CN103843254B - 带有具有不同特性的功率放大器的多天线无线设备 - Google Patents

Abstract

公开了带有具有不同特性的功率放大器以支持在多个天线上进行传输的无线设备。这些功率放大器可具有不同增益、不同最大输出功率电平等，以便满足不同无线系统的要求。在一示例性设计中，一种装置包括具有不同特性的第一功率放大器和第二功率放大器。第一功率放大器放大第一输入信号，并且为第一天线提供第一输出信号。例如，在MIMO模式或发射分集模式中，第二功率放大器放大第一输入信号或第二输入信号，并且为第二天线提供第二输出信号。例如，在CDMA模式或GSM模式中，仅第一功率放大器或第二功率放大器放大另一输入信号，并且向第一天线提供另一输出信号。

Description

带有具有不同特性的功率放大器的多天线无线设备

背景技术

I.领域

本公开一般涉及电子器件，尤其涉及无线设备。

II.背景

无线设备（例如，蜂窝电话或智能电话）可包括耦合至天线以支持双向通信的发射机和接收机。对于数据传送，发射机可用数据来调制射频（RF）载波信号以获得经调制信号，放大经调制信号以获得具有恰当输出功率电平的输出RF信号，并经由天线将该输出RF信号发射到基站。对于数据接收，接收机可经由天线获得收到RF信号并且可调理和处理该收到RF信号以恢复由基站发送的数据。

无线设备可包括耦合至多个天线的多个发射机和多个接收机以改善性能。然而，用于支持在多个天线上进行传输的电路系统通常增加了无线设备的成本和大小。

附图简要说明

图1示出能够与不同无线通信系统通信的无线设备。

图2示出具有单个天线的无线设备的框图。

图3示出用于单个天线的发射模块的框图。

图4示出具有两个天线的无线设备的框图。

图5示出带有具有不同特性的功率放大器以用于两个天线的发射模块的框图。

图6A至6E示出图5中的发射模块中用于五种操作模式的信号路径。

图7示出阻抗匹配电路的示意图。

图8示出功率放大器的示意图。

图9示出开关的示意图。

图10示出用于由无线设备执行放大的过程。

详细描述

以下阐述的详细描述旨在作为本公开的示例性设计的描述，而无意表示可在其中实践本公开的仅有设计。术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何设计不必被解释为优于或胜过其他设计。本详细描述包括具体细节以提供对本公开的示例性设计的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，没有这些具体细节也可实践本文描述的示例性设计。在一些实例中，公知的结构和器件以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性设计的新颖性。

本文描述了利用具有不同特性的非等同功率放大器来支持多个天线上的传输的无线设备。非等同功率放大器是被设计成具有不同特性的功率放大器，不同特性诸如有不同增益、不同最大输出功率电平、不同操作点、不同线性度等。这可以用针对非等同功率放大器的不同电路设计、不同晶体管大小、不同偏置电流、不同偏置电压等来实现。非等同功率放大器可用于不同无线电技术，并且这些功率放大器的不同特性可以由于这些无线电技术所强加的不同要求而造成。

图1示出能够与不同无线通信系统120和122通信的无线设备110。无线系统120和122各自可以是码分多址（CDMA）系统、全球移动通信系统（GSM）系统、长期演进（LTE）系统、无线局域网（WLAN）系统等等。CDMA系统可实现宽带CDMA（WCDMA）、cdma2000、或CDMA的某个其他版本，它们在本文的描述中统称为“CDMA”。出于简化起见，图1示出了无线系统120包括一个基站130和一个系统控制器140，而无线系统122包括一个基站132和系统控制器142。一般而言，每个无线系统可包括任何数目的基站以及任何网络实体集合。

无线设备110也可被称为用户装备（UE）、移动站、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备110可以是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、无线调制解调器、个人数字助理（PDA）、手持式设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路（WLL）站、蓝牙设备等。无线设备110可配备有任何数目的天线。多个天线可以用于支持多输入多输出（MIMO）传输以增加吞吐量，支持发射分集从而对抗有害路径效应（例如，衰减、多径、和干扰），并且支持载波聚集以增加吞吐量等等。无线设备110可以能够与无线系统120和/或122通信。无线设备110还可以能够接收来自广播站（例如，广播站134）的信号。无线设备110还可以能够接收来自一个或多个全球导航卫星系统（GNSS）中的卫星（例如，卫星150）的信号。

图2示出无线设备200的框图，该无线设备200可以是图1中的无线设备110的示例性设计。在此示例性设计中，无线设备200包括数据处理器/控制器210、收发机220和天线250。收发机220包括支持双向无线通信的发射机230和接收机260。

在发射路径中，数据处理器210处理（例如，编码和调制）待发射的数据并且向发射机230提供模拟输出信号。在发射机230内，发射（TX）电路232对该模拟输出信号进行放大、滤波并将其从基带上变频到RF，并且提供经调制信号。TX电路232可包括放大器、滤波器、混频器、振荡器、本地振荡器（LO）发生器、锁相环（PLL）等。功率放大器（PA）234接收并放大经调制信号并提供具有恰当的输出功率电平的经放大RF信号。开关/双工器240接收来自功率放大器234的经放大RF信号，并且向天线250提供输出RF信号。开关/双工器240可包括开关和/或双工器。

