CN104917475B - 一种可调增益功率放大器、增益调节方法及移动终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调增益功率放大器、增益调节方法及移动终端。该可调增益功率放大器包括输入匹配电路、增益调节电路、偏置电路、主体放大电路、输出匹配电路；输入匹配电路连接于输入端与增益调节电路之间；增益调节电路连接于输入匹配电路与主体放大电路的输入端之间；主体放大电路的输出端连接输出匹配电路，正电源端连接供电电源,负电源端连接偏置电路；偏置电路为主体放大电路提供不同的偏置电压；增益调节电路和偏置电路分别连接增益调节控制电压。本发明的电路结构简单且便于集成，无需采用功率切换开关，可以满足多功率模式下的增益调整需求，实现更大的动态范围输出。

Description

一种可调增益功率放大器、增益调节方法及移动终端
技术领域
本发明涉及一种可调增益功率放大器，还涉及一种用于该可调增益功率放大器的增益调节方法，同时还涉及一种包含该可调增益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
随着无线通信技术的不断发展，各种各样的便携式无线通信设备得到了广泛的应用。功率放大器是无线通信设备中不可或缺的电路模块，其主要负责将调制后的射频信号放大到一定的功率值，再通过天线发射出去，并由附近的基站接收。无线终端的工作频段存在多种移动通信标准，比如WCDMA(宽带码分多址)和TD-SCDMA(时分同步码分多址)等。无论哪种通信标准，移动终端通常需要根据与基站的距离来调整功率放大器发射功率。
当无线通信终端远离接收基站的时候，功率放大器需要以较高的发射功率来发射信号，使得信号到达基站时仍然具有足够的强度且能够被基站接收和识别。相反地，当无线通信终端靠近基站的时候，功率放大器只需要以较小的功率来发射信号即可。因此，射频功率放大器在设计时要求可以在几种功率(增益)模式下切换。常见的功率放大器包含两种功率模式，即高功率模式和低功率模式。在高功率模式下时要求较高的增益，低功率模式下则要求较低的增益，从而使功率放大器达到较大的输出动态范围。
图1为现有技术中常见的功率放大器电路图。该电路内部包含两路独立的放大通路：高功率模式和低功率模式。这两路通路共用一个输入和一个输出。当功率放大器工作在高功率模式时，开关101和102闭合，开关103和104打开，同时偏置电路105给放大电路106提供偏置电压，放大电路107的偏置电压则关断。相反地，当功率放大器工作在低功率模式时，开关103和104闭合，开关101和102打开，同时，偏置电路105给放大电路107提供偏置电压，放大电路106的偏置电压则关断。再例如专利号为ZL 200920055959.X的中国实用新型公开了一种射频功率放大器高低功率合成电路。该电路同样采用两个功率模式。通过电压控制电路中三个开关对射频信号进行功率切换，以控制放大器的关断实现高、低功率的切换。然而，上述的功率放大器均将高功率模式和低功率模式单独设计，性能方面虽然可以得到优化，但是整体的电路设计较为复杂，需要消耗过多的资源，增加生产成本。更重要的是，由于GaAs(砷化镓)工艺的限制，致使射频通路上所需的开关难以集成。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种可调增益功率放大器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于上述可调增益的功率放大器的增益调节方法。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包含上述可调增益功率放大器的移动终端。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种可调增益功率放大器，包括输入匹配电路、增益调节电路、偏置电路、主体放大电路、输出匹配电路；
所述输入匹配电路连接于输入端与所述增益调节电路之间；
所述增益调节电路连接于所述输入匹配电路与所述主体放大电路的输入端之间；
所述主体放大电路的输出端连接所述输出匹配电路，正电源端连接供电电源,负电源端连接所述偏置电路；
所述偏置电路为所述主体放大电路提供不同的偏置电压；
所述增益调节电路和所述偏置电路分别连接增益调节控制电压。
