CN103580610A - 多模功率放大器及相应的移动通信终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模功率放大器，其具有低、中、高三种功率模式，其包括调节控制电路、AMP1、分路器件、AMP2，以及低、中和高三个功率输出匹配电路。在低功率模式时，调节控制电路控制AMP1工作于第一功率模式下，同时控制分路器件将AMP1的输出端连接至低功率输出匹配电路。在中功率模式时，调节控制电路控制AMP1工作于第二功率模式下，同时控制分路器件将AMP1的输出端连接至中功率输出匹配电路。在高功率模式时，调节控制电路控制AMP1工作于第二功率模式下，同时控制分路器件将AMP1的输出端连接至AMP2，AMP2的输出端与高功率输出匹配电路的输入端相连。这样，采用两个功率放大单元即可以实现低、中和高三个功率模式，占用芯片面积小，制造成本较低。

Description

多模功率放大器及相应的移动通信终端
【技术领域】
本发明涉及IC设计领域，尤其是涉及一种多模功率放大器及相应的移动通信终端。
【背景技术】
现代移动通讯系统，特别是手机，为了延长锂电池的使用时间，增加通话时间，降低功率放大器的电流，提高功率放大器效率为有效途径之一。为此人们发明了很多有效提高效率的方法，像E类和F类功率放大器。这类功率放大器，在功率输出接近饱和时可以达到很高的有效效率。
但在通讯系统中，有时系统并不需要很高的发射功率，为了使得系统在功率回退状态下都有很高的效率，人们提出了多模功率放大器((Multi-Mode PowerAmplifier)。多模功率放大器就是根据通讯系统所需功率，设定发射功率的大小，使其在功率回退状态下也能保持较高的效率。通常所述多模功率放大器包括有三种工作模式，分别为低功率模式(low power mode，LPM)、中功率模式(mediumpower mode，MPM)、高功率模式(high power mode，HPM)。多模功率放大器被广泛应用于3G/4G手机中。
图1示出了现有技术中一种典型的多模功率放大器。如图1所示，所述多模功率放大器包括三条功率放大路径，分别为低功率放大路径、中功率放大路径和高功率放大路径，每个功率放大路径上都包括有第一开关电路、输入匹配电路、功率放大模块(QL、QM或QH)、输出匹配电路和第二开关电路。在低功率模式时，通过控制各个开关电路使得低功率放大路径导通，其它功率放大路径截止，输入射频信号RF IN经过低功率放大路径后得到功率放大后的射频输出信号RF OUT。在中功率模式时，通过控制各个开关电路使得中功率放大路径导通，其它功率放大路径截止，输入射频信号RF IN经过中功率放大路径后得到功率放大后的射频输出信号RF OUT。在高功率模式时，通过控制各个开关电路使得高功率放大路径导通，其它功率放大路径截止，输入射频信号RF IN经过高功率放大路径后得到功率放大后的射频输出信号RF OUT。
尽管此类多模功率放大器可以有效地改进系统的有效效率，但此类功率放大器有如下缺点：1、需要针对每个模式开发单独的功率放大路径，设计周期长，开发成本高；2、此类架构的多模功率放大器需要三个不同功率的功率放大单元，占用的面积较大；3、输出匹配电路的设计和调试非常复杂，研发成本高。4、不同功率模式下，放大器级数未变，使得功率增益在三个功率模式下没有明显区分，对收发机动态范围要求很高。
因此，希望提出一种改进的多模功率放大器来克服上述问题。
【发明内容】
本发明所解决的技术问题之一在于提供一种多模功率放大器，其占有较小的面积，成本较低。
本发明所解决的技术问题之二在于提供一种移动通信终端，其采用多模功率放大器，该多模功率放大器占有较小的面积，成本较低。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种多模功率放大器，其具有低、中、高三种功率模式，其包括调节控制电路、功率可调的第一功率放大单元、分路器件、第二功率放大单元、低功率输出匹配电路、中功率输出匹配电路、高功率输出匹配电路。第一功率放大单元具有第一功率模式和第二功率模式，其中第一功率放大单元在第一功率模式下的功率较第二功率模式下的功率低。在所述多模功率放大器处于低功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第一功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至低功率输出匹配电路的输入端。在所述多模功率放大器处于中功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至中功率输出匹配电路的输入端。在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至第二功率放大单元的输入端，所述第二功率放大单元的输出端与高功率输出匹配电路的输入端相连。