在接收路径中，天线250接收来自基站和/或其他发射机站的信号并且提供收到RF信号，该收到RF信号被路由通过开关/双工器240并且提供给接收机260。在接收机260内，低噪声放大器（LNA）262放大收到RF信号并提供输入RF信号。接收（RX）电路264对该输入RF信号进行放大、滤波并将其从RF下变频到基带，并且将模拟输入信号提供给数据处理器210。RX电路264可包括放大器、滤波器、混频器、振荡器、LO发生器、PLL，等等。

数据处理器/控制器210可为无线设备200执行各种功能。例如，数据处理器210可对经由发射机230发射的数据以及经由接收机260收到的数据执行处理。控制器210可以控制TX电路232、功率放大器234、RX电路264、LNA262、和/或开关/双工器240的操作。存储器212可存储供数据处理器/控制器210使用的程序代码和数据。

无线设备200可支持与CDMA、GSM、LTE、802.11和/或其他无线系统的通信。不同无线系统可利用不同无线电技术，并且对于经由天线发射的输出RF信号可具有不同输出功率要求。例如，GSM系统可要求+33dBm的最大输出功率，而CDMA系统可要求+27dBm的最大输出功率。无线设备200可被设计成为无线设备200支持的每一系统提供最大输出功率。

图3示出了发射模块300的示例性设计的框图，发射模块300可用于图2中的功率放大器234以及开关/双工器240。发射模块300包括三条发射路径310a、310b和310c。发射路径310a包括从开关312a到开关342a的电路。发射路径310b包括从开关312b到开关342b的电路。发射路径310c包括从开关312c到开关342c的电路。

在发射路径310a内，开关312a使其一端耦合到发射模块300的输入（RFin），并且另一端耦合到输入匹配电路314a的输入。激励放大器（DA）316a使其输入耦合到匹配电路314a的输出，并且使其输出耦合到级间匹配电路318a的输入。第一功率放大器（PA1）320a使其输入耦合到匹配电路318a的输出，并且使其输出耦合到输出匹配电路322a的输入。双工器330使其发射（TX）端口耦合到匹配电路322a的输出。

发射路径310b包括如图3中所示的串联耦合的开关312b、匹配电路314b、激励放大器316b、匹配电路318b、第二功率放大器（PA2）320b以及匹配电路322b。发射路径310c包括如图3中所示的串联耦合的开关312c、匹配电路314c、激励放大器316c以及匹配电路318c。开关324使其一端耦合到匹配电路318c的输出，并且另一端耦合到双工器330的TX端口。

在开关共用器340内，开关342a耦合在双工器330与节点X之间。开关342b耦合在匹配电路322b的输出与节点X之间。开关342c耦合在匹配电路318c的输出与节点X之间。天线250也耦合到节点X。开关342a、342b或342c向天线250提供输出RF信号。开关（图3中未示出）可耦合到节点X，并且可将收到RF信号从天线250提供给接收机（图3中也未示出）。

在发射路径310a中，匹配电路314a为激励放大器316a执行输入阻抗匹配。激励放大器316a为输入RF信号提供放大。匹配电路318a执行激励放大器316a的输出与功率放大器320a的输入之间的阻抗匹配。功率放大器320a为输入RF信号提供放大和高输出功率。匹配电路322a为功率放大器320a执行输出阻抗匹配。发射路径310b中的电路按照与发射路径310a中对应电路类似的方式来操作。发射路径310c中的电路按照与发射路径310a中对应电路类似的方式来操作。匹配电路322b执行功率放大器320b的输出与天线250之间的阻抗匹配。

双工器330支持以频分双工（FDD）方式进行的操作，FDD被许多CDMA系统以及其他系统利用。对于FDD,针对下行链路和上行链路使用不同频率。双工器330可同时(i)将来自发射路径310a或310c的输出RF信号路由到天线250，并且(ii)将来自天线250的收到RF信号路由到接收机（RCVR），图3中未示出该接收机。开关342a到342c支持以时分双工（TDD）方式进行的操作，TDD被GSM系统以及其他系统利用。对于TDD，针对下行链路和上行链路两者使用相同频率。在发射区间期间，开关342a、342b或342c可将来自双工器330、匹配电路322b、或匹配电路318c的输出RF信号耦合到天线250。开关（图3中未示出）可将来自天线250的收到RF信号耦合到接收机（图3中也未示出）。

在图3中示出的示例性设计中，发射模块300包括具有不同特性的两个功率放大器320a和320b，并且可支持具有不同要求的不同无线系统。具体而言，功率放大器320a可被选择以在CDMA中提供具有最高达+27dBm输出功率的输出RF信号。功率放大器320b可被选择以在GSM中提供具有最高达+33dBm输出功率的输出RF信号。这两个功率放大器320a和320b是不同的，并且可具有不同增益、不同最大输出功率电平、不同晶体管大小、不同偏置电流、不同偏置电压、不同外部匹配网络等，以便满足CDMA和GSM的要求。

取决于无线设备与之通信的具体系统，可以选择或者功率放大器320a或者功率放大器320b。当发射路径310c被用于低输出功率时，也可不选择功率放大器。

发射模块300支持数种操作模式。每个操作模式与供输入RF信号从发射模块300的输入到天线250的不同信号路径相关联。在任何给定时刻可选择一种操作模式。用于所选操作模式的信号路径可通过适当地控制发射模块300内的开关来获得。在发射区间期间，开关共用器340中这些开关之一可被闭合，而在接收区间期间，开关共用器340中这些开关之一可被闭合。对于所有操作模式，向发射模块300施加单个输入RF信号，并且由发射模块300提供单个输出RF信号。输入RF信号可由功率放大器320a或320b来放大，或者不用功率放大器。

