CN105915189A - 一种射频功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频功率放大电路，包括第一开关组、第二开关组、阻抗切换单元、第三开关、第四开关和第五开关，第一开关组的一端与电路的一个差分输入端连接，另一端与阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；第二开关组的一端与电路的另一个差分输入端连接，另一端与阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；第三开关的一端与供电电源连接，另一端与阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；第四开关的一端与供电电源连接，另一端与阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；第五开关的一端与阻抗切换单元的中心抽头端口连接，另一端与供电电源连接；通过第一开关组、第二开关组、第三开关、第四开关及第五开关的开启或关断，控制阻抗切换单元的阻抗变换。

Description

一种射频功率放大电路
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种射频功率放大电路。
背景技术
蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy，简称BLE)片上系统(System On Chip，SOC)芯片，对系统功耗要求非常高，BLE SOC芯片中的射频发射链路功率放大器(Power Amplifier，简称PA)通常是耗电最多的模块，因此，蓝牙BLE SOC芯片设计中，射频发射链路中的功率放大器的功耗控制显得尤为重要。
现有功率放大器的电路如图1所示，上一级的射频电压输入信号采用差分形式分别通过RFP端和RFN端输入到功率放大器，经过放大处理后，仍采用差分形式，分别通过C4和C5输出。通常，功率放大器在饱和输出时，能够获得最大效率，效率是指功率放大器输出到负载上的功率与功率放大器消耗的总功率的比值。在功率放大器的输出功率向下调节时，由于负载阻抗不变，功率放大器的效率会随之下降。
综上所述，在功率放大器的输出功率向下调节时，功率放大器的效率会随之下降，影响功率放大器的性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种射频功率放大电路，用于解决现有技术中在功率放大器的输出功率向下调节时，功率放大器的效率会随之下降的问题。
本发明实施例提供了一种射频功率放大电路，所述电路包括：第一开关组、第二开关组、阻抗切换单元、第三开关、第四开关和第五开关，其中：
所述第一开关组的一端与所述电路的一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；
所述第二开关组的一端与所述电路的另一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；
所述第三开关的一端与供电电源连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；
所述第四开关的一端与所述供电电源连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；
所述第五开关的一端与所述阻抗切换单元的中心抽头端口连接，且另一端与所述供电电源连接；
通过所述第一开关组、所述第二开关组、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关的开启或关断，控制所述阻抗切换单元的阻抗变换。
一种可能的实现方式中，若所述电路工作在第一工作模式，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第五开关为开启状态，所述第三开关和所述第四开关为关断状态；
若所述电路工作在第二工作模式，所述第一开关组和所述第四开关为开启状态，所述第二开关组、所述第三开关和所述第五开关为关断状态；其中，所述第一工作模式下的输出功率大于所述第二工作模式下的输出功率。
一种可能的实现方式中，若所述电路的输出功率为第一功率，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第五开关为开启状态，所述第三开关和所述第四开关为关断状态；
若所述电路的输出功率为第二功率，所述第二开关组和所述第三开关为开启状态，所述第一开关组、所述第四开关和所述第五开关为关断状态；其中，所述第一功率大于所述第二功率。
一种可能的实现方式中，所述第一开关组和所述第二开关组均为NMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为PMOS管。
一种可能的实现方式中，所述第一开关组和所述第二开关组均为PMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为NMOS管。
一种可能的实现方式中，所述阻抗切换单元的第一非平衡差分端口为所述电路的输出端，所述第一非平衡差分端口与外接天线连接。
一种可能的实现方式中，所述阻抗切换单元的第二非平衡差分端口接地。
