CN103916089A - 一种射频功率放大器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种射频功率放大器，包括输入匹配电路、两个输入级、级间匹配电路、两个输出级、四个偏置电路。输入匹配电路连接到并联的两个输入级，并联的两个输入级再通过级间匹配电路连接到并联的两个输出级;四个偏置电路分别为两个输入级和两个输出级提供偏置电流。为其中一个输入级和其中一个输出级提供偏置电流的两个偏置电路具有相同的偏置电压一，为另一个输入级和另一个输出级提供偏置电流的另外两个偏置电路具有相同的偏置电压二。本申请在高功率工作模式下得到很高PAE的同时，在中低功率工作模式下也可以获得较低的静态电流和功率增益，同时保持较高的PAE。

Description

一种射频功率放大器及其工作方法

技术领域

本申请涉及一种具有多种工作模式的射频功率放大器，每种工作模式对应于不同的输出功率范围。

背景技术

随着移动通信技术的迅猛发展，各种移动通信终端已经广泛采用了3G乃至4G标准。移动通信终端中的射频前端模块由于耗能大而直接决定着整机的待机及使用时间。为了尽量减少整机能耗，提高射频前端模块中的功率放大器的功率附加效率（PAE）就成为必然选择。

3G标准要求移动通信终端中的射频功率放大器的最大线性输出功率在28dBm左右，并且始终保持高的PAE。为业内人士所周知的是，射频功率放大器随着输出功率的降低，PAE也不断降低。因此，目前主流的3G、4G射频功率放大器都设置了三种工作模式，分别对应于三个输出功率范围。低功率工作模式一般是指输出功率在0～8dBm之间，中功率工作模式一般是指输出功率在8～18dBm之间，高功率工作模式一般是指输出功率在18～28dBm之间。根据所需功率不同，射频功率放大器工作于三种工作模式之一，以此来提高中低功率工作模式的PAE。此外，主流的3G射频收发机由于其输出动态范围的限制，亦对射频功率放大器功率增益提出了要求，在中低功率模式下，功率增益不能太高。

专利号为US6894561B2、授权日为2005年5月17日的美国专利公开了一种功率放大器，如图1所示。该功率放大器由一个输入级211连接两个并联的输出级221、222，其中的输出级二222还连接分级控制电路250。三个偏置电路201～203分别为输入级211和两个输出级221、222提供偏置电流。该美国专利为功率放大器提供了两种工作模式。在低功率工作模式下，输出级一221工作，输出级二222不工作。在高功率工作模式下，输出级一221工作，输出级二222也工作。其中输出级二222是否工作由分级控制电路250决定。这样无论在哪种工作模式下，两个输出级221、222都不会在较低的静态电流下工作，因此整个功率放大器保持了较高的线性度。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器，其具有三种工作模式。在各种工作模式尤其是低功率工作模式下，该功率放大器仍保持较高的PAE、较低的静态电流；在中低功率下能有效降低功率增益，如低功率模式下可将增益降至18dB，而在高功率模式下增益为28dB。为此，本申请还要提供所述射频功率放大器的工作方法。

为解决上述技术问题，本申请射频功率放大器包括输入匹配电路、两个输入级、级间匹配电路、两个输出级、四个偏置电路；输入匹配电路连接到并联的各个输入级，并联的两个输入级再通过级间匹配电路连接到并联的各个输出级；四个偏置电路分别为两个输入级和两个输出级提供偏置电流；为其中一个输入级和其中一个输出级提供偏置电流的两个偏置电路具有相同的偏置电压一，为另一个输入级和另一个输出级提供偏置电流的另外两个偏置电路具有相同的偏置电压二。

本申请所述射频功率放大器的工作方法为：提供高功率、低功率、中功率共三种工作模式；

在高功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二均设为非零值，两个偏置电路向两个输入级提供相同大小的偏置电流，另两个偏置电路向两个输出级提供相同大小的偏置电流，两个输入级和两个输出级均工作；

在低功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值；四个偏置电路中只有两个工作，另两个不工作；两个输入级中只有一个工作，两个输出级中也只有一个工作；

在中间功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二均设为小于高功率工作模式下的取值，两个输入级和两个输出级均工作；

或者，在中间功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值且大于低功率工作模式下的取值；四个偏置电路中只有两个工作，另两个不工作；两个输入级中只有一个工作，两个输出级中也只有一个工作。