表1列出了发射模块300支持的三种操作模式，并且还提供了针对每个操作模式的所选功率放大器（若有）、以及开关设置。其他操作模式还可以用更多开关来支持。

表1-用于发射模块300的各操作模式

可能期望无线设备支持来自多个天线的同时传输。这多个天线可用于支持MIMO以实现更高的吞吐量，支持发射分集以改进可靠性，支持载波聚集以增加吞吐量，和/或支持其他传输方案以改进性能。

图4示出无线设备400的框图，该无线设备400可以是图1中的无线设备110的另一示例性设计。在该示例性设计中，无线设备400包括数据处理器/控制器410、两个收发机420a和420b、以及两个天线450a和450b。无线设备400可支持CDMA、GSM、LTE、802.11等等。

收发机420a包括支持经由天线450a的双向无线通信的发射机430a和接收机460a。发射机430a包括TX电路432a以及耦合到开关/双工器440a的功率放大器434a。接收机460a包括RX电路464a以及耦合到开关/双工器440a的LNA462a。类似地，收发机420b包括支持经由天线450b的双向无线通信的发射机430b和接收机460b。发射机430b包括TX电路432b以及耦合到开关/双工器440b的功率放大器434b。接收机460b包括RX电路464a以及耦合到开关/双工器440b的LNA462b。发射机430a和430b中的电路可如以上对图2中发射机230中的对应电路所描述地工作。接收机460a和460b中的电路可如以上对图2中接收机260中的对应电路所描述地工作。

收发机420a和420b的全部或一部分可被实现在一个或多个模拟集成电路（IC）、射频IC（RFIC）、混合信号IC等上。例如，TX电路432a和432b、功率放大器434a和434b、LNA462a和462b、以及RX电路464a和464b可被实现在RFIC上。功率放大器434a和434b以及可能其它电路也可被实现在分离的IC或模块上。

数据处理器/控制器410可为无线设备400执行各种功能。例如，数据处理器410可对经由发射机430a和430b发射的数据以及经由接收机460a和460b收到的数据执行处理。控制器410可控制TX电路432a和432b、功率放大器434a和434b、RX电路464a和464b、LNA462a和462b、和/或开关/双工器440a和440b的操作。存储器412可存储供数据处理器/控制器410使用的程序代码和数据。存储器412可以在数据处理器/控制器410的内部（如图4中所示）或在数据处理器/控制器410的外部（图4中未示出）。数据处理器/控制器410可实现在一个或多个专用集成电路（ASIC）和/或其他IC上。

图4示出了具有两个天线450a和450b的无线设备400的示例性设计。一般而言，无线设备可包括任何数目的天线、任何数目的发射机，以及任何数目的接收机。无线设备可包括(i)发射机和接收机两者，以支持经由给定天线的数据传送和接收，或(ii)仅发射机，以支持经由天线的数据传送，或(iii)仅接收机，以支持经由天线的数据接收。无线设备还可支持在任何数目的频带上的操作。无线设备针对每个天线可包括一个或多个发射机和/或一个或多个接收机。每一发射机和每一接收机可以为给定天线支持一个或多个频带上的操作。

图5示出了发射模块500的示例性设计的框图，该发射模块500可用于图4中的功率放大器434a和434b以及开关/双工器440a和440b。发射模块500包括四条发射路径510a、510b、510c和510d。如图5所示，发射路径510a包括串联耦合的开关512a、匹配电路514a、激励放大器516a、匹配电路518a、第一功率放大器（PA1）520a、以及匹配电路522a。发射路径510b包括串联耦合的开关512b、匹配电路514b、激励放大器516b、匹配电路518b、第二功率放大器（PA2）520b、以及匹配电路522b。发射路径510c包括串联耦合的开关512c、匹配电路514c、激励放大器516c、以及匹配电路518c。发射路径510d包括串联耦合的开关512d、匹配电路514d、激励放大器516d、以及匹配电路518d。发射路径510a、510b、510c和510d中的电路按照如以上分别对图3中发射路径310a、310b、310c和310c中的对应电路所描述地工作。开关524耦合在匹配电路518c的输出与节点U之间。开关526耦合在匹配电路518d的输出与节点V之间。开关528耦合在匹配电路522b的输出与节点V之间。

发射模块500进一步包括用于天线450a的双工器530a和开关共用器540a。双工器530a具有在节点U处耦合到匹配电路522a的输出的TX端口、以及耦合到第一接收机（RCVR1）的RX端口，第一接收机在图5中未示出。在开关共用器540a内，开关542a耦合在双工器530a与节点X之间。开关542b耦合在匹配电路522b的输出与节点X之间。开关542c耦合在匹配电路518c的输出与节点X之间。开关542d耦合在节点U与节点X之间。还可将一开关（图5中未示出）耦合在节点X与接收机（图5中也未示出）之间。天线450a耦合到节点X。