一种可能的实现方式中，所述电路还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一平衡差分端口连接，且另一端接地。
一种可能的实现方式中，所述电路还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第二平衡差分端口连接，且另一端接地。
本发明实施例中，在射频功率放大电路中设置了阻抗切换单元，通过与该阻抗切换单元连接的第一开关组、所述第二开关组、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关的开启或关断，控制所述阻抗切换单元的阻抗变换，从而改变射频功率放大电路的负载阻抗，以使射频功率放大电路的输出功率改变时，射频功率放大电路的效率不变。
附图说明
图1为现有功率放大器的电路示意图；
图2为本发明实施例一中提供的一种功率放大电路的结构示意图；
图3为本发明实施例二中提供的一种功率放大电路的结构示意图；
图4为本发明实施例三中提供的一种功率放大电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例一中，提供了一种射频功率放大电路，如图2所示，所述电路包括：第一开关组(M2)、第二开关组(M3)、阻抗切换单元、第三开关(M4)、第四开关(M5)和第五开关(M6)，其中：
所述第一开关组(M2)的一端与所述电路的一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口(P0)连接；
所述第二开关组(M3)的一端与所述电路的另一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口(P1)连接；
所述第三开关(M4)的一端与供电电源(VDD)连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；
所述第四开关(M5)的一端与所述供电电源(VDD)连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口(P1)连接；
所述第五开关(M6)的一端与所述阻抗切换单元的中心抽头端口连接，且另一端与所述供电电源连接；
通过所述第一开关组(M2)、所述第二开关组(M3)、所述第三开关(M4)、所述第四开关(M5)以及所述第五开关(M6)的开启或关断，控制所述阻抗切换单元的阻抗变换。
本发明实施例中，在射频功率放大电路中设置了阻抗切换单元，通过与该阻抗切换单元连接的第一开关组、所述第二开关组、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关的开启或关断，控制所述阻抗切换单元的阻抗变换，从而改变射频功率放大电路的负载阻抗，以使射频功率放大电路的输出功率改变时，射频功率放大电路的效率不变。
另外，本发明实施例中，用所述阻抗切换单元的寄生电感替换了图1所示的现有射频功率放大电路中的L0和L1，从而不会增加射频功率放大电路所占空间。
本发明实施例中，所述第一开关组中包含至少一个第一开关，所述第二开关组中包含至少一个第二开关。
具体的，若所述第一开关组中包含多个第一开关，则所述多个第一开关采用并联连接；若所述第二开关组中包含多个第二开关，则所述多个第二开关采用并联连接。本发明实施例中所指的多个的含义是两个或两个以上。
可选的，本发明实施例中以阻抗切换单元为传输线平衡器(简称巴伦)为例进行说明的，本发明实施例中不限定阻抗切换单元的具体实现，也可以采用其他结构，只要能变化阻抗的结构均适用于本发明实施例中。其中，如图2所示，所述阻抗切换单元包括：
两个平衡差分端口，即第一平衡差分端口和第二平衡差分端口P1，用于接收差分信号；
两个非平衡差分端口，即第一非平衡差分端口P3和第二非平衡差分端口P4，其中，所述第一非平衡差分端口作为射频功率放大电路的输出端，与外接天线连接，用于将经射频功率放大电路进行放大后的差分信号转换成单端信号，并输出到外接天线上；所述第二非平衡差分端口接地；
中心抽头端口P2，位于第一平衡差分端口和第二平衡差分端口所在的线圈的中心。
本发明实施例提供的射频功率放大电路包括至少两种工作模式，第一工作模式和第二工作模式，其中，所述第一工作模式下的输出功率大于所述第二工作模式下的输出功率。本发明实施例中是以两种工作模式进行说明的，两种以上模式的处理过程类似，此处不再一一举例说明。
在实施中，若射频功率放大电路工作在第一工作模式，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第五开关为开启状态，所述第三开关和所述第四开关为关断状态。由于第五开关为开启状态，所述阻抗切换单元的中心抽头端口与所述供电电源连接。
此时，如图2所示，射频功率放大电路的差分负载阻抗为n2×50欧姆，其中，n为所述阻抗切换单元的线圈匝数比，可以根据射频功率放大电路的额定最大输出功率确定，外接天线的阻抗为50欧姆。可见，A点(或B点)处的单端负载阻抗为欧姆。假设射频功率放大电路的供电电压为VDD，则在差分工作模式(即第一工作模式)下，射频功率放大电路能输出的最大功率Pmaxd满足以下公式一：
其中，VDD表示射频功率放大电路的供电电压。
