CN105337583B - 功率放大器及其功率放大方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电路领域，公开了一种功率放大器及其功率放大方法。本发明中，该功率放大器包括第一电感器、第二电感器、电容器、第一MOS晶体管、第二MOS晶体管和电流源，第一电感器和第二电感器都与第一电源连接且形成差分电感器，电容器的第一端子与第一电感器连接而电容器的第二端子与第二电感器连接，第一MOS晶体管的漏极与电容器的第一端子连接，第二MOS晶体管的漏极与电容器的第二端子连接，电流源的第一端子与第一MOS晶体管的源极和第二MOS晶体管的源极连接，电流源的第二端子与第二电源连接，基于偏置电压的输入电流源提供可变电流。本发明的功率放大器可以减小差分对管的器件尺寸，降低对前级的负载，显著提高功率放大器的整体效率。

Description

功率放大器及其功率放大方法
技术领域
本发明涉及电路领域，特别涉及功率放大技术。
背景技术
传统的非线性功率放大器使用共源共栅结构，其中，在功率放大器的输入和输出之间连接有一组MOS(场效应管)晶体管用于提供输入和输出之间的隔离。但是，由于MOS晶体管组被安置在信号通路上，即在功率放大器的输入和输出之间，这会限制功率放大器的最大输出功率并在信号通路引入电阻元件，从而降低功率放大器的性能。因此，急需开发一种具有改进的性能和最大输出功率的功率放大器。
发明内容
根据本发明的一实施方式，功率放大器包括第一电感器、第二电感器、电容器、第一MOS晶体管、第二MOS晶体管和电流源。第一电感器和第二电感器都与第一电源连接。第一电感器和第二电感器形成差分电感器。上述电容器的第一端子与第一电感器连接而电容器的第二端子与第二电感器连接。第一MOS晶体管的漏极与电容器的第一端子连接。第二MOS晶体管的漏极与电容器的第二端子连接，电流源的第一端子与第一MOS晶体管的源极和第二MOS晶体管的源极连接。电流源的第二端子与第二电源连接。基于偏置电压的输入电流源提供可变电流。
根据本发明的另一实施方式，一种方法包括：通过第一MOS晶体管和第二MOS晶体管接收差分输入电压，其中，第一MOS晶体管的漏极与电容器的第一端子连接，而第二MOS晶体管的漏极与电容器的第二端子连接；通过第一电感器、第二电感器和电容器在共振频率下产生高阻抗，其中，电容器的第一端子与第一电感器连接，而电容器的第二端子与第二电感器连接，第一电感器和第二电感器都与第一电源连接，同时，第一电感器和第二电感器形成差分电感器；以及基于偏置电压的输入通过电流源提供偏置电流给第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，其中，电流源的第一端子与第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的源极连接，而电流源的第二端子与第二电源连接。
附图说明
本发明的非限制性和非详尽的各实施方式将参照下列附图进行说明，其中类似附图标记除详细说明外在各种视图中指示类似部件。
图1是本发明一实施方式中功率放大器的电路图；
图2是本发明另一实施方式中功率放大器的电路图；
图3是本发明另一实施方式中功率放大器的电路图；
图4是本发明另一实施方式中功率放大器的电路图；
图5是本发明一实施方式中的方法的流程图。
具体实施方式
现将对本发明的各种方面和实例进行说明。下面的描述为全面理解和说明这些实例提供了特定的细节。但是，本领域的技术人员可以理解，即使没有这些细节，也可以实施本发明。此外，一些公知结构或功能可能没有被示出或详细描述，以避免不必要地模糊相关说明。
图1示出了本发明一实施方式中功率放大器10的电路图。该功率放大器10包括第一电感器L1、第二电感器L2、电容器CL、第一MOS晶体管Ma1、第二MOS晶体管Ma2和电流源Ics。在图1中，第一MOS晶体管Ma1和第二MOS晶体管Ma2包括NMOS晶体管。第一电感器L1和第二电感器L2都与第一电源连接。第一电源包括图示为vddPA的正电源电压(Vdd)。第一电感器L1和第二电感器L2形成差分电感器Ld。第一电感器L1和第二电感器L2振幅相同但相位相反。电容CL的第一端子与第一电感器L1连接，而电容器CL的第二端子与第二电感器L2连接。