发射模块500进一步包括用于天线450b的双工器530b和开关共用器540b。双工器530b具有在节点V处耦合到开关526和528的TX端口、以及耦合到第二接收机（RCVR2）的RX端口，第二接收机在图5中未示出。在开关共用器540b内，开关544a耦合节点V与节点Y之间。开关544b耦合在双工器530b与节点Y之间。开关544c耦合在匹配电路518d的输出与节点Y之间。开关（图5中未示出）还可耦合在节点Y与接收机（图5中也未示出）之间。天线450b耦合到节点Y。

发射模块500包括两个输入，即RFin1和RFin2，它们可在任何给定时刻接收一个或两个输入RF信号。开关512a和512c耦合到RFin1输入，而开关512b和512d耦合到RFin2输入。开关512e耦合在RFin1输入与匹配电路514b的输入之间。可将一开关耦合在RFin2输入与匹配电路514a的输入之间（图5中未示出）。

图5示出了发射模块500的示例性设计。发射模块还可以用其他方式来实现。例如，匹配电路514c和518c以及激励放大器516c可被省略，而开关可耦合在匹配电路518a的输出（或内部节点）与节点U之间。在这种情况下，匹配电路514a和518a以及激励放大器516a可被重用于旁路模式。类似地，匹配电路514d和518d以及激励放大器516d可被省略，并可将一开关耦合在匹配电路518b的输出（或内部节点）与节点V之间。

功率放大器520a和520b可具有不同特性和性能，例如，不同增益、不同最大输出功率电平、不同线性度等等。这可通过对功率放大器520a和520b用不同电路设计、不同晶体管大小、不同电路布局、不同偏置等实现这两个功率放大器来完成。功率放大器520a和520b可被实现在同一IC管芯或不同IC管芯上。

在图5中所示的示例性设计中，发射模块500包括图3中发射模块300中的所有电路，并且这些电路可如以上对图3所描述地工作。发射模块500还包括发射路径510d，该发射路径510d可用于低输出功率的天线450b。发射模块500进一步包括双工器530b和开关共用器540b以支持经由天线450b的传输。发射模块500还包括开关512a至512e，这些开关可支持经由两个天线450a和450b对一个或两个输入RF信号的传输。

发射模块500支持数种操作模式。表2列出了发射模块500支持的五种操作模式，并且还提供了针对每种操作模式的所选功率放大器（若有）、以及开关设置。

表2-用于发射模块500的各操作模式

也可支持其他操作模式。例如，彼此有相移的两个输入信号可由功率放大器520a和520b放大，并且经由天线450a和450b发射以实现发射分集。作为另一示例，各自在不同载波上携带数据的两个输入信号可由功率放大器520a和520b放大，并且经由天线450a和450b发射以实现载波聚集。载波可与频率范围相对应，频率范围对于cdma2000可为1.23MHz，对于WCDMA可为5MHz，对于LTE可为20MHz等等。

图6A示出图5中的发射模块500中用于CDMA模式的信号路径。在CDMA模式中，单个输入RF信号（例如，CDMA信号）由单个功率放大器520a放大，并且经由单个天线450a发射。输入RF信号被路由通过开关512a和匹配电路514a，由激励放大器516a放大，路由通过匹配电路518a，由功率放大器520a放大，并且通过匹配电路522a、双工器530a和开关542a路由到天线450a。功率放大器520a可为CDMA提供所需最大输出功率（例如，+27dBm）。

图6B示出发射模块500中用于GSM模式的信号路径。在GSM模式中，单个输入RF信号（例如，GSM信号）由单个功率放大器520b放大，并且经由单个天线450a发射。输入RF信号被路由通过开关512e和匹配电路514b，由激励放大器516b放大，路由通过匹配电路518b，由功率放大器520b放大，并且通过匹配电路522b和开关542b路由到天线450a。功率放大器520b可为GSM提供所需最大输出功率（例如，+33dBm）。

图6C示出发射模块500中用于MIMO模式的信号路径。在MIMO模式中，两个输入RF信号由两个功率放大器520a和520b放大，并且经由两个天线450a和450b发射。第一输入RF信号被路由通过开关512a和匹配电路514a，由激励放大器516a放大，路由通过匹配电路518a，由功率放大器520a放大，并且路由通过匹配电路522a。第一输入RF信号可进一步(i)对于TDD，通过开关542d路由到天线450a（如图6C中所示），或(ii)对于FDD，通过双工器530a和开关542a路由到天线450a（图6C中未示出）。第二输入RF信号被路由通过开关512b和匹配电路514b，由激励放大器516b放大，路由通过匹配电路518b，由功率放大器520b放大，并且路由通过匹配电路522b和开关528。第二输入RF信号可进一步(i)对于TDD，通过开关544a路由到天线450b（如图6C中所示），或(ii)对于FDD，通过双工器530b和开关544b路由到天线450b（图6C中未示出）。对于MIMO，功率放大器520a和520b可为经由天线450a和450b发射的两个输出RF信号提供所要求的最大输出功率。