本申请的射频功率放大器及其工作方法提供了三种不同输出功率范围的工作模式，在高功率工作模式下得到很高PAE的同时，在中、低功率工作模式下也可以获得较低的静态电流和功率增益，同时保持较高的PAE。

附图说明

图1是一种现有的射频功率放大器的结构示意图；

图2是本申请的射频功率放大器的结构示意图；

图3是图2中的两个并联的输入级的结构示意图；

图4是图2中的两个并联的输出级的结构示意图；

图5a～图5c是图3、图4中的单元结构的结构示意图；

图6a、图6b是图2、图4中的级间匹配电路的结构示意图；

图7a、图7b是图2～图4中的偏置电路的结构示意图。

图中附图标记说明：

10x为偏置电路；111、112为输入级；121、122为输出级；151为输入匹配电路；152为级间匹配电路；201～203为偏置电路；211为输入级；221、222为输出级；250为分级控制电路；5xx为单元结构。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请的射频功率放大器。其包括输入匹配电路151、两个输入级111和112、级间匹配电路152、两个输出级121和122、四个偏置电路101～104。输入匹配电路151连接到并联的两个输入级111和112。并联的两个输入级111和112再通过级间匹配电路152连接到并联的两个输出级121和122。

四个偏置电路101～104分别为两个输入级111和112、两个输出级121和122提供偏置电流。为其中一个输入级和其中一个输出级提供偏置电流的两个偏置电路具有相同的偏置电压一，为另一个输入级和另一个输出级提供偏置电流的另外两个偏置电路具有相同的偏置电压二，这两个偏置电压均由外部控制器提供。作为一种示例，为输入级一111提供偏置电流的偏置电路一101和为输出级一121提供偏置电流的偏置电路三103具有相同的偏置电压一Vbias1。为输入级二112提供偏置电流的偏置电路二102和为输出级二122提供偏置电流的偏置电路四104具有相同的电源电压二Vbias2。

本申请的射频功率放大器具有高功率、低功率、中功率共三种工作模式。

在高功率工作模式下，偏置电压一Vbias1和偏置电压二Vbias2均设为较高值，例如为3V。两个偏置电路101和102向两个输入级111和112提供相同的偏置电流，两个偏置电路103和104向两个输出级121和122提供相同的偏置电流，但提供给两个输入级111和112的偏置电流和提供给两个输出级121和122的偏置电流大小通常不相同。两个输入级111和112、两个输出级121和122均工作。此时，输入信号RFin通过输入匹配电路151传递给并联的两个输入级111和112，并联的两个输入级111和112的输出汇合后作为中间信号RFint。中间信号RFint再通过级间匹配电路152传递给并联的两个输出级121和122，并联的两个输出级121和122的输出汇合后作为输出信号RFout。

在低功率工作模式下，偏置电压一Vbias1和偏置电压二Vbias2中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值，例如为2.8V。四个偏置电路101～104中只有两个工作，另两个不工作。两个输入级111和112中只有一个工作，两个输出级121和122中也只有一个工作。此时，输入信号RFin通过输入匹配电路151传递给工作的一个输入级，这个工作的输入级的输出作为中间信号RFint。中间信号RFint再通过级间匹配电路152传递给工作的一个输出级，这个工作的输出级的输出作为输出信号RFout。首先，由于一个偏置电压设为零，使得一个输入级和一个输出级不工作，有效地降低了射频功率放大器的静态电流，从而也降低了功率增益。其次，由于另一个偏置电压可以设置得较低，使得工作的偏置电路所提供的偏置电流也随之降低，进一步降低了射频功率放大器的静态电流和功率增益，使射频功率放大器工作在更接近B类状态，因此能提高PAE。

在中间功率工作模式下，有两种实现方式。其一是偏置电压一Vbias1和偏置电压二Vbias2均设为小于高功率工作模式下的取值，例如为2.8V。两个输入级111和112、两个输出级121和122均工作。此时的信号走向与高功率工作模式相同。这是通过降低输入级和输出级中的功率晶体管的偏置电流来降低中间功率工作模式下的静态电流、功率增益，提高PAE，同时仍维持最大线性输出功率。其二是偏置电压一Vbias1和偏置电压二Vbias2中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值且大于低功率工作模式下的取值，例如为2.9V。四个偏置电路101～104中只有两个工作，另两个不工作。两个输入级111和112中只有一个工作，两个输出级121和122中也只有一个工作。此时的信号走向与低功率工作模式相同。同样可以达到降低中间功率工作模式下的静态电流、功率增益，提高PAE，同时仍维持最大线性输出功率的目的。

