CN105978492A - 射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器，包括：两级级射频功率放大管，输入、级间匹配电路和两个输出匹配电路，两个开关；包括两种工作模式：第一种工作模式中，射频输入信号经过两级射频功率放大管放大后输出射频输出信号；第二种工作模式中，射频输入信号经过单级放大后输出射频输出信号。第二种工作模式的输出功率区间小于第一种工作模式的输出功率区间，通过第二种工作模式在低输出功率区间具有较高的输出效率来补偿第一种工作模式在低输出功率区间内输出效率的降低，以此提高整个输出功率范围内的输出效率。本发明采用一个射频功率放大器就能实现在高低输出功率区间都具有较高的功率效率，工艺成本低，简单易实现，还能更省电。

Description

射频功率放大器
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种射频功率放大器。
背景技术
射频功率放大器是射频前端的主要耗能元件，现有射频功率放大器工作在一定的输出功率范围，也即只有在该特定的输出功率范围内效率才比较高，在输出较小功率时效率则会大幅度降低。但是在实际应用中，射频功率放大器不仅会工作在具有较高的效率所对应的较高的输出功率范围，还会经常工作在较小的输出功率状态下。由于现有射频功率器件在其输出功率范围之外的较小的输出功率状态下具有较低的效率，故现有技术中为了满足同时实现在较低和较高的输出功率状态下都能具有较高的效率，通常需要使用两种或多种射频功率放大器来实现各功率区间较高的效率，这显然具有较高的成本。
如图1所示，是现有射频功率放大器的结构图；包括：第一级射频功率放大管101，第二级射频功率放大管102，输入匹配电路103，级间匹配电路104，输出匹配电路105，射频输入信号RFIN从输入匹配电路103输入到第一级射频功率放大管101，经过两级放大后从输出匹配电路105的输出端输出射频输出信号RFOUT。正如上面所述，图1所述现有结构的缺点是具在高输出功率区间具有较高的功率效率，随着输出功率的降低输出效率会减少，所以无法同时实现在高低输出功率区间都具有较高的功率效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器,采用一个射频功率放大器就能实现在高低输出功率区间都具有较高的功率效率，能降低工艺成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的射频功率放大器包括：第一级射频功率放大管，第二级射频功率放大管，输入匹配电路，级间匹配电路，第一输出匹配电路和第二输出匹配电路。
所述输入匹配电路的输入端连接射频输入信号、输出端连接所述第一级射频功率放大管的输入端。
所述第一级射频功率放大管的输出端通过第一开关和所述级间匹配电路连接到所述第二级射频功率放大管的输入端。
所述第二级射频功率放大管的输出端通过所述第一输出匹配电路连接到射频功率放大器的输出端。
所述第一级射频功率放大管的输出端通过第二开关和所述第二输出匹配电路连接到所述射频功率放大器的输出端。
所述射频功率放大器包括两种工作模式：
第一种工作模式中，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述射频输入信号经过所述第一级射频功率放大管和所述第二级射频功率放大管的两级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出。
第二种工作模式中，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述射频输入信号经过所述第一级射频功率放大管的单级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出。
所述第二种工作模式的输出功率区间小于所述第一种工作模式的输出功率区间，所述第二种工作模式所对应的低输出功率区间内所述第二种工作模式的输出效率大于所述第一种工作模式的输出效率，用以补偿所述第一种工作模式在低输出功率区间内输出效率的降低，以此提高所述射频功率放大器的在整个输出功率范围内的输出效率。
进一步的改进是，所述射频功率放大器为集成于同一半导体衬底片上的全集成结构。
进一步的改进是，所述半导体衬底片为硅衬底片。
进一步的改进是，所述第一开关采用MOS晶体管开关，所述第二开关采用MOS晶体管开关。
进一步的改进是，所述第一开关采用NMOS晶体管开关或PMOS晶体管，所述第二开关采用NMOS晶体管开关或PMOS晶体管。
进一步的改进是，在第二种工作模式中，所述第二级射频功率放大管的工作电源关闭。
本发明射频功率放大器具有两级射频功率放大管，且通过切换开关的控制能够实现单级放大的工作模式和两级放大的工作模式，利用单级和两级放大的工作模式的输出效率较高的输出功率区间正好互相错开的特点，即单级放大的工作模式的输出效率较高的输出功率区间低于两级放大的工作模式的输出效率较高的输出功率区间，而这两个输出功率区间正好将高低输出功率区间都覆盖，所以相对于现有技术中采用单个射频功率放大器只能实现在一个较高的输出功率区间具有较高的输出效率的缺陷，本发明通过开关切换能实现在高低输出功率区间都具有较高的输出效率；而相对于现有技术中采用多个射频功率放大器来实现在高低输出功率区间都具有较高的输出效率，本发明采用一个射频功率放大器就能实现，所以本发明的成本更低。
另外，本发明射频功率放大器所采用的元件都能采用片内方式实现，这能够提高集成度，进一步的降低成本。
另外，相对于现有两级放大的射频功率放大器，本发明射频功率放大器在较低输出功率区间时采用第一级射频功率放大管就能实现，第二级射频功率放大器则会不工作，所以不工作的第二级射频功率放大器的电源供电能够关闭，这时本发明射频功率放大器的功耗会降低，能够更省电。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有射频功率放大器的结构图；
图2是本发明实施例射频功率放大器的结构图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例射频功率放大器的结构图，本发明实施例射频功率放大器包括：第一级射频功率放大管1，第二级射频功率放大管2，输入匹配电路3，级间匹配电路4，第一输出匹配电路5和第二输出匹配电路6。
所述输入匹配电路3的输入端连接射频输入信号RFIN、输出端连接所述第一级射频功率放大管1的输入端。