进一步的，所述分路器件包括一个输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述输入端连接第一功率放大单元的输出端，第一输出端与低功率输出阻抗匹配电路的输入端相连，第二输出端与中功率输出阻抗匹配电路的输入端相连，第三输出端与第二功率放大单元的输入端相连。所述分路器件基于所述调节控制电路输出的控制信号将其输入端有选择性的连接至第一输出端、第二输出端和第三输出端，在所述多模功率放大器处于低功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第一输出端，在所述多模功率放大器处于中功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第二输出端，在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第三输出端。
进一步的，所述调节控制电路有选择的给第一功率放大单元提供第一偏置电压和第二偏置电压，在给第一功率放大单元提供第一偏置电压时，第一功率放大单元工作于第一功率模式下，在给第一功率放大单元提供第二偏置电压时，第一功率放大单元工作于第二功率模式下。
进一步的，所述调节控制电路能够不给第一功率放大单元或第二功率放大单元提供偏置电压以使它们处于非工作状态，在所述多模功率放大器处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路控制所述第二功率放大单元处于非工作状态。
进一步的，所述中功率输出匹配电路包括第一前端匹配电路，其输入端与分路器件的一个输出端相连。所述高功率输出匹配电路包括第二前端匹配电路，其输入端与第二功率放大单元的输出端相连。所述中功率输出匹配电路和所述高功率输出匹配电路还包括一个共同的后端匹配电路，所述后端匹配电路的输入端与第一前端匹配电路的输出端和第二前端匹配电路的输出端相连，所述后端匹配电路的输出端作为所述中功率输出匹配电路和所述高功率输出匹配电路的输出端。在中功率模式时，第一前端匹配电路和所述后端匹配电路共同形成中功率输出匹配电路对中功率模式下的输出阻抗进行匹配。在高功率模式时，第二前端匹配电路和所述后端匹配电路共同形成高功率输出匹配电路对高功率模式下的输出阻抗进行匹配。
进一步的，所述多模功率放大器还包括有：位于第二前端匹配电路和后端匹配电路之间的开关器件，在所述多模功率放大器处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路还控制所述开关器件关断以将第二前端匹配电路与后端匹配电路进行隔离，在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路还控制所述开关器件导通以连通第二前端匹配电路与后端匹配电路。
进一步的，调节控制电路、第一功率放大单元、分路器件、第二功率放大单元、低功率输出匹配电路、第一前端匹配电路、第二前端匹配电路和开关器件共同集成于同一个晶片中，所述后端匹配电路为晶片外电路。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种移动通信终端，其包括多模功率放大器。多模功率放大器，其具有低、中、高三种功率模式，其包括调节控制电路、功率可调的第一功率放大单元、分路器件、第二功率放大单元、低功率输出匹配电路、中功率输出匹配电路、高功率输出匹配电路。第一功率放大单元具有第一功率模式和第二功率模式，其中第一功率放大单元在第一功率模式下的功率较第二功率模式下的功率低。在所述多模功率放大器处于低功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第一功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至低功率输出匹配电路的输入端。在所述多模功率放大器处于中功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至中功率输出匹配电路的输入端。在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至第二功率放大单元的输入端，所述第二功率放大单元的输出端与高功率输出匹配电路的输入端相连。
与现有技术相比，在本发明中的多模功率放大器中，由于引入了分路器件和功率可调的第一功率放大单元，因此采用两个功率放大单元即可以实现低、中和高三个功率模式，占用芯片面积小，制造成本较低。
关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1为现有技术中的一种典型多模功率放大器的结构框图；