请参阅图3，这是图2中的两个并联的输入级111和112的一个具体实施例。其中的输入级一111由一个或多个单元结构500所组成，图3中示意性地绘制了4个单元结构500并以不同的附图标记505～508加以区分。其中的输入级二112也由一个或多个单元结构500所组成，图3中示意性地绘制了4个单元结构500并以不同的附图标记501～504加以区分。在其他实施例中，输入级一111和输入级二112所包含的单元结构500的数量或者相同，或者不同。每个单元结构500由电源Vcc通过扼流电感一L1供电、接地、由偏置电路101或102提供相同大小的偏置电流、接受输入匹配电路151传递的输入信号RFin、输出中间信号RFint。

请参阅图4，这是图2中的两个并联的输出级121和122的一个具体实施例。其中的输出级一121由一个或多个单元结构500所组成，图4中示意性地绘制了8个单元结构500并以不同的附图标记509～516加以区分。其中的输出级二122也由一个或多个单元结构500所组成，图4中示意性地绘制了8个单元结构500并以不同的附图标记501～508加以区分。在其他实施例中，输出级一121和输出级二122所包含的单元结构500的数量或者相同，或者不同。每个单元结构500由电源Vcc通过扼流电感二L2供电、接地、由偏置电路103或104提供相同大小的偏置电流、接受级间匹配电路152传递的中间信号RFint、输出输出信号RFout。

通常，任意输入级所包含的单元结构的数量应小于任意输出级所包含的单元结构的数量。偏置电路为各个输入级中的所有单元结构所提供的偏置电流大小相同，偏置电路为各个输出级中的所有单元结构所提供的偏置电流大小相同，但偏置电路为输入级中的单元结构所提供的偏置电流和偏置电路为输出级中的单元结构所提供的偏置电流大小通常不相同。

请参阅图5a，这是单元结构500的实施例一。射频输入端RF-in通过电容一C1连接到NPN型双极晶体管一Q1的基极，偏置电流Ibias也通过电阻一R1输入到该晶体管一Q1的基极。该晶体管一Q1的集电极作为射频输出端RF-out，该晶体管一Q1的发射极接地。

请参阅图5b，这是单元结构500的实施例二。射频输入端RF-in通过串联的电容一C1和电阻二R2连接到NPN型双极晶体管一Q1的基极，偏置电流Ibias通过电阻一R1连接到串联的电容一C1和电阻二R2之间。该晶体管一Q1的集电极作为射频输出端RF-out，该晶体管一Q1的发射极接地。申请公布号为CN101847967A、申请公布日为2010年9月29日的中国发明专利申请公开了该实施例二。

请参阅图5c，这是单元结构500的实施例三。射频输入端RF-in通过串联的电容一C1和电阻二R2连接到NPN型双极晶体管一Q1的基极，偏置电流Ibias通过电阻一R1也连接到该晶体管一Q1的基极。该晶体管一Q1的集电极作为射频输出端RF-out，该晶体管一Q1的发射极接地。

上述三个实施例中，电容一C1一方面起到隔直作用，提供射频输入通路，另一方面成为晶体管一Q1的输入匹配的一部分。电阻一R1为晶体管一Q1提供镇流作用，防止发生热崩塌现象。可选的电阻二R2一方面具有稳定作用，防止晶体管一Q1在某些频率发生震荡，另一方面也具有镇流作用。

本申请中，输入级和输出级的单元结构或者相同，或者不同。但一般来说输入级内部的单元结构是完全相同的，输出级内部的单元结构也是完全相同的。

输入匹配电路151的最简单的实施例就是一个电感，一端作为输入端，另一端作为输出端。

请参阅图6a，这是级间匹配电路152的实施例一。射频输入端RF-in和射频输出端RF-out之间通过串联的电容二C2和电感三L3接地。串联到地的电容二C2和电感三L3可以谐振在二次或三次谐波频率上，提高射频功率放大器的线性度与效率。