其中较优地，所述增益调节电路至少包括一级增益调节支路；
所述增益调节支路包括电容、电阻以及二极管；其中，
所述电容一端连接于所述输入匹配电路与所述主体放大电路的输入端之间，另一端与第二电阻、所述二极管的阳极依次串联；所述二极管的阴极接地；所述第二电阻与所述二极管的阳极连接点通过第一电阻连接所述增益调节控制电压。
其中较优地，当所述增益调节电路包括多级所述增益调节支路时，
各所述增益调节支路并行连接，输出端连接于所述输入匹配电路、所述主体放大电路之间。
其中较优地，各所述增益调节支路单独配置增益调节控制电压。
其中较优地，所述偏置电路配置与多级所述增益调节支路相对应的增益调节控制电压。
其中较优地，所述二极管由三极管或场效应管所替代。
一种用于上述可调增益功率放大器的增益调节方法，包括如下步骤：
当功率放大器工作在低频率模式时，所述增益调节控制电压输入高电平，所述偏置电路为所述主体放大电路提供低偏置电压，所述增益调节电路导通并对所述功率放大器的输入信号有较大的衰减；
当所述功率放大器工作在高频率模式时，增益调节控制电压输入低电平，偏置电路为主体放大电路提供高偏置电压，增益调节电路近似断开并对所述输入信号有较小的衰减。
其中较优地，所述增益调节电路需满足：
R1＞＞rd，R1＞＞R2，
使得Zoff≈R1
其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，C1为电容的容抗，rd为二极管的小信号交流阻抗，ω为所述增益调节电路的工作频率,Zon为低频率模式所述增益调节电路的小信号阻抗，Zoff为高频模式所述增益调节电路的小信号阻抗，VT是热电压。
其中较优地，当所述功率放大器工作在低频率模式时，通过调节所述第一电阻和所述二极管的静态电流获取所需的低增益。
一种移动通信终端，包括上述的可调增益功率放大器。
本发明所提供的功率放大器仅仅使用一个独立的射频放大通路，即可实现多种功率模式的切换。该功率放大器不再仅限于高低两种功率模式的调整，可以满足多功率模式下的增益调整需求，实现更大的动态范围输出。本功率放大器的电路结构简单且便于集成，无需采用功率切换开关，通过增益调节控制电压即可实现功率切换，且调整增益方面效果明显。
附图说明
图1为现有技术中常见的功率放大器电路图；
图2为本发明中，可调增益功率放大器的整体结构示意图；
图3为本发明中，增益调节电路的第一实施例的电路原理示意图；
图4为本发明中，增益调节电路的第二实施例的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术内容进行详细说明。
本发明所提供的功率放大器采用独立的射频放大通路，通过增益调节电路202和偏置电路203的相互配合，即可实现多种功率模式的切换。该功率放大器的具体电路结构参见图2，包括输入匹配电路201、增益调节电路202、偏置电路203、主体放大电路204、输出匹配电路205。输入匹配电路201连接于输入端与增益调节电路202之间，用于匹配元件间的阻抗，以避免射频信号在传输过程中功率损耗。主体放大电路204的正电源端通过电阻连接供电电源,负电源端连接偏置电路203，输出端连接输出匹配电路205。而功率模式选择信号Vctr l需同时控制增益调节电路202和偏置电路203。
在不同功率模式切换时，除了偏置电路203给主体放大电路204提供不同的偏置电压之外，在输入匹配电路201和主体放大电路204之间加入了增益调节电路202，来进一步优化增益。
本发明所提供的功率放大器的工作原理如下：当功率放大器需要输出一个较高的功率时，偏置电路203提供一个较高的偏置电压，保证功率放大器输出信号线性度的同时，增益调节电路202近似断开使得射频通路上有较小的信号衰减，从而使得功率放大器实现一个较高的增益。当功率放大器需要输出一个较低的功率时，偏置电路203保证输出信号线性度的前提下，提供较低的偏置电压。其中，较低偏置电压可以使得功率放大器的效率提高，延长了使用时间；同时功率放大器的增益也随着静态电流的降低而逐渐降低，从而降低了输出功率动态范围的下限。而增加的增益调节电路202同时导通，控制射频通路上有较大的信号衰减，从而使得功率放大器的增益进一步降低。
第一实施例