第一MOS晶体管Ma1的漏极与电容器CL的第一端子连接。第二MOS晶体管Ma2的漏极与电容器CL的第二端子连接。电流源Ics的第一端子与第一MOS晶体管Ma1的源极和第二MOS晶体管Ma2的源极连接。电流源Ics的第二端子与第二电源连接。在图1中，第二电源包括接地(GND)。电流源基于偏置电压输入vb0，vb1，……vbn提供可变电流。此外，偏置电压输入vb0到vbn可被转换为由偏置电路产生的偏置电压以开启相应的电流源。优选地，也可将其转换为接地以关闭相应的电流源。
优选地，第一MOS晶体管Ma1的栅极接收差分输入信号的正电压输入Vip。第二MOS晶体管Ma2的栅极接收差分输入信号的负电压输入Vin。电容器CL的第一端子输出负电压Von。电容器的第二端子输出正电压Vop。
图2是本发明另一实施方式中功率放大器20的电路图。省略关于图1已经描述的元素的细节。如图2所示，电流源Ics包括电流源MOS晶体管Mcn，Mcn-1……Mc0阵列。每个电流源MOS晶体管Mcn，Mcn-1……Mc0的漏极与第一MOS晶体管Ma1的源极和第二MOS晶体管Ma2的源极连接。每个电流源MOS晶体管Mcn，Mcn-1……Mc0的源极与第二电源GND连接。每个电流源MOS晶体管Mcn，Mcn-1……Mc0的栅极被控制为与偏置电压输入连接或与第二电源GND连接。注意在图2中，每个电流源MOS晶体管Mcn，Mcn-1……Mc0的与相应的偏置电压输入vb0，vb1，……vbn连接。具体地，第一电流源MOS晶体管Mc0被vb0控制。第二电流源MOS晶体管Mc1被vb1控制。第三电流源MOS晶体管Mc2被vb2控制。第n电流源MOS晶体管Mcn-1被vbn-1控制。第(n+1)电流源MOS晶体管Mcn被vbn控制。优选地，为了便于控制，偏置电压输入vbn，vbn-1，vbn-2，……vb1，vb0是相等的。当电流源晶体管栅极连接偏置电压输入时，其提供偏置电流给功率放大器20。但是，当电流源晶体管的栅极接地时，没有电流经过电流源晶体管，因此，其不提供任何偏置电流给功率放大器20。因而，电流源Ics提供的偏置电流等于电流源晶体管的栅极连接到偏置电压输入时的电流总和。同时，应注意每个电流源晶体管被单独的偏置电压输入独立控制。例如，利用MCU(Micro Control Unit，微控制单元)实现对电流源晶体管的控制。该MCU的每一位输出对应于电流源。当MCU的第n位输出1时，对应的vbn被提供给第n+1电流源晶体管的栅极。当MCU的第n位输出0时，第(n+1)电流源晶体管的栅极接地。通过这种方式，可获得功率放大器精确的输出功率。
参考图1，在操作过程中，第一MOS晶体管和第二MOS晶体管作为开关使用。第一MOS晶体管和第二MOS晶体管被差分输入Vip和Vin驱动。通过电流源提供电流给第一MOS晶体管Ma1和第二MOS晶体管Ma2。第一MOS晶体管Ma1和第二MOS晶体管Ma2选择性地打开并选择性地从电流源提供电流给负载CL。这意味着，当第一MOS晶体管Ma1打开时，第二MOS晶体管Ma2是关闭的，而当第一MOS晶体管Ma1关闭时，第二MOS晶体管Ma2是打开的。进一步地，电流源Ics控制通过第一MOS晶体管Ma1和第二MOS晶体管Ma2的电流。进一步地，第一和第二电感器L1、L2与电容器CL在工作频率产生谐振，从而提供高性能的高阻抗以驱动电流给负载。
优选地，电流源MOS晶体管阵列根据尺寸以二进制序列排布。MOS晶体管的尺寸包括宽/长比(W/L)。在大规模的MOS工艺中，所有MOS晶体管的长度可以被设置为同一值；因此，MOS晶体管的宽度决定其长/宽比。电流源MOS晶体管根据尺寸以二进制序列排布的一个实例是第一电流源晶体管Mc0的宽/长(W/L)为1，第二电流源晶体管Mc1的宽/长(W/L)为2，第三电流源晶体管Mc2的宽/长(W/L)为4，等等。