请参阅图6b，这是级间匹配电路152的实施例二。射频输入端RF-in通过电容三C3连接到射频输出端RF-out。射频输入端RF-in还通过串联的电容五C5和电感四L4接地。射频输出端RF-out还通过电感五L5接地。公开号为CN101478290A、公开日为2009年7月8日的中国发明专利申请公开了该实施例二。同实施例一类似，串联到地的电容五C5和电感四L4可以谐振在二次或三次谐波频率上，提高射频功率放大器的线性度与效率。

上述两个实施例中，级间匹配电路将输入级的输出功率（即中间信号RFint）有效地传送到输出级，并使功率损失达到最小。

请参阅图7a，这是偏置电路100的实施例一。输入的偏置电压Vbias通过串联的电阻三R3和电阻四R4后，一方面连接NPN型双极晶体管二Q2的集电极，另一方面连接NPN型双极晶体管四Q4的基极。该晶体管二Q2的基极连接串联的电阻三R3和电阻四R4之间，发射极连接NPN型双极晶体管三Q3的集电极。该晶体管三Q3的基极与集电极短接，发射极接地。该晶体管四Q4的集电极连接电源Vcc，基极通过电容六C6接地，发射极输出偏置电流Ibias。公开号为CN101394152A、公开日为2009年3月25日的中国发明专利申请公开了与该实施例一非常接近的电路结构，区别仅在于缺少了电容六C6。公开号为CN101478293A、公开日为2009年7月8日的中国发明专利申请公开了与该实施例一较为接近的电路结构，区别仅在于缺少了电容六C6和电阻四R4。

在该实施例一中，可选的电阻四R4在偏置电路中起到了负反馈作用，当外部偏置电压Vbias改变以及环境温度发生改变时，电阻四R4能抑制此种改变对晶体管四Q4的基级电压产生的影响，从而使得电路对偏置电压Vbias及温度不敏感。可选的电容六C6能抑制晶体管四Q4的基级电压的波动，避免射频通路带来的射频信号耦合到偏置电路，从而使偏置电路具有更好的线性和稳定性。

请参阅图7b，这是偏置电路100的实施例二。输入的偏置电压Vbias通过串联的电阻五R5和电阻六R6后，一方面连接NPN型双极晶体管五Q5的集电极，另一方面连接NPN型双极晶体管七Q7的基极。该晶体管五Q5的基极通过电阻七R7接地，发射极接地。NPN型双极晶体管六Q6的集电极接电源Vcc，基极连接到串联的电阻五R5和电阻六R6之间，发射极连接到该晶体管五Q5的基极。该晶体管七Q7的集电极连接该晶体管六Q6的集电极。该晶体管七Q7的发射极既输出偏置电流Ibias，又通过电阻八R8接地。公开号为CN101394152A、公开日为2009年3月25日的中国发明专利申请公开了与该实施例二的电路结构。

本申请的偏置电路101～104可以采用上述偏置电路100的任一实施例或其结合。各个偏置电路101～104或者是相同的电路结构，或者是不同的电路结构，抑或是其他类似结构。

以上各种电路中，部分或全部的NPN型双极晶体管可以被替换为MOS晶体管、HBT（异质结双极晶体管）器件、HEMT（高电子迁移率晶体管）器件等，其对应关系如下表所示。

NPN型双极晶体管	MOS晶体管	HBT器件	HEMT器件
				基极	栅极	基极	栅极
集电极	源极	集电极	源极
				发射极	漏极	发射极	漏极

试验表明，采用本申请的技术方案后，一个具有28dB高功率增益的线性功率放大器在低功率工作模式（输出功率在10dBm）下的功率增益减小为18dB，并且具有较低的静态电流，从而改善了低功率工作模式下的PAE。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种射频功率放大器，其特征是，包括输入匹配电路、两个输入级、级间匹配电路、两个输出级、四个偏置电路；输入匹配电路连接到并联的各个输入级，并联的各个输入级再通过级间匹配电路连接到并联的各个输出级；四个偏置电路分别为两个输入级和两个输出级提供偏置电流；为其中一个输入级和其中一个输出级提供偏置电流的两个偏置电路具有相同的偏置电压一，为另一个输入级和另一个输出级提供偏置电流的另外两个偏置电路具有相同的偏置电压二。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征是，所述输入级一、输入级二均由一个或多个单元结构所组成，两个输入级所包含的单元结构的数量或者相同，或者不同；每个单元结构由电源通过扼流电感一后供电、接地、由偏置电路提供偏置电流、接受输入匹配电路传递的输入信号、输出中间信号；