图6D示出发射模块500中用于发射分集模式的信号路径。在发射分集模式中，单个输入RF信号由两个功率放大器520a和520b放大，并且经由两个天线450a和450b发射。输入RF信号被路由通过开关512a和匹配电路514a，由激励放大器516a放大，路由通过匹配电路518a，由功率放大器520a放大，并且通过匹配电路522a、以及或者开关542d（如图6D中所示）、或者双工器530a和开关542a（图6D中未示出）路由到天线450a。输入RF信号还被路由通过开关512e和匹配电路514b，由激励放大器516b放大，路由通过匹配电路518b，由功率放大器520b放大，并且通过匹配电路522b、开关528、以及或者开关544a（如图6D中所示）、或者双工器530b和开关542b（图6D中未示出）路由到天线450b。对于发射分集，功率放大器520a和520b可为经由天线450a和450b发射的两个输出RF信号提供所要求的最大输出功率。

图6E示出发射模块500中用于旁路模式的信号路径。在旁路模式中，一个或多个输入RF信号由一个或多个激励放大器放大，并且经由一个或多个天线发射。第一输入RF信号被路由通过开关512c和匹配电路514c，由激励放大器516c放大，并且通过匹配电路518c和开关542c（或开关524、双工器530a、和开关542a）路由到天线450a。第一输入RF信号或第二输入RF信号被路由通过开关512d和匹配电路514d，由激励放大器516d放大，并且通过匹配电路518d和开关544c（或开关526、双工器530b、和开关544b）路由到天线450b。在旁路模式中，激励放大器516c和516d可为经由天线450a和450b发射的输出RF信号提供期望输出功率。

如图3和5所示，可使用较少附加电路系统来支持两个天线的MIMO、发射分集和载波聚集模式，以及无线设备已经支持的CDMA、GSM和旁路模式。具体而言，MIMO和载波聚集可用附加开关来支持，使得(i)可向两个功率放大器施加两个输入信号，并且(ii)可向两个天线提供来自这两个功率放大器的两个输出信号，如图6C中所示。发射分集可用附加开关来支持，使得(i)可向两个功率放大器施加单个输入信号，并且(ii)可向两个天线提供来自这两个功率放大器的两个输出信号，如图6D中所示。这些附加开关允许现有功率放大器被重用于MIMO、发射分集、和/或载波聚集，这导致用于支持这些模式的附加成本很少。为了增加上行链路吞吐量以支持以视频为中心的活动（例如，Skype呼叫）、毫微微蜂窝小区和Mi-fi应用，高效地支持MIMO、发射分集、和/或载波聚集的能力可能尤其合乎需要。

图7示出图5中发射模块500内的匹配电路的示例性设计的示意图。为了清楚起见，图7中仅示出发射路径510a中的电路。在匹配电路514a内，电容器712使其一端耦合到开关512a，并且使其另一端耦合到节点E。电感器714耦合在节点E与激励放大器516a的输入之间。电容器716耦合在节点E与电路接地之间。电阻器718耦合在激励放大器516a的输入与偏置电压之间。

在匹配电路518a内，电感器722耦合在激励放大器516a的输出与电源之间。电容器724耦合在激励放大器516a的输出与节点F之间。电容器726耦合在节点F与电路接地之间。电感器728耦合在节点F与功率放大器520a的输入之间。电阻器730耦合在功率放大器520a的输入与偏置电压之间。

在匹配电路522a内，电感器732耦合在匹配电路522a的输入与输出之间。电感器734耦合在匹配电路522a的输入与电源之间。电容器736耦合在匹配电路522a的输出与电路接地之间。

图7示出匹配电路514a、518a和522a的示例性设计。一般而言，匹配电路可用任何拓扑（诸如，低通网络、高通网络、带通网络等）来实现。匹配电路还可用任何数目的无功元件（例如，电感器和电容器）来实现以获得期望性能。无功元件可具有基于匹配电路的输入和输出处的阻抗来选择的值。匹配电路还可用一个或多个可调谐无功元件（例如，一个或多个可变电容器或可变电抗器）来实现，以使得能对阻抗匹配进行调谐。可调谐无功元件可使得能针对耦合到匹配电路的不同负载和/或不同频率进行更好的阻抗匹配。例如，可调谐无功元件可使得匹配电路522a能匹配到图5中的双工器530a或者天线450a，和/或在不同频率匹配到天线450a。

图5中的功率放大器520a和520b可用各种电路设计来实现。每个功率放大器可被实现成获得该功率放大器的期望特性和性能。

图8示出功率放大器800的示例性设计的示意图，功率放大器800可用于图5中的功率放大器520a或520b。功率放大器800包括以堆栈形式耦合的K个N沟道金属氧化物半导体（NMOS）晶体管810a至810k，其中K可以是任何整数值。最下面的NMOS晶体管810a使其源极耦合到电路接地，并且使其栅极经由AC耦合电容器822接收输入信号（PAin）。堆栈中每个更高的NMOS晶体管810使其源极耦合到堆栈中下面的另一NMOS晶体管的漏极。最上面的NMOS晶体管810k使其漏极提供输出信号（PAout）。负载电感器812耦合在电源（Vdd）与最上面的NMOS晶体管810k的漏极之间，并且为功率放大器800提供DC偏置电流。负载电感器812可以是耦合到功率放大器800的输出的匹配电路的一部分。NMOS晶体管810a至810k的栅极分别经由K个电阻器820a至820k接收K个偏置电压，即Vbias1至VbiasK。这些偏置电压可被生成为在功率放大器800被启用时导通功率放大器800，并且在功率放大器800被禁用时使功率放大器800截止。

