为三级，其中第一级放大电路的晶体管集电极与第二级放大电路的晶体管集电极之间具有第一反馈电感，第一级放大电路的晶体管集电极与第二级放大电路的晶体管基极之间具有第一隔直电容，第二级放大电路的晶体管集电极与第三级放大电路的晶体管集电极之间具有第二反馈电感，第二级放大电路的晶体管集电极与第三级放大电路的晶体管基极之间具有第二隔直电容。

在所述射频功率放大器处于高增益模式工作时，各级放大电路的晶体管均加载正常工作电压。

在所述射频功率放大器处于中增益模式工作时，第三级放大电路的晶体管基极偏置电压为零，其余各级放大电路的晶体管处于正常工作状态。

在所述射频功率放大器处于低增益模式工作时，第三级放大电路和第二级放大电路的晶体管基极偏置电压均为零，其余各级放大电路的晶体管处于正常工作状态。

其中较优地，第一级放大电路的晶体管基极与地之间设置输入匹配电感。

其中较优地，第三级放大电路的晶体管集电极连接输出匹配电路，所述输出匹配电路由电容和电感串联组成。

一种移动终端，具有上述的射频功率放大器。

本发明提出了一种采用级间反馈电感馈电的射频功率放大器。通过晶体管偏置电压的调整，它可以实现高、中、低等不同增益模式，并且各个增益模式的静态工作电流可控，从而实现了不同输出功率下的功率放大器的优化工作状态。采用该射频功率放大器的移动终端可以兼顾小体积和低成本的要求。

附图说明

图1为现有移动终端的功能模块示意图；

图2为一种典型功率放大器的电路原理图；

图3为移动设备工作所需的发射功率分布示意图；

图4为晶体管的器件I-V曲线示意图；

图5为本发明所提供的射频功率放大器的电路原理图；

图6为射频功率放大器工作在中增益模式时的电路原理图；

图7为射频功率放大器工作在小增益模式时的电路原理图；

图8为用于TD-LTE移动终端的射频功率放大器的电路原理图。

具体实施方式

综合考虑效率和线性度等因素，射频功率放大器通常工作在AB类状态。在射频功率放大器中，晶体管的集电极和基极电压决定了晶体管的偏置状态。例如在图2所示的典型功率放大器中，晶体管在集电极具有集电极偏置电压VDD1、VDD2和VDD3，在基极具有基极偏置电压Vb1、Vb2和Vb3。图4为晶体管的器件I-V曲线示意图，其中显示了基极电压、集电极电压与集电极电流之间的对应关系。

如图5所示，本发明在此基础上提出了一种全新的射频功率放大器电路拓扑结构。该射频功率放大器包括晶体管501、502和503，反馈电感504和505，最后一级的直流馈电电感506，输入隔直电容507，第一级晶体管501与第二级晶体管502的隔直电容508，第二级晶体管502与第三级晶体管503的隔直电容509，最后一级晶体管503的输出隔直电容510。其中，晶体管501的基极连接输入隔直电容507，该基极具有基极偏置电压Vb1。晶体管501的集电极与晶体管502的集电极之间具有反馈电感504。晶体管501的集电极与晶体管502的基极之间具有隔直电容508。晶体管502的基极具有基极偏置电压Vb2。类似地，晶体管502的集电极与晶体管503的集电极之间具有反馈电感505。晶体管502的集电极与晶体管503的基极之间具有隔直电容509。晶体管503的基极具有基极偏置电压Vb3。晶体管503的集电极分别连接直流馈电电感506和输出隔直电容510。