图2为本发明中的多模功率放大器的第一实施例的结构框图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来呈现，其直接或间接地模拟本发明中的技术方案的运作。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。
图2示出了本发明中的多模功率放大器的第一实施例200的方框示意图。所述多模功率放大器200具有低、中、高三种功率模式，比如，在低功率模式时，其输出功率Po≤7dBm，在中功率模式时，其输出功率大约为7dBm<Po≤17dBm，在高功率模式时，其输出功率大约为17dBm<Po≤28dBm。
如图2所示，所述多模功率放大器200包括功率可调的第一功率放大单元210（简称AMP1）、分路器件220、第二功率放大单元230(简称AMP2)、调节控制电路240、低功率输出匹配电路250、中功率输出匹配电路260和高功率输出匹配电路270。第一功率放大单元210具有第一功率模式和第二功率模式，其中第一功率放大单元210在第一功率模式下的功率较第二功率模式下的功率低，比如在一个示例中，在第一功率模式下，该第一功率放大单元210的输出功率为≤7dBm，在第二功率模式下，该第一功率放大单元210的输出功率为大于7dBm而小于等于17dBm。
在所述多模功率放大器200处于低功率模式时，所述调节控制电路240控制所述第一功率放大单元210工作于第一功率模式下，同时控制所述分路器件220将第一功率放大单元210的输出端连接至低功率输出匹配电路250的输入端。此时，第一功率放大单元210的输入端接收射频输入信号RF IN，低功率输出匹配电路250的输出端输出功率放大后的射频输出信号RF OUT。
在所述多模功率放大器200处于中功率模式时，所述调节控制电路240控制所述第一功率放大单元210工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件220将第一功率放大单元210的输出端连接至中功率输出匹配电路260的输入端。此时，第一功率放大单元210的输入端接收射频输入信号RF IN，中功率输出匹配电路260的输出端输出功率放大后的射频输出信号RF OUT。
在所述多模功率放大器200处于高功率模式时，所述调节控制电路240控制所述第一功率放大单元210工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元210的输出端连接至第二功率放大单元230的输入端，所述第二功率放大单元230的输出端与高功率输出匹配电路270的输入端相连。此时，第一功率放大单元210的输入端接收射频输入信号RF IN，高功率输出匹配电路270的输出端输出功率放大后的射频输出信号RF OUT。
这样，在本发明中由于引入了分路器件220和功率可调的第一功率放大单元210，因此采用两个功率放大单元即可以实现低、中和高三个功率模式，占用芯片面积小，制造成本较低。
在一个实施例中，所述分路器件220包括一个输入端Fin、第一输出端Fo1、第二输出端Fo2和第三输出端Fo3。所述输入端连接第一功率放大单元的输出端，第一输出端Fo1与低功率输出阻抗匹配电路250的输入端相连，第二输出端Fo2与中功率输出阻抗匹配电路260的输入端相连，第三输出端Fo3与第二功率放大单元230的输入端相连。所述分路器件240基于所述调节控制电路240输出的控制信号将其输入端有选择性的连接至第一输出端、第二输出端和第三输出端。在所述多模功率放大器200处于低功率模式时，所述调节控制电路240输出控制信号给所述分路器件220以控制所述分路器件220的输入端连接至其第一输出端。在所述多模功率放大器200处于中功率模式时，所述调节控制电路240输出控制信号给所述分路器件220以控制所述分路器件220的输入端连接至其第二输出端。在所述多模功率放大器200处于高功率模式时，所述调节控制电路240输出控制信号给所述分路器件220以控制所述分路器件220的输入端连接至其第三输出端。
在一个实施例中，所述调节控制电路240有选择的给第一功率放大单元210提供第一偏置电压Vbias1和第二偏置电压Vbias2，在给第一功率放大单元210提供第一偏置电压Vbias1时，第一功率放大单元工作于第一功率模式下，在给第一功率放大单元210提供第二偏置电压Vbias2时，第一功率放大单元工作于第二功率模式下。同样的，所述调节控制电路240还可以提供偏置电压给第二功率放大单元230以使其处于工作状态。当然，所述调节控制电路240也能够选择不给第一功率放大单元210或第二功率放大单元230提供偏置电压以使他们处于非工作状态，比如，在所述多模功率放大器200处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路240可以控制所述第二功率放大单元处于非工作状态，这样不仅可以降低功耗，而且还可以大幅度降低功率增益，降低对收发机的动态范围要求。