所述第一级射频功率放大管1的输出端通过第一开关7和所述级间匹配电路4连接到所述第二级射频功率放大管2的输入端。
所述第二级射频功率放大管2的输出端通过所述第一输出匹配电路5连接到射频功率放大器的输出端。
所述第一级射频功率放大管1的输出端通过第二开关8和所述第二输出匹配电路6连接到所述射频功率放大器的输出端。
所述射频功率放大器包括两种工作模式：
第一种工作模式中，所述第一开关7闭合，所述第二开关8断开，所述射频输入信号RFIN经过所述第一级射频功率放大管1和所述第二级射频功率放大管2的两级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出射频输出信号RFOUT。
第二种工作模式中，所述第一开关7断开，所述第二开关8闭合，所述射频输入信号RFIN经过所述第一级射频功率放大管1的单级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出射频输出信号RFOUT。
所述第二种工作模式的输出功率区间小于所述第一种工作模式的输出功率区间，所述第二种工作模式所对应的低输出功率区间内所述第二种工作模式的输出效率大于所述第一种工作模式的输出效率，用以补偿所述第一种工作模式在低输出功率区间内输出效率的降低，以此提高所述射频功率放大器的在整个输出功率范围内的输出效率。
所述射频功率放大器为集成于同一半导体衬底片上的全集成结构。所述半导体衬底片为硅衬底片。所以本发明实施例无需片外匹配元件，能够大大提高集成度，降低成本。
所述第一开关7采用MOS晶体管开关如NMOS晶体管开关或PMOS晶体管，所述第二开关8采用MOS晶体管开关如NMOS晶体管开关或PMOS晶体管。这些NMOS晶体管开关或PMOS晶体管很容易实现，具有简单实用的特点。
在第二种工作模式中，所述第二级射频功率放大管2的工作电源关闭。也即在第二种工作模式中，本发明实施例不再采用所述第二级射频功率放大管2，不仅实现了在低输出功率区间提高输出效率的技术效果，还能进一步省电。
如表一所示，是通过对本发明实施例的两种工作模式下输出功率和对应的效率进行仿真得到的对比表格，两级模式对应于上述的第一种工作模式，单级模式对应于上述的第二种工作模式，Pout表示输出功率，单位为dBm，PAE表示功率附加效率(Power AddedEfficiency)，可以看出在低输出功率范围内，单级模式的PAE更高，如在Pout为15.42dBm时，单级模式的PAE达到了31.5％；而Pout为15.05时，两级模式的PAE才只有15.51，约为单级模式的一半，所以本发明实施例通过在低输出功率时选用第二种工作模式，能够大大提高低输出功率的输出效率。而在高输出功率时，则两级模式具有较高的输出效率，如在Pout为22.16dBm时，PAE达到了35.74％，所以在高输出功率时本发明采用第一种工作模式；而且，仿真发现，第二种工作模式的1dB压缩点所对应的输出功率要低于第一种工作模式的，在输出大于第二种工作模式的1dB压缩点所对应的输出功率的高功率时，不好采用第二种工作模式，只能采用第一种工作模式，但是，当输出功率范围大于第二种工作模式所能达到的范围时，第一种工作模式的输出功率效率已经足够达到要求，所以本发明通过在低输出功率区间采用第二种工作模式，能够补偿所述第一种工作模式在低输出功率区间内输出效率较低的问题，从而能提高所述射频功率放大器的在整个输出功率范围内的输出效率。由上可知，本发明实施例很好的利用了单级模式和双极模式的高输出效率所对应的输出功率区间正好错开的特点，仅在图1所示的现有结构的基础上增加两个切换开关和一个输出匹配电路就能实现本发明实施例的结构，不仅实现了在高低输出功率区间都取得较高的输出效率，而且简单易实现，成本更低，更省电，功耗更小。
表一
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，包括：第一级射频功率放大管，第二级射频功率放大管，输入匹配电路，级间匹配电路，第一输出匹配电路和第二输出匹配电路；
所述输入匹配电路的输入端连接射频输入信号、输出端连接所述第一级射频功率放大管的输入端；
所述第一级射频功率放大管的输出端通过第一开关和所述级间匹配电路连接到所述第二级射频功率放大管的输入端；
所述第二级射频功率放大管的输出端通过所述第一输出匹配电路连接到射频功率放大器的输出端；
所述第一级射频功率放大管的输出端通过第二开关和所述第二输出匹配电路连接到所述射频功率放大器的输出端；
所述射频功率放大器包括两种工作模式：
第一种工作模式中，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述射频输入信号经过所述第一级射频功率放大管和所述第二级射频功率放大管的两级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出；
第二种工作模式中，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述射频输入信号经过所述第一级射频功率放大管的单级放大后从所述射频功率放大器的输出端输出；
所述第二种工作模式的输出功率区间小于所述第一种工作模式的输出功率区间，所述第二种工作模式所对应的低输出功率区间内所述第二种工作模式的输出效率大于所述第一种工作模式的输出效率，用以补偿所述第一种工作模式在低输出功率区间内输出效率的降低，以此提高所述射频功率放大器的在整个输出功率范围内的输出效率。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述射频功率放大器为集成于同一半导体衬底片上的全集成结构。
3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：所述半导体衬底片为硅衬底片。
4.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述第一开关采用MOS晶体管开关，所述第二开关采用MOS晶体管开关。
5.如权利要求4所述的射频功率放大器，其特征在于：所述第一开关采用NMOS晶体管开关或PMOS晶体管，所述第二开关采用NMOS晶体管开关或PMOS晶体管。
6.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：在第二种工作模式中，所述第二级射频功率放大管的工作电源关闭。
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