PAout信号可具有大电压摆动，该大电压摆动可能超过每个NMOS晶体管810的击穿电压。PAout信号的大电压摆动可大致相等地跨这K个NMOS晶体管810a至810k划分或分布。每个NMOS晶体管810随后可仅观察到该电压摆动的一小部分，该部分可以小于每个NMOS晶体管的击穿电压以达成高可靠性。K个偏置电压Vbias1至VbiasK可被选择成提供PAout信号的期望电压划分，例如，使得每个NMOS晶体管观察到该电压摆动的约1/K。

图8示出功率放大器的示例性设计，该功率放大器也可按照其他方式来实现。例如，功率放大器可用其他类型的晶体管、或其他电路拓扑等来实现。图8中示出的示例性设计还可用于图5中的激励放大器中的任一个。功率放大器520a和520b（以及还有各激励放大器）可能对于输入功率、输出功率、线性度、谐波等有不同要求。功率放大器520a和520b（以及还有各激励放大器）由此可具有不同数目的堆栈式NMOS晶体管、不同晶体管大小、不同负载电感器、不同偏置电压、不同偏置电流、不同阻抗匹配电路、和/或关于其他参数的不同特性。

图9示出开关900的示意图，开关900可用于图5中的开关中的任一个。在开关900内，M个NMOS晶体管910a至910m以堆栈形式耦合，其中M可以是任何整数值。每个NMOS晶体管910（除最下面的NMOS晶体管910a之外）使其源极耦合到堆栈中下一NMOS晶体管的漏极。最上面的NMOS晶体管910m使其漏极接收输入信号（Vin），并且最下面的NMOS晶体管910a使其源极提供输出信号（Vout）。每个NMOS晶体管910可用对称结构来实现，并且每个NMOS晶体管的源极和漏极可以是可互换的。M个电阻器920a至920m使其一端耦合到节点A，并且使其另一端分别耦合到NMOS晶体管910a至910m的栅极。控制信号（Vctrl）被提供给节点A。该控制信号可被设置成高电压以导通开关900，或被设置成低电压以关断开关900。

电阻器920a至920m可具有相对较大的电阻，例如，在千欧的范围。当NMOS晶体管910被导通时，各电阻器920可通过在穿过每个NMOS晶体管的栅-源电容和栅-漏电容的泄漏路径中对Vin信号呈现大的电阻来降低信号损耗。当NMOS晶体管910被截止时，各电阻器920可帮助使Vin信号的电压摆动大致均匀地跨堆栈中M个NMOS晶体管910来分布。NMOS晶体管910可被设计有足够大的大小，以便降低在开关900被导通时的导通电阻。

尽管图9中未示出，但M个电阻器可耦合在NMOS晶体管910a至910m的漏极与源极之间，其中每个NMOS晶体管910一个电阻器。这些晶体管可在开关900处于关断状态时将NMOS晶体管910b至910m的源极维持大致相同的电压。这随后可导致所有M个NMOS晶体管910a至910m的匹配偏置条件，这些匹配偏置条件可在关断状态期间导致相等的电压划分。

图9示出开关的示例性设计，该开关也可按照其他方式来实现。例如，开关可用其他类型的晶体管、或用其他电路拓扑等来实现。开关可用微机电系统（MEMS）、绝缘体上覆硅（SOI）、或某一其他半导体工艺技术来实现。

在一个示例性设计中，一种装置（例如，无线设备、IC、电路模块等）可包括第一和第二功率放大器。在第一操作模式中，第一功率放大器（例如，图5中的功率放大器520a）可放大第一输入信号，并且为第一天线（例如，天线450a）提供第一输出信号。在第一操作模式中，第二功率放大器（例如，功率放大器520b）可放大第一输入信号或第二输入信号，并且为第二天线（例如，天线450b）提供第二输出信号。第一和第二功率放大器可具有不同特性，例如，不同增益、不同最大输出功率电平、不同电路设计、不同晶体管大小、不同偏置电压、不同偏置电流等。

在一个示例性设计中，在第一操作模式中（例如，如图6C中所示），第一和第二功率放大器可放大第一和第二输入信号（即，不同输入信号），并且为第一和第二天线提供第一和第二输出信号以实现MIMO传输。在另一个示例性设计中，在第一操作模式中（例如，如图6D中所示），第一和第二功率放大器两者可均放大第一输入信号（即，同一输入信号），并且为第一和第二天线提供第一和第二输出信号以实现发射分集。在又一个示例性设计中，在第一操作模式中，第一功率放大器可放大第一载波的第一输入信号，并且第二功率放大器可放大第二载波的第二输入信号以实现载波聚集。

在一示例性设计中，在第二操作模式中（例如，如图6A中所示），第一功率放大器可放大第三输入信号（例如，CDMA信号），并且为第一天线提供第三输出信号。在第三操作模式中（例如，如图6B中所示），第二功率放大器可放大第四输入信号（例如，GSM信号），并且为第一天线提供第四输出信号。第二功率放大器在第二操作模式中可被禁用，而第一功率放大器在第三操作模式中可被禁用。在一个示例性设计中，第二和第三操作模式可与不同无线电技术（例如，CDMA和GSM）相关联，并且第四输出信号可具有比第三输出信号更高的最大输出功率。