在一个优选的实施例中，所述中功率输出匹配电路260包括第一前端匹配电路261，其输入端与分路器件220的第二输出端Fo2相连，所述高功率输出匹配电路270包括第二前端匹配电路271，其输入端与第二功率放大单元230的输出端相连。所述中功率输出匹配电路260和所述高功率输出匹配电路270还包括一个共同的后端匹配电路280，所述后端匹配电路280的输入端与第一前端匹配电路261的输出端和第二前端匹配电路271的输出端相连，所述后端匹配电路280的输出端作为所述中功率输出匹配电路260和所述高功率输出匹配电路270的输出端，输出放大后的射频信号RF OUT。在中功率模式时，第一前端匹配电路261和所述后端匹配电路280共同形成中功率输出匹配电路260对中功率模式下的输出阻抗进行匹配。在高功率模式时，第二前端匹配电路271和所述后端匹配电路280共同形成高功率输出匹配电路270对高功率模式下的输出阻抗进行匹配。由于后端匹配电路280已经将50欧姆的系统阻抗变换至一个低于50欧姆的中间值，因此前端匹配电路261只需要做一个较低的阻抗转换比即可得到中功率模式所需阻抗；同样，前端匹配电路271只需要做一个较低的阻抗转换比即可得到高功率模式所需阻抗，需要注意的是，匹配电路阻抗转换比越小，插损越小。同时，这样也更利于后续的输出阻抗匹配电路的调试，缩短研发周期。
在具体实现时，所述低功率输出匹配电路、第一前端匹配电路、第二前端匹配电路、后端匹配电路可以是T型匹配网络、PI型、LC、CL等任意结构匹配网络，视具体情况而定。
在一个优选的实施例中，所述多模功率放大器200的高功率输出匹配电路270还包括有位于第二前端匹配电路271和后端匹配电路280之间的开关器件272。在所述多模功率放大器200处于高功率模式时，所述调节控制电路240还控制所述开关器件272导通以连通第二前端匹配电路272与后端匹配电路280，以使得第二前端匹配电路272与后端匹配电路280共同形成高功率输出匹配电路270。在所述多模功率放大器200处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路240还可以控制所述开关器件272关断以将第二前端匹配电路271与后端匹配电路280进行隔离，这样可以避免对低功率输出匹配和中功率输出匹配产生不良影响，在多模功率放大器的开发调试过程中，可以使得输出匹配阻抗的调试更为简单。
在本发明中的一个实施例中，可以不在第一前端匹配电路261和后端匹配电路280之间设置类似开关器件272中的开关器件，这可以降低制造成本。在第一前端匹配电路261和后端匹配电路280之间设置类似开关器件272中的开关器件，会导致成本上升，并且给研发过程中的调试工作带来好处有限。同样的，在本发明的一个实施例中，也可以不在低功率输出匹配电路250和后端匹配电路280之间设置开关器件，这同样可以降低制造成本。
采用现有的工艺技术，由于工艺的不兼容，通常会将调节控制电路240与第一功率放大单元、第二功能放大单元以及输出匹配电路分别设置于不同的晶片中，这样不仅制造成本高，而且也会占用更大的芯片面积和封装尺寸，不利于集成化。
本发明中的一个重点、优点或特点在于：采用BiFET(双极结型场效应晶体管)工艺，该工艺是将砷化镓HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）工艺和pHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)工艺集成在同一片晶圆上面，使得该工艺同时具有高功率器件、逻辑器件和开关器件的功能，可以将所述调节控制电路240、第一功率放大单元210、分路器件220、第二功率放大单元230、低功率输出匹配电路250、第一前端匹配电路261、第二前端匹配电路271和开关器件272共同集成于同一个晶片中，所述后端匹配电路280为晶片外电路。这样可以大幅度的降低制造成本，并且可以使得集成度很高。
本发明中的相连或连接的含义不仅包括直接相接或连接，还包括间接相连或连接，比如经由一个电阻、功能电路后相连。本文中的“低功率”、“中功率”和“高功率”都是相对的概念，“高功率”表示其功率比中功率的功率高，“低功率”表示其功率比中功率的低，他们也可以分别被称为“第一功率”、“第二功率”和“第三功率”，比如将“低功率模式”称为“第一功率模式”，将低功率输出匹配电路称为“第一功率输出匹配电路”等等。
上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (8)

1.一种多模功率放大器，其具有低、中、高三种功率模式，其特征在于，其包括调节控制电路、功率可调的第一功率放大单元、分路器件、第二功率放大单元、低功率输出匹配电路、中功率输出匹配电路、高功率输出匹配电路，