优选地，多个MOS晶体管可根据尺寸以对数线性顺序排布，或换句话说，以dB线性(linear-in-dB)排列。例如，第一电流源晶体管Mc0的宽/长(W/L)为1，第二电流源晶体管Mc1的宽/长(W/L)为1.1，第三电流源晶体管Mc2的宽/长(W/L)为1.21，第四电流源晶体管Mc3的宽/长(W/L)为1.331，等等。
优选地，虽然在图中未示出，但是功率放大器可以进一步包括多个单刀双掷开关，这些开关被安置在每个偏置电压输入vb0，vb1，……vbn和相对应的电流源NMOS晶体管的栅极之间。每个单刀双掷开关控制相应的电流源MOS晶体管连接偏置电压输入或第二电源。例如，单刀双掷开关是转换开关，并且该单刀双掷开关连接电流源MOS晶体管的栅极到偏置电压输入，或连接电流源MOS晶体管的栅极到第二电源，即接地。
如图1和图2所示，第一和第二MOS晶体管都包括NMOS晶体管。图3是本发明另一实施方式中功率放大器的电路图。优选地，如图3所示，第一和第二MOS晶体管包括PMOS晶体管。进一步地，第一电源包括接地GND。第二电源包括正电源vddPA。进一步地，电流源MOS晶体管包括PMOS晶体管，而第二电源包括正电源电压(Vdd)。省略关于图1和图2中已经描述的元素的细节。
图1和图2中所示的功率放大器10和20分别利用差分输入和输出。优选地，图4是本发明另一实施方式中功率放大器的电路图。图4中所示的功率放大器40包括电感器L1、电容CL、MOS晶体管Ma1和电流源Ics。电感器L1与第一电源连接。如图4所示，第一电源包括正电源VddPA。MOS晶体管Ma1包括NMOS晶体管。电容器CL的第一端子与电感器Ld连接。电容器的第二端子与第一电源的vddPA连接。MOS晶体管Ma1的漏极与电容器CL的第一端子连接。电流源Ics的第一端子与MOS晶体管Ma1的源极连接。电流源Ics的第二端子与第二电源连接。如图4所示，第二电源包括接地(GND)。基于偏置电压输入电流源提供可变电流。在图4中，MOS晶体管Ma1和所有的电流源MOS晶体管Mc0，Mc1，……Mcn都是NMOS晶体管。本领域技术人员应当理解MOS晶体管Ma1和所有的电流源MOS晶体管Mc0，Mc1，……Mcn也可以是PMOS晶体管，与图2中所示的电路类似。
如图1-4中所示的本发明实施方式的功率放大器，由于其在第一MOS晶体管Ma1和输出Von之间没有共源共栅MOS晶体管，几乎没有电压幅度的下降有或电压降，这意味着图1至图4中任一图示出的功率放大器具有高性能。进一步地，上述电路结构适合在低电压下工作。
进一步地，参考图1、2或3，虽然在功率放大器的电路中第一MOS晶体管Ma1和第二MOS晶体管Ma2都和电流源连接，但上述差分放大MOS晶体管轮流开启。这意味着，当第一MOS晶体管Ma1开启时，第二MOS晶体管Ma2是关闭的，而当第一MOS晶体管Ma1关闭时，第二MOS晶体管是开启的。进一步地，电流源Ics控制通过第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的电流。MOS晶体管Ma1和Ma2可以被轻易的打开或关闭，从而降低其前置电路的驱动负载。由于MOS晶体管Ma1和Ma2仅需转换电流源提供的电流，而无需像传统功率放大器(PA)中的MOS晶体管那样提供电流，本发明实施方式中的MOS晶体管Ma1和Ma2的尺寸可以降低，从而使得前置电路的负载变得更小。因此，包含该功率放大器的的发送器的功效增加。
进一步地，可以轻易地调节上述实例中的功率放大器输出的最大载流量，因而通过利用电流源调节偏置电流的输出来调节功率放大器的输出功率。
进一步地，由于前一级电路驱动能力足够，MOS晶体管Ma1和Ma2能够基本上将所有来自电流源Ics的电流泵出流向负载。因此，输出功率与电流源提供的电流平方成比例。通过电流源控制电流大小，可精确调节输出功率的步长。