在图5所示的射频功率放大器中，除了最后一级之外，其他级的晶体管均采用反馈电感504或505的反馈馈电方式。具体说明如下：在射频功率放大器工作时，三级晶体管501、502和503都由一个馈电点VDD馈电，第三级晶体管503采用传统的直流馈电电感506。而第二级晶体管502由反馈电感505从第三级晶体管503集电极处馈电，该反馈电感505同时起到馈电和反馈作用。第一级晶体管501与第二级晶体管502类似，由反馈电感504从第二级晶体管502的集电极处馈电，该反馈电感504同时起到馈电和反馈作用。在射频功率放大器处于高增益模式工作时，三级晶体管501、502和503均加载正常工作电压；处于中增益模式工作时，最后一级晶体管503的基极偏置电压Vb3关闭，晶体管503不工作，此时第一级晶体管501和第二级晶体管502处于正常工作状态；处于低增益模式工作时，第二级晶体管502和第三级晶体管503的基极偏置电压Vb2和Vb3关闭，此时第一级晶体管501处于正常工作状态。

上述三级晶体管501、502和503的放大工作状态均由独立的基极偏置电压控制：

当射频功率放大器工作在最大增益模式时，三级晶体管501、502和503均处于正常工作状态，级间的反馈电感504和505均起反馈作用。

如图6所示，当射频功率放大器工作在中增益模式时，第三级晶体管503的基极偏置电压Vb3设为0V，此时第三级晶体管503处于关断状态。第一级晶体管501和第二级晶体管502处于正常工作状态，级间的反馈电感505此时仅作为第二级晶体管502的馈电电感，同时起到阻抗匹配的作用，将原先第三级晶体管503处的阻抗经反馈电感505转换成第二级晶体管502所需的阻抗。

如图7所示，当射频功率放大器工作在小增益模式时，第二级晶体管502的基极偏置电压Vb2和第三级晶体管503的基极偏置电压Vb 3设为0V，此时第二级晶体管502和第三级晶体管503均处于关断状态，而第一级晶体管501处于正常工作状态，级间的反馈电感504和505仅作为第一级晶体管501的馈电电感，同时起到阻抗匹配的作用，将原先第三级晶体管503处的阻抗经反馈电感504和505转换成第一级晶体管501所需的阻抗。

图8进一步显示了用于TD-LTE移动终端的本射频功率放大器的一个实施例。在TD-LTE移动终端中，工作频段为2300MHz～2400MHz，最大增益为28dB，最大输出功率28dBm。相应地，用在TD-LTE移动终端的射频功率放大器采用三级放大，其中晶体管801、802和803为GaAs HBT器件，集电极偏置电压Vdd为3.4V，基极偏置电压Vb1、Vb2和Vb3为1.35V，第三级晶体管803的集电极偏置电压由馈电电感806提供，第一级晶体管801和第二级晶体管802的集电极偏置电压分别由反馈电感804和805提供，三级晶体管的基极偏置电压由Vb1、Vb2和Vb3经过电阻814、815和816分别提供。其中电感807为输入匹配电感，电感811和电容812串联组成输出匹配电路。电容808、809、810和813为输入输出和级间隔直电容。

上述射频功率放大器一共有三个增益模式，可以依照发射功率的需求，选择对应的工作模式，最大程度地降低静态工作电流和整体平均工作电流。在高增益模式下，三级晶体管均处于正常偏置状态，Vdd电压为3.4V，Vb1、Vb2和Vb3电压为1.35V。其中第一级晶体管801的静态工作电流约为5mA，第二级晶体管802的静态工作电流约为15mA，第三级晶体管803的静态工作电流约为80mA，高增益模式下射频功率放大器总的静态工作电流100mA，功率放大器在工作频段内的增益约为28dB，最大线性输出功率为28dBm，饱和输出功率约为31dBm。在中增益模式下，Vdd保持3.4V，偏置电压Vb3设为0V，此时第三级晶体管803关闭。Vb1和Vb2工作电压为1.35V，第一级晶体管801的静态工作电流为5mA，第二级晶体管802的静态工作电流为15mA。此时输入信号经第一级晶体管801和第二级晶体管802放大器后，经过第二级和第三级级间的反馈电感805输出，此时射频功率放大器在工作频段内增益约为22dB，中增益模式下静态工作电流为20mA，最大线性输出功率约为18dBm。在低增益模式工作模式下，Vdd保持3.4V，偏置电压Vb2和Vb3设置为0V，此时第二级晶体管802和第三级晶体管803关闭。Vb1工作电压为1.35V，第一级晶体管801的静态工作电流为5mA。此时输入信号经第一级晶体管801放大后经过第一级与第二级级间的反馈电感804和第二级与第三极级间的反馈电感805输出，此时射频功率放大器在工作频段内增益约为13dB，低增益模式下静态工作电流为5mA，最大线性输出功率约为8dBm。