在实施中，若射频功率放大电路工作在第二工作模式，一种可能的实现方式中，所述第一开关组和所述第四开关为开启状态，所述第二开关组、所述第三开关和所述第五开关为关断状态；其中，所述第一工作模式下的输出功率大于所述第二工作模式下的输出功率。
另一种可能的实现方式中，所述第二开关组和所述第三开关为开启状态，所述第一开关组、所述第四开关和所述第五开关为关断状态。
具体的，射频功率放大电路工作在第二工作模式(即单端工作模式)时，由于第五开关为关断状态，所述阻抗切换单元的中心抽头端口悬空，即呈现高阻状态，此时，如图2所示，所述阻抗切换单元转变成变压器模式，射频功率放大电路由第一工作模式(即差分工作模式)转变成单端工作模式，射频功率放大电路的负载阻抗为n2×50欧姆，即A点处的单端负载阻抗为n2×50欧姆，可见，单端工作模式相对于差分工作模式，单端负载阻抗增加了1倍。假设射频功率放大电路的供电电压为VDD，则在单端工作模式(即第二工作模式)下，射频功率放大电路能输出的最大功率Pmaxs满足以下公式二：
其中，VDD表示射频功率放大电路的供电电源。
两种工作模式下，射频功率放大电路能输出的最大功率相差6dB，由于两种工作模式下射频功率放大电路均工作在最大输出功率状态，因此，可以获得相同的效率。
本发明实施例中，所述第一开关组中包含的第一开关和所述第二开关组包含的第二开关为同类型开关，所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关为同类型开关。
一种可选的实现方式中，所述第一开关组和所述第二开关组均为NMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为PMOS管。
另一种可选的实现方式中，所述第一开关组和所述第二开关组均为PMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为NMOS管。
本发明实施例中，分别通过片内寄存器输出的数字控制信号控制所述第一开关组中包含的第一开关、所述第二开关组包含的第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的开启或关断。具体的，当分别与所述第一开关组中包含的第一开关、所述第二开关组包含的第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的栅极连接的数字控制信号为高电平时，所述第一开关组中包含的第一开关、所述第二开关组包含的第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关为开启状态；当分别与所述第一开关组中包含的第一开关、所述第二开关组包含的第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的栅极连接的数字控制信号为低电平时，所述第一开关组中包含的第一开关、所述第二开关组包含的第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关为关断状态。
本发明实施例二中，提供了另一种射频功率放大电路，在实施例一所示的射频功率放大电路的基础上，增加了用于滤波的第一电容C2和第二电容C3，如图3所示，所述第一电容的一端与所述第一平衡差分端口连接，且另一端接地。所述第二电容的一端与所述第二平衡差分端口连接，且另一端接地。
下面通过一个具体实施例，对本发明实施例提供的射频功率放大电路进行详细说明。
实施例三、本实施例提供的射频功率放大器(PA)电路，应用于BLE SOC芯片中，电路结构如图4所示，包括：用于隔离输入射频信号的直流部分的第三电容C0和第四电容C1；第一电容C2和第二电容C3；第六开关M0、第七开关M1、第一开关组M2和第二开关组M3，且M0、M1、M2和M3均为NMOS管；第三开关M4、第四开关M5和第五开关M6，且M4、M5和M6均为PMOS管；以及巴仑T0。第一电容C2与巴伦T0次级线圈的寄生电感组成第一谐振电路，第一谐振电路的谐振频率f1为PA电路的工作频率，即sqrt()表示平方根函数；第二电容C3与巴伦T0次级线圈的寄生电感组成第二谐振电路，第二谐振电路的谐振频率f2为PA电路的工作频率，即其中：
C0的一端连接射频正向输入(Radio Frequency Positive input，简称RFP)端口，且C0的另一端与M0的栅极相连；其中，RFP端口用于接收上一级设备发送的射频正向电压输入信号；
C1的一端连接射频反向输入(Radio Frequency Negative input，RFN)端口，且C1的另一端与M1的栅极相连；其中，RFN端口用于接收上一级设备发送的射频反向电压输入信号；
M0的源极接地，且M0的漏极与M2的源极相连；
M1的源极接地，且M1的漏极与M3的源极相连；
M2的栅极连接数字控制信号SW1P，且M2的漏极分别与M4的漏极和巴仑T0的第一平衡差分端口P0端口连接；本实施例中以第一开关组中包含一个第一开关为例进行说明的。
M3的栅极连接数字控制信号SW1N，且M3的漏极分别与M5的漏极和巴仑T0的第二平衡差分端口P1端口相连；
M4的栅极连接数字控制信号SW2P，且M4的源极连接供电电源VDD；
M5的栅极连接数字控制信号SW2N，且M5的源极连接供电电源VDD；
M6的栅极连接数字控制信号SW3，M6的源极连接电源VDD，且M6的漏极与巴仑T0的中心抽头端口P2相连；