第一功率放大单元具有第一功率模式和第二功率模式，其中第一功率放大单元在第一功率模式下的功率较第二功率模式下的功率低；
在所述多模功率放大器处于低功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第一功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至低功率输出匹配电路的输入端；
在所述多模功率放大器处于中功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至中功率输出匹配电路的输入端；
在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路控制所述第一功率放大单元工作于第二功率模式下，同时控制所述分路器件将第一功率放大单元的输出端连接至第二功率放大单元的输入端，所述第二功率放大单元的输出端与高功率输出匹配电路的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于，所述分路器件包括一个输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述输入端连接第一功率放大单元的输出端，第一输出端与低功率输出阻抗匹配电路的输入端相连，第二输出端与中功率输出阻抗匹配电路的输入端相连，第三输出端与第二功率放大单元的输入端相连，
所述分路器件基于所述调节控制电路输出的控制信号将其输入端有选择性的连接至第一输出端、第二输出端和第三输出端，
在所述多模功率放大器处于低功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第一输出端，
在所述多模功率放大器处于中功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第二输出端，
在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路输出控制信号给所述分路器件以控制所述分路器件的输入端连接至其第三输出端。
3.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于，所述调节控制电路有选择的给第一功率放大单元提供第一偏置电压和第二偏置电压，在给第一功率放大单元提供第一偏置电压时，第一功率放大单元工作于第一功率模式下，在给第一功率放大单元提供第二偏置电压时，第一功率放大单元工作于第二功率模式下。
4.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于，所述调节控制电路能够不给第一功率放大单元或第二功率放大单元提供偏置电压以使它们处于非工作状态，在所述多模功率放大器处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路控制所述第二功率放大单元处于非工作状态。
5.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于，所述中功率输出匹配电路包括第一前端匹配电路，其输入端与分路器件的一个输出端相连，
所述高功率输出匹配电路包括第二前端匹配电路，其输入端与第二功率放大单元的输出端相连，
所述中功率输出匹配电路和所述高功率输出匹配电路还包括一个共同的后端匹配电路，所述后端匹配电路的输入端与第一前端匹配电路的输出端和第二前端匹配电路的输出端相连，所述后端匹配电路的输出端作为所述中功率输出匹配电路和所述高功率输出匹配电路的输出端，
在中功率模式时，第一前端匹配电路和所述后端匹配电路共同形成中功率输出匹配电路对中功率模式下的输出阻抗进行匹配；
在高功率模式时，第二前端匹配电路和所述后端匹配电路共同形成高功率输出匹配电路对高功率模式下的输出阻抗进行匹配。
6.根据权利要求5所述的多模功率放大器，其特征在于，其还包括有：位于第二前端匹配电路和后端匹配电路之间的开关器件，
在所述多模功率放大器处于低功率模式和中功率模式时，所述调节控制电路还控制所述开关器件关断以将第二前端匹配电路与后端匹配电路进行隔离，
在所述多模功率放大器处于高功率模式时，所述调节控制电路还控制所述开关器件导通以连通第二前端匹配电路与后端匹配电路。
7.根据权利要求6所述的多模功率放大器，其特征在于，调节控制电路、第一功率放大单元、分路器件、第二功率放大单元、低功率输出匹配电路、第一前端匹配电路、第二前端匹配电路和开关器件共同集成于同一个晶片中，所述后端匹配电路为晶片外电路。
8.一种移动通信终端，其特征在于，其包括如权利要求1-7任一所述的多模功率放大器。
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