本实施例对增益调节电路进行了改进，具体电路原理图可以参见图3。整个增益调节电路202包括电阻R1、R2，电容C1和二极管Q1。其中电容C1的一端连接至输入匹配电路201与主体放大电路204的信号通路上，另一端与电阻R2、二极管Q1的阳极依次串联连接。二极管Q1的阴极连接到地。电阻R1的一端与电阻R2和二极管Q1的连接点相连接，另一端连接至增益调节控制电压Vctrl。其中，电容C1主要起隔直作用，使得增益调节电路202可以独立的建立直流工作点，同时不影响主体放大电路204的直流工作。电阻R1参与二极管直流工作点的建立，并调整二极管的工作电流，从而调整了二极管的交流阻抗。电阻R2为灵活地调整增益调节电路的阻抗，提供了一个额外的因素。增益调节控制电压Vctrl作为功率模式选择信号，同时控制增益调节电路202和偏置电路203。相对于采用开关控制的切换功率模式本发明通过Vctrl控制功率放大器的功率模式选择，使得电路更为简单且易于集成。
众所周知，二极管具有开关特性。当加在二极管上的正向压降大于它的开启电压Von时，二极管便打开；反之，当加于二极管的正向压降小于它的开启电压Von或者加上反向偏压时，二极管便截止。本实施例的增益调节电路202正是利用二极管的开关特性实现功率切换以及控制。当然二极管可以由其他具有开关特性的元器件所替代，例如三极管、场效应管等。下面仅以二极管为例，对功率放大器在不同功率模式下实现增益调节的具体方法进行介绍。
当功率放大器需要工作在高功率模式时，Vctrl输入低电平，偏置电路203提供一个高偏置电压，而增益调节电路202中的二极管Q1关断，呈现一个很高的阻抗，几乎很少的射频输入信号从这条支路分流到地。增益调节电路202近似断路，使得射频通路上有较小的信号衰减，从而保证功率放大器输出较高增益。当功率放大器工作在低功率模式时，Vctrl输入高电平，偏置电路203提供较低的偏置电压，增益调节电路202中的二极管Q1打开。在功率放大器的工作频段内，增益调节电路202导通，呈现一个适当的交流阻抗。而由电容C1、电阻R2和二极管Q1组成的支路会分流一部分输入信号，致使射频通路上有较大的信号衰减，从而保证功率放大器有较低的增益。
下面通过具体的计算过程，介绍如何选取元器件使得增益调节电路202的调节效果达到最优。二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。通常，为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的等效电路来模拟二极管。显然，等效电路只是在一定条件下的近似。
当二极管的两端加上适当的电压v后，其伏安特性可用下式来近似描述：
其中，IS为反向饱和电流，它与PN结的掺杂和面积有关，与反向电压大小无关。VT是热电压，其值可表示为：
VT＝kT/q (2)
其中T是热力学温度，k是波尔兹曼常数，q是电子电荷量。在室温条件下，VT≈26mV。
通过模拟二极管伏安特性曲线中某一直流工作点Q附近的电压变化Δv与相应的电流变化Δi之间的关系，可得到二极管的小信号交流阻抗rd，如下式表述：
上式表明，二极管的小信号交流阻抗rd的数值与二极管的静态电流ICQ的大小成反比。假设二极管Q1的开启电压为Vth，那么当Vctrl大于Vth时，二极管Q1导通，流过Q1的静态电流ICQ以及二极管压降Von可由下面的等式求得：
进一步可得，二极管Q1导通后，增益调节电路202在工作频率ω点呈现的小信号阻抗为：
而当二极管Q1关断后，增益调节电路202在工作频率ω点呈现的小信号阻抗为：
在设计增益调节电路时，选择较大容值的电容C1和较大阻值的电阻R1，使得R1＞＞rd，R1＞＞R2，那么
Zoff≈R1
上述可知，当功率放大器工作在高功率模式时，Vctrl输入低电平，要想二极管Q1呈现近似关断的状态，则需要选择足够大的电阻R1和容值较大的电容C1，增益调节电路的关断电阻近似为电阻R1。而功率放大器在低功率模式工作时，Vctrl输入高电平，二极管Q1打开，增益调节电路202导通，可以通过调节电阻R2和ICQ来获得所需的低增益。
第二实施例
第一实施例中的功率放大器，通过单个增益控制电压Vctrl同时偏置电路和增益调节电路，可以实现低功率和高功率两种模式下切换。本实施例中所提供的功率放大器不仅限于两种功率模式的切换，其扩展至多种功率模式的切换。参见图4，偏置电路203’依次配置有多个增益调节控制电压Vctrl1～VctrlN，满足多种功率模式偏置电流的调整。在功率放大器的输入端的增益调节电路202’同样需要实现多种功率模式控制。本实施例中的功率放大器采用的增益调节电路202’包括N条独立并联的增益可调支路。每条增益可调支路包括一个电容、两个电阻以及二极管。每个增益可调支路单独配置增益调节控制电压，依次分别与偏置电路相对应，设置为Vctrl1～VctrlN。