巴仑T0的第一非平衡差分端口P3端口连接片外天线，作为PA的输出端；巴仑T0的第二非平衡差分端口P4端口接地。
本实施例中，C0和C1的取值与后级负载M0，M1的栅源寄生电容有关，可选的，C0取值为M0栅源寄生电容的10倍，C1取值为M1栅源寄生电容的10倍。
本实施例中，PA在高功率输出(即第一工作模式)时，SW1P，SW1N，SW2P，SW2N为高电平信号，SW3为低电平信号，此时M2，M3，M6处于开启状态，M4，M5处于关断状态，巴伦T0的P2连接供电电源；PA的差分负载阻抗为n2×50欧姆(巴仑的线圈匝数比为1：n，天线阻抗为50欧姆)，单端负载阻抗为欧姆。
PA在低功率输出(即第二工作模式)时，SW1N，SW2N为低电平信号，SW1P，SW2P，SW3为高电平信号，此时M2，M5处于开启状态，M3，M4，M6处于关断状态，巴伦T0的P2悬空，巴仑T0转变成变压器模式，PA由差分工作模式转变成单端工作模式；或者SW1P，SW2P为低电平信号，SW1N，SW2N，SW3为高电平信号，此时M3，M4处于开启状态，M2，M5，M6处于关断状态，巴伦T0的P2悬空，巴仑T0转变成变压器模式，PA由差分工作模式转变成单端工作模式。PA的负载阻抗为n2×50，相对于差分工作模式时单端负载阻抗增加了1倍。
假设电路的供电电压为V0，PA在差分工作模式时最大输出功率为PA在单端工作模式时最大输出功率为Pmaxd和Pmaxs相差6dB，由于两种工作模式下PA均工作在最大功率输出状态，因此可以获得相同的漏端效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种射频功率放大电路，其特征在于，所述电路包括：第一开关组、第二开关组、阻抗切换单元、第三开关、第四开关和第五开关，其中：
所述第一开关组的一端与所述电路的一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；
所述第二开关组的一端与所述电路的另一个差分输入端连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；
所述第三开关的一端与供电电源连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第一平衡差分端口连接；
所述第四开关的一端与所述供电电源连接，且另一端与所述阻抗切换单元的第二平衡差分端口连接；
所述第五开关的一端与所述阻抗切换单元的中心抽头端口连接，且另一端与所述供电电源连接；
通过所述第一开关组、所述第二开关组、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关的开启或关断，控制所述阻抗切换单元的阻抗变换。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，若所述电路工作在第一工作模式，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第五开关为开启状态，所述第三开关和所述第四开关为关断状态；
若所述电路工作在第二工作模式，所述第一开关组和所述第四开关为开启状态，所述第二开关组、所述第三开关和所述第五开关为关断状态；其中，所述第一工作模式下的输出功率大于所述第二工作模式下的输出功率。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，若所述电路的输出功率为第一功率，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第五开关为开启状态，所述第三开关和所述第四开关为关断状态；
若所述电路的输出功率为第二功率，所述第二开关组和所述第三开关为开启状态，所述第一开关组、所述第四开关和所述第五开关为关断状态；其中，所述第一功率大于所述第二功率。
4.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述第一开关组和所述第二开关组均为NMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为PMOS管。
5.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述第一开关组和所述第二开关组均为PMOS管；所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关均为NMOS管。
6.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述阻抗切换单元的第一非平衡差分端口为所述电路的输出端，所述第一非平衡差分端口与外接天线连接。
7.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述阻抗切换单元的第二非平衡差分端口接地。
8.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一平衡差分端口连接，且另一端接地。
9.如权利要求1～3任一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第二平衡差分端口连接，且另一端接地。
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