所述输出级一、输出级二均由一个或多个单元结构所组成，两个输出级所包含的单元结构的数量或者相同，或者不同；每个单元结构由电源通过扼流电感二后供电、接地、由偏置电路提供偏置电流、接受级间匹配电路传递的中间信号、输出输出信号。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征是，任意输入级所包含的单元结构的数量均小于任意输出级所包含的单元结构的数量。

4.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征是，

所述单元结构为：射频输入端通过电容一连接到NPN型双极晶体管一的基极，偏置电流通过电阻一也输入到该晶体管一的基极；该晶体管一的集电极作为射频输出端，发射极接地；

或者，所述单元结构为：射频输入端通过串联的电容一和电阻二连接到NPN型双极晶体管一的基极，偏置电流通过电阻一连接到串联的电容一和电阻二之间；该晶体管一的集电极作为射频输出端，发射极接地；

或者，所述单元结构为：射频输入端通过串联的电容一和电阻二连接到NPN型双极晶体管一的基极，偏置电流通过电阻一也连接到该晶体管一的基极；该晶体管一的集电极作为射频输出端，发射极接地。

5.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征是，

所述级间匹配电路是在输入级和输出级之间通过串联的电容二和电感三接地；

或者，所述级间匹配电路为：射频输入端通过电容三连接到射频输出端；射频输入端还通过串联的电容五和电感四接地；射频输出端还通过电感五接地。

6.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征是，

所述偏置电路为：输入的偏置电压通过串联的电阻三和电阻四后，一方面连接NPN型双极晶体管二的集电极，另一方面连接NPN型双极晶体管四的基极；该晶体管二的基极连接串联的电阻三和电阻四之间，发射极连接NPN型双极晶体管三的集电极；该晶体管三的基极与集电极短接，发射极接地；该晶体管四的集电极连接电源，基极通过电容六接地，发射极输出偏置电流；或者，省略电容六；或者，省略电容六和电阻四；

或者，所述偏置电路为：输入的偏置电压通过串联的电阻五和电阻六后，一方面连接NPN型双极晶体管五的集电极，另一方面连接NPN型双极晶体管七的基极；该晶体管五的基极通过电阻七接地，发射极接地；NPN型双极晶体管六的集电极接电源，基极连接到串联的电阻五和电阻六之间，发射极连接到该晶体管五的基极；该晶体管七的集电极连接该晶体管六的集电极；该晶体管七的发射极既输出偏置电流，又通过电阻八接地。

7.根据权利要求4或6所述的射频功率放大器，其特征是，部分或全部的NPN型双极晶体管替换为MOS晶体管、或HBT器件、或HEMT器件。

8.一种如权利要求1所述的射频功率放大器的工作方法，其特征是，所述射频功率放大器提供高功率、低功率、中功率共三种工作模式；

在高功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二均设为非零值，两个偏置电路向两个输入级提供相同大小的偏置电流，另两个偏置电路向两个输出级提供相同大小的偏置电流，两个输入级和两个输出级均工作；

在低功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值；四个偏置电路中只有两个工作，另两个不工作；两个输入级中只有一个工作，两个输出级中也只有一个工作；

在中功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二均设为小于高功率工作模式下的取值，两个输入级和两个输出级均工作；

或者，在中功率工作模式下，偏置电压一和偏置电压二中的一个设为零，另一个设为小于或等于高功率工作模式下的取值且大于低功率工作模式下的取值；四个偏置电路中只有两个工作，另两个不工作；两个输入级中只有一个工作，两个输出级中也只有一个工作。

9.根据权利要求8所述的射频功率放大器的工作方法，其特征是，在高功率工作模式下，输入信号通过输入匹配电路传递给并联的两个输入级，并联的两个输入级的输出汇合后作为中间信号；中间信号再通过级间匹配电路传递给并联的两个输出级，并联的两个输出级的输出汇合后作为输出信号；

在低功率工作模式下，输入信号通过输入匹配电路传递给工作的一个输入级，这个工作的输入级的输出作为中间信号；中间信号再通过级间匹配电路传递给工作的一个输出级，这个工作的输出级的输出作为输出信号；

在中功率工作模式下，信号走向或者与高功率工作模式相同、或者与低功率工作模式相同。