另外，本发明中进一步提供了一种移动终端，该移动终端包括第一实施例或第二实施例中的可调增益功率放大器。
综上所述，本发明中的功率放大器仅仅使用一个独立的射频放大通路，即可实现多种功率模式的切换。在不同功率模式切换时，由偏置电路给主体放大电路提供不同的偏置电压，同时在信号输入端增加了控制衰减的增益调节电路，来进一步调整优化功率放大器的增益。本发明中的功率放大器不再仅限于高低两种功率模式的调整，可以满足多功率模式下的增益调整需求，实现更大的动态范围输出。本功率放大器的电路结构简单且便于集成，无需采用功率切换开关，通过增益调节控制电压即可实现功率切换，且调整增益方面效果明显。
上面对本发明所提供的可调增益功率放大器、增益调节方法及移动终端进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，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 (10)

1.一种可调增益功率放大器，其特征在于包括输入匹配电路、增益调节电路、偏置电路、主体放大电路、输出匹配电路；
所述输入匹配电路连接于输入端与所述增益调节电路之间；
所述增益调节电路连接于所述输入匹配电路与所述主体放大电路的输入端之间，通过分流输入信号以降低增益；
所述主体放大电路的输出端连接所述输出匹配电路，正电源端连接供电电源，负电源端连接所述偏置电路；
所述偏置电路为所述主体放大电路提供不同的偏置电压；
所述增益调节电路和所述偏置电路分别连接增益调节控制电压。
2.如权利要求1所述的可调增益功率放大器，其特征在于所述增益调节电路至少包括一级增益调节支路；
所述增益调节支路包括电容、电阻以及二极管；其中，
所述电容、第二电阻和二极管串联接地；电容的一端作为输出端，连接于所述输入匹配电路与所述主体放大电路的输入端之间；所述第二电阻与所述二极管连接点通过第一电阻连接所述增益调节控制电压。
3.如权利要求2所述的可调增益功率放大器，其特征在于：
当所述增益调节电路包括多级所述增益调节支路时，
各所述增益调节支路并行连接，输出端连接于所述输入匹配电路、所述主体放大电路之间。
4.如权利要求3所述的可调增益功率放大器，其特征在于：
各所述增益调节支路单独配置增益调节控制电压。
5.如权利要求4所述的可调增益功率放大器，其特征在于：
所述偏置电路配置与多级所述增益调节支路相对应的增益调节控制电压。
6.如权利要求2所述的可调增益功率放大器，其特征在于：
所述二极管由三极管或场效应管所替代。
7.一种用于权利要求1～6中任意一项所述的可调增益功率放大器的增益调节方法，其特征在于：
当功率放大器工作在低频率模式时，所述增益调节控制电压输入高电平，所述偏置电路为所述主体放大电路提供低偏置电压，所述增益调节电路导通并对所述功率放大器的输入信号有较大的衰减；
当所述功率放大器工作在高频率模式时，增益调节控制电压输入低电平，偏置电路为主体放大电路提供高偏置电压，增益调节电路近似断开并对所述输入信号有较小的衰减。
8.如权利要求7所述的增益调节方法，其特征在于所述增益调节电路需满足：
R1＞＞rd，R1＞＞R2，
使得Zoff≈R1
其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，C1为电容的容抗，rd为二极管的小信号交流阻抗，ω为所述增益调节电路的工作频率,Zon为低频率模式下所述增益调节电路的小信号阻抗，Zoff为高频率模式下所述增益调节电路的小信号阻抗，VT为热电压，ICQ为流过二极管的静态电流。
9.如权利要求8所述的增益调节方法，其特征在于：
当所述功率放大器工作在低频率模式时，通过调节所述第一电阻和所述二极管的静态电流获取所需的低增益。
10.一种移动通信终端，其特征在于包括权利要求1～6中任意一项所述的可调增益功率放大器。
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