图5是本发明实施方式中方法500的流程图。该方法500包括通过第一MOS晶体管和第二MOS晶体管接收差分输入电压(方框510中)，其中，第一MOS晶体管的漏极与电容器的第一端子连接，而第二MOS晶体管的漏极与电容器的第二端子连接；通过第一电感器、第二电感器和电容器在共振频率产生高阻抗(方框520中)，其中，电容器的第一端子与第一电感器连接，而电容器的第二端子与第二电感器连接，第一电感器和第二电感器都与第一电源连接，同时，第一电感器和第二电感器形成差分电感器；以及基于偏置电压通过电流源提供偏置电流给第一MOS晶体管和第二MOS晶体管(方框530中)，其中，电流源的第一端子与第一MOS晶体管的源极和第二MOS晶体管的源极连接，而电流源的第二端子与第二电源连接。
优选地，虽然在图5中未示出，但方法500进一步包括通过第一MOS晶体管的栅极接收正电压输入；通过第二MOS晶体管的栅极接收负电压输入；通过电容器的第一端子输出负电压，而通过电容器的第二端子输出正电压。
优选地，电流源包括多个电流源MOS晶体管，其中每个电流源MOS晶体管的漏极与第一MOS晶体管的源极和第二MOS晶体管的源极连接；每个电流源MOS晶体管的源极与第二电源连接，而每个电流源MOS晶体管的栅极控制与偏置电压输入连接或与第二电源连接。
优选地，多个电流源MOS晶体管根据尺寸以二进制序列排列。
优选地，多个电流源MOS晶体管根据尺寸以对数线性序列排列。
优选地，该方法500进一步包括控制相对应的电流源MOS晶体管与偏置电压输入连接或与第二电源连接。
需要注意的是，上述任意实施方式中都可以彼此合并，除非以上有另外的规定或者这些实施方式之间可能在功能和/或结构上相互排斥。
虽然本发明是通过具体的典型的实施方式描述的，但是应承认本发明并不限于以上描述的实施方式，这些实施方式在本发明权利要求限定范围内的改进和改变均可实施本发明。相应地，说明书和附图可认为是说明性的而不是限制性的。相应地，本发明仅限制于本发明的权利要求。
通过研究附图、说明书以及权利要求，本领域的技术人员能够理解上述公开的实施方式的其他变化并受其影响。在本发明的权利要求中，词语“包括”并不排除其他部件或步骤。虽然特定的特征在不同的独立权利要求中被提到，但是本发明仍然涉及这些特征都包括的实施方式。本发明权利要求中的任何参考符号不能被认为是限制本发明范围的。

Claims (17)

1.一种功率放大器，其特征在于，该功率放大器包括：
第一电感器和第二电感器，所述第一电感器和第二电感器都与第一电源连接，所述第一电感器和第二电感器形成差分电感器；
电容器，该电容器的第一端子与所述第一电感器连接，且该电容器的第二端子与所述第二电感器连接，并且，所述第一电感器和第二电感器与所述电容器在工作频率产生谐振；
第一MOS晶体管，该第一MOS晶体管的漏极与所述电容器的第一端子连接；
第二MOS晶体管，该第二MOS晶体管的漏极与所述电容器的第二端子连接；
电流源，该电流源的第一端子与所述第一MOS晶体管的源极和所述第二MOS晶体管的源极连接，且该电流源的第二端子与第二电源连接，且该电流源被配置为基于偏置电压输入提供可变电流。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一MOS晶体管的栅极被配置为接收差分正端输入，所述第二MOS晶体管的栅极被配置为接收差分负端输入，且所述电容器的第一端子被配置为输出负电压，而该电容器的第二端子被配置为输出正电压。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述电流源包括多个电流源MOS晶体管，其中，每个电流源MOS晶体管的漏极与所述第一MOS晶体管的源极和所述第二MOS晶体管的源极连接；每个电流源MOS晶体管的源极与所述第二电源连接，且每个电流源MOS晶体管的栅极被控制为与偏置电压输入连接或与第二电源连接。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管包括NMOS晶体管，且所述第一电源包括正电源电压。
5.根据权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，所述电流源MOS晶体管包括NMOS晶体管，且所述第二电源包括接地。