本发明所提供的射频功率放大器采用独特的电路拓扑结构，包括两级或两级以上放大电路，其中最后一级放大电路采用传统馈电电感提供最后一级晶体管所需的静态工作电流。其余放大电路中，后级放大电路通过反馈电感从前一级放大电路的晶体管集电级获得所需的偏置电压，并提供本级放大电路的静态工作电流。利用该电路拓扑结构，可以实现多级功率放大器的独立控制、逐级打开的多增益模式。并且，各个增益模式下的静态工作电流可控，从而实现了不同输出功率下的射频功率放大器的优化工作状态。

该电路拓扑结构尤其适用于两级及两级放大以上的射频功率放大器，例如图5或图8所示采用三级放大的射频功率放大器等。采用该电路拓扑结构进行集成电路芯片设计，则可以实现收发机的芯片面积与功耗的最优化设计。相应地，使用本发明所提供的射频功率放大器的移动终端可以兼顾小体积和低成本的要求。

需要说明的是，本发明所提供的射频功率放大器并不限于用在移动终端中，同时也适用于其他射频功率放大器应用的领域，如基站功率放大器、驱动功率放大器和低噪声放大器等。

上面对本发明所提供的射频功率放大器及其移动终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种射频功率放大器，其特征在于包括至少两级放大电路，其中后级放大电路的晶体管集电极与前一级放大电路的晶体管集电极之间具有反馈电感，以便后级放大电路的晶体管从前一级放大电路的晶体管集电极获得所需的集电极偏置电压和本级放大电路的静态工作电流；最后一级放大电路的晶体管集电极连接馈电电感；

所述射频功率放大器通过分别调整各级放大电路的基极偏置电压，实现独立控制、逐级打开的多增益模式；其中，

在所述射频功率放大器处于高增益模式工作时，各级放大电路的晶体管均加载正常工作电压，级间的反馈电感起到反馈作用；

在所述射频功率放大器处于中增益模式工作时，末级放大电路的晶体管基极偏置电压为零，其余各级放大电路的晶体管处于正常工作状态；级间的反馈电感作为前一级晶体管的馈电电感，同时起到阻抗匹配作用；

在所述射频功率放大器处于低增益模式工作时，末级放大电路和次末一级放大电路的晶体管基极偏置电压均为零，其余各级放大电路的晶体管处于正常工作状态；级间的反馈电感作为前一级晶体管的馈电电感，同时起到阻抗匹配作用。

2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：

所述放大电路为三级，其中第一级放大电路的晶体管集电极与第二级放大电路的晶体管集电极之间具有第一反馈电感，第一级放大电路的晶体管集电极与第二级放大电路的晶体管基极之间具有第一隔直电容，第二级放大电路的晶体管集电极与第三级放大电路的晶体管集电极之间具有第二反馈电感，第二级放大电路的晶体管集电极与第三级放大电路的晶体管基极之间具有第二隔直电容。

3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：

第一级放大电路的晶体管基极连接输入隔直电容，第三级放大电路的晶体管集电极连接输出隔直电容。

4.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：

第一级放大电路的晶体管基极与地之间设置输入匹配电感。

5.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：

第三级放大电路的晶体管集电极连接输出匹配电路，所述输出匹配电路由电容和电感串联组成。

6.一种移动终端，其特征在于所述移动终端具有如权利要求1或2所述的射频功率放大器。