在一个示例性设计中，在第四操作模式（例如，如图6E中所示的旁路模式）中，激励放大器（例如，图5中的激励放大器516c）可放大输入信号，并且为第一天线提供输出信号。在第四操作模式中，该输入信号不由任何功率放大器进行放大。

在一个示例性设计中，在第一操作模式中，第一激励放大器（例如，图5中的激励放大器516a）可放大第一输入信号。第一匹配电路（例如，匹配电路518a）可耦合在第一激励放大器与第一功率放大器之间。在第一操作模式中，第二激励放大器（例如，激励放大器516b）可放大第一或第二输入信号。第二匹配电路（例如，匹配电路518b）可耦合在第二激励放大器与第二功率放大器之间。在一示例性设计中，第三匹配电路（例如，匹配电路522a）可耦合到第一功率放大器的输出。第四匹配电路（例如，匹配电路522b）可耦合到第二功率放大器的输出。

在一示例性设计中，第一双工器（例如，双工器530a）可耦合在第一功率放大器与第一天线之间。第二双工器（例如，双工器530b）可耦合在第二功率放大器与第二天线之间。

在一示例性设计中，在第一操作模式中，当第一开关（例如，开关512a）被启用时，第一开关可将第一输入信号朝向第一功率放大器路由。在第一操作模式中，当第二开关（例如，开关512e）被启用时，第二开关可将第一输入信号朝向第二功率放大器路由。在第一操作模式中，当第三开关（例如，开关512b）被启用时，第三开关可将第二输入信号朝向第二功率放大器路由。在一示例性设计中，在第一操作模式中，第四开关（例如，开关542a或542d）可将第一输出信号从第一功率放大器朝向第一天线路由。在第一操作模式中，第五开关（例如，开关544a或544b）可将第二输出信号从第二功率放大器朝向第二天线路由。

在一示例性设计中，第一和第二功率放大器可制造在单个IC上。在另一个示例性设计中，第一和第二功率放大器可制造在两个分开的IC上。

图10示出了用于由无线设备执行放大的过程1000的示例性设计。在第一操作模式中，可用第一功率放大器来放大第一输入信号，以便为第一天线获得第一输出信号（框1012）。在第一操作模式中，可用第二功率放大器来放大第一输入信号或第二输入信号，以便为第二天线获得第二输出信号（框1014）。第一和第二功率放大器可具有不同特性。

在一示例性设计中，在第一操作模式中，可用第一和第二功率放大器来放大第一和第二输入信号（即，不同输入信号），以便为第一和第二天线获得第一和第二输出信号以实现MIMO传输。在另一示例性设计中，在第一操作模式中，可用第一和第二功率放大器两者来放大第一输入信号（即，同一输入信号），以便为第一和第二天线获得第一和第二输出信号以实现发射分集。在又一示例性设计中，在第一操作模式中，可用第一功率放大器来放大第一载波的第一输入信号，并且可用第二功率放大器来放大第二载波的第二输入信号，以便为第一和第二天线获得第一和第二输出信号以实现载波聚集。

在一示例性设计中，在第二操作模式中，可用第一功率放大器来放大第三输入信号（例如，CDMA信号），以便为第一天线获得第三输出信号（框1016）。在第三操作模式中，可用第二功率放大器来放大第四输入信号（例如，GSM信号），以便为第一天线获得第四输出信号（框1018）。第二功率放大器在第二操作模式中可被禁用，而第一功率放大器在第三操作模式中可被禁用。

本文描述的具有不同特性并且支持在多个天线上的传输的功率放大器可实现在IC、模拟IC、RFIC、混合信号IC、ASIC、印刷电路板（PCB）、电子设备等之上。这些功率放大器还可用各种IC工艺技术来制造，诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）、NMOS、P沟道MOS（PMOS）、双极结型晶体管（BJT）、双极CMOS（BiCMOS）、硅锗（SiGe）、砷化镓（GaAs）、异质结双极型晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、绝缘体上覆硅（SOI）等。

实现本文中所描述的具有不同特性的功率放大器的装置可以是自立的设备或者可以是较大设备的一部分。设备可以是(i)自立的IC，(ii)具有一个或多个IC的集合，其可包括用于存储数据和/或指令的存储器IC，(iii)RFIC，诸如RF接收机（RFR）或RF发射机/接收机（RTR），(iv)ASIC，诸如移动站调制解调器（MSM），(v)可嵌入在其他设备内的模块，(vi)接收机、蜂窝电话、无线设备、手持机、或者移动单元，(vii)其他等等。

在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线（DSL）、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘（disk）和碟（disc）包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多用碟（DVD）、软盘和蓝光碟，其中盘（disk）往往以磁的方式再现数据，而碟（disc）用激光以光学方式再现数据。以上的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他变形而不会脱离本公开的范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种在无线设备中使用的装置，包括：

第一功率放大器，其被配置成放大第一输入信号并且为第一天线提供第一输出信号；以及

第二功率放大器，其被配置成放大所述第一输入信号或第二输入信号，并且为第二天线提供第二输出信号，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器具有不同特性；