6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管包括PMOS晶体管，且所述第一电源包括接地。
7.根据权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，所述电流源MOS晶体管包括PMOS晶体管，且所述第二电源包括正电源电压。
8.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述多个电流源MOS晶体管根据尺寸以二进制序列排布。
9.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述多个电流源MOS晶体管根据尺寸以对数线性序列排布。
10.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，该功率放大器进一步包括多个单刀双掷开关，所述单刀双掷开关被安置在偏置电压输入和所述电流源NMOS晶体管的栅极之间以控制相应的电流源MOS晶体管与所述偏置电压输入连接或与第二电源连接。
11.一种功率放大器，其特征在于，该功率放大器包括：
电感器，该电感器连接第一电源；
电容器，该电容器的第一端子与所述电感器连接，且该电容器的第二端子与所述第一电源连接，并且，所述电感器与所述电容器在工作频率产生谐振；
MOS晶体管，该MOS晶体管的漏极与所述电容器的第一端子连接；
电流源，该电流源的第一端子与所述MOS晶体管的源极连接，且该电流源的第二端子与第二电源连接，且该电流源被配置为基于偏置电压输入提供可变电流。
12.一种功率放大方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
通过第一MOS晶体管和第二MOS晶体管接收差分输入电压，其中，所述第一MOS晶体管的漏极与电容器的第一端子连接，且所述第二MOS晶体管的漏极与所述电容器的第二端子连接；
通过第一电感器、第二电感器和电容器在共振频率产生高阻抗，其中，所述电容器的第一端子与所述第一电感器连接，且所述电容器的第二端子与所述第二电感器连接，并且，所述第一电感器和第二电感器与所述电容器在工作频率产生谐振，所述第一电感器和第二电感器都与第一电源连接，且所述第一电感器和第二电感器形成差分电感器；和
基于偏置电压输入通过电流源提供偏置电流给第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，其中，该电流源的第一端子与所述第一MOS晶体管的源极和所述第二MOS晶体管的源极连接，且该电流源的第二端子与第二电源连接。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
通过所述第一MOS晶体管的栅极接收正电压输入；
通过所述第二MOS晶体管的栅极接收负电压输入；
通过所述电容器的第一端子输出负电压；和
通过所述电容器的第二端子输出正电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电流源包括多个电流源MOS晶体管，其中，每个电流源MOS晶体管的漏极与第一MOS晶体管的源极和第二MOS晶体管的源极连接；每个电流源MOS晶体管的源极与所述第二电源连接，且每个电流源MOS晶体管的栅极被控制为与偏置电压输入连接或与第二电源连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个电流源MOS晶体管根据尺寸以二进制序列排列。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个电流源MOS晶体管根据尺寸以对数线性序列排列。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括控制相对应的电流源MOS晶体管与所述偏置电压输入连接或与所述第二电源连接。
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