其中在第一操作模式中所述第一功率放大器和所述第二功率放大器被配置成并发地为所述第一天线和所述第二天线提供所述第一输出信号和所述第二输出信号，其中在第二操作模式中仅所述第一功率放大器被配置成放大第三输入信号并且为所述第一天线提供第三输出信号，并且其中在第三操作模式中仅所述第二功率放大器被配置成放大第四输入信号并且为所述第一天线提供第四输出信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器具有以下各项中的至少一项：不同增益、不同最大输出功率电平、不同电路设计、不同晶体管大小、不同偏置电压、和不同偏置电流。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器被配置成放大所述第一输入信号和所述第二输入信号，并且为所述第一天线和所述第二天线提供所述第一输出信号和所述第二输出信号以实现多输入多输出(MIMO)传输。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器两者均被配置成放大所述第一输入信号，并且为所述第一天线和所述第二天线提供所述第一输出信号和所述第二输出信号以实现发射分集。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一功率放大器被配置成放大第一载波的所述第一输入信号并且所述第二功率放大器被配置成放大第二载波的所述第二输入信号以实现载波聚集。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二功率放大器在所述第二操作模式中被禁用，而所述第一功率放大器在所述第三操作模式中被禁用。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二操作模式和所述第三操作模式与不同无线电技术相关联，并且所述第四输出信号具有比所述第三输出信号更高的最大输出功率。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

激励放大器，其被配置成在第四操作模式中放大第五输入信号并且为所述第一天线提供第五输出信号，所述第五输入信号在所述第四操作模式中不由任何功率放大器进行放大。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

第一激励放大器，其被配置成放大所述第一输入信号；

耦合在所述第一激励放大器与所述第一功率放大器之间的第一匹配电路；

第二激励放大器，其被配置成放大所述第一输入信号或所述第二输入信号；以及

耦合在所述第二激励放大器与所述第二功率放大器之间的第二匹配电路。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

第一开关，其被配置成在所述第一开关被启用时将所述第一输入信号朝向所述第一功率放大器路由；

第二开关，其被配置成在所述第二开关被启用时将所述第一输入信号朝向所述第二功率放大器路由；以及

第三开关，其被配置成在所述第三开关被启用时将所述第二输入信号朝向所述第二功率放大器路由。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

第一开关，其被配置成在所述第一开关被启用时将所述第一输出信号从所述第一功率放大器朝向所述第一天线路由；以及

第二开关，其被配置成在所述第二开关被启用时将所述第二输出信号朝向所述第二天线路由。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器制造在单个集成电路(IC)上。

13.一种在无线设备中使用的方法，包括：

用第一功率放大器来放大第一输入信号，以便为第一天线获得第一输出信号；以及

用第二功率放大器来放大所述第一输入信号或第二输入信号，以便为第二天线获得第二输出信号，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器具有不同特性，并且其中

所述第一功率放大器和所述第二功率放大器被配置成在第一操作模式中为所述第一天线和所述第二天线并发地提供所述第一输出信号和所述第二输出信号，所述方法进一步包括：

在第二操作模式中，用所述第一功率放大器来放大第三输入信号，以便为所述第一天线获得第三输出信号；

在所述第二操作模式中禁用所述第二功率放大器；

在第三操作模式中，用所述第二功率放大器来放大第四输入信号，以便为所述第一天线获得第四输出信号；以及

在所述第三操作模式中禁用所述第一功率放大器。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，用第二功率放大器来放大所述第一输入信号或所述第二输入信号包括用所述第二功率放大器来放大所述第二输入信号以便为所述第二天线获得所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现多输入多输出(MIMO)传输。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，用所述第二功率放大器来放大所述第一输入信号或所述第二输入信号包括用所述第二功率放大器来放大所述第一输入信号以便为所述第二天线获得所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现发射分集。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，用第一功率放大器来放大所述第一输入信号包括用所述第一功率放大器来放大第一载波的所述第一输入信号，并且其中用第二功率放大器来放大所述第一输入信号或所述第二输入信号包括用所述第二功率放大器来放大第二载波的所述第二输入信号以便为所述第二天线获得所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现载波聚集。

17.一种在无线设备中使用的设备，包括：

用于放大的第一装置，其被配置成放大第一输入信号并且为第一天线提供第一输出信号；以及

用于放大的第二装置，其被配置成放大所述第一输入信号或第二输入信号，并且为第二天线提供第二输出信号，所述用于放大的第一装置和所述用于放大的第二装置具有不同特性；

其中所述用于放大的第一装置和所述用于放大的第二装置被配置成在第一操作模式中为所述第一天线和所述第二天线并发地提供所述第一输出信号和所述第二输出信号，所述方法进一步包括：

在第二操作模式中，用所述用于放大的第一装置来放大第三输入信号，以便为所述第一天线获得第三输出信号；

在所述第二操作模式中禁用所述用于放大的第二装置；

在第三操作模式中，用所述用于放大的第二装置来放大第四输入信号，以便为所述第一天线获得第四输出信号；以及

在所述第三操作模式中禁用所述用于放大的第一装置。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于放大的第二装置被配置成放大所述第二输入信号，并且为所述第二天线提供所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现多输入多输出(MIMO)传输。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于放大的第二装置被配置成放大所述第一输入信号，并且为所述第二天线提供所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现发射分集。

20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于放大的第一装置被配置成放大第一载波的所述第一输入信号并为所述第一天线提供所述第一输出信号，并且所述用于放大的第二装置被配置成放大第二载波的所述第二输入信号并为所述第二天线提供所述第二输出信号，所述第一输出信号和所述第二输出信号经由所述第一天线和所述第二天线发射以实现载波聚集。