CN106982033A - 一种基于升压技术的功率放大器 - Google Patents

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CN106982033A CN201710103032.8A CN201710103032A CN106982033A CN 106982033 A CN106982033 A CN 106982033A CN 201710103032 A CN201710103032 A CN 201710103032A CN 106982033 A CN106982033 A CN 106982033A
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张海兵
柯庆福
刘政清
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Abstract

本申请公开了一种基于升压技术的功率放大器，包括升压电路和放大电路。升压电路用来将电源电压升压，还用来根据参考电压和升压电压得到中间电压。升压电压中包含电源纹波，中间电压中包含中间纹波，两种纹波的相位相同。放大电路包括至少两个功率晶体管组成共源共栅或者共射共基结构，中间电压作为其中一个功率晶体管的偏置电压，中间纹波在该功率晶体管的输出端的相位变反。升压电压作为最后一级功率晶体管的电源电压，电源纹波在最后一级功率晶体管的输出端由低通网络滤除高频分量。在最后一级功率晶体管的输出端，中间纹波与电源纹波的低频分量相互抵消。本申请消除了电源纹波对功率放大器的性能的影响。

Description

一种基于升压技术的功率放大器
技术领域
本申请涉及一种射频功率放大器。
背景技术
随着移动通讯技术的发展，3GPP Release 12标准要求移动终端支持载波聚合(carrier aggregation)技术，并通过天线输出更大的class 2功率等级(例如为26dBm)的线性功率。这要求发射通道上的功率放大器输出功率大致为28dBm，而移动终端普遍使用的锂电池能提供的电压最大为3.3V到4.2V，在电池电量低的时候很难提供如此大的输出功率。
砷化镓(GaAs)工艺的击穿电压可达15V，正常工作电压可以达到5-6V。因此，这几年基于升压技术的功率放大器架构开始出现，以满足日益增加的性能指标。
2007年10月出版的《IEEE微波理论与技术汇刊》(IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES)第55卷第10期有一篇文章《射频放大器的电源抑制：理论与测量》(Power Supply Rejection for RF Amplifiers:Theory andMeasurements)。这篇文章的第I部分记载了电源噪声对射频放大器输出频谱的影响，如图1所示。电源的噪声或纹波(ripple)所产生的频谱泄漏(spectral leakage)与射频输入信号相混合，经过射频放大器后使得射频输出信号的输出频谱得到了扩展。如果这些频谱泄漏的频率较高，这些扩展的频谱会落在接收频段上，从而使得射频放大器的接收频段噪声性能恶化，影响接收机的性能。
2010年10月出版的《IEEE微波理论与技术汇刊》第58卷第10期有一篇文章《具有升压电源调制器的多模/多频功率放大器》(A Multimode/Multiband Power Amplifier Witha Boosted Supply Modulator)。这篇文章的第III部分和第IV部分公开了一种具有宽频带F类功率放大器和升压电源调制器的包络跟踪发射机，其中的升压电源调制器如图2所示，为CMOS集成电路。所述升压电源调制器包括升压转换器、线性级、控制级和开关级，其中升压转换器用来将电压提升到5V，线性级中的OTA(运算跨导放大器)用来放大高频信号的包络变化，线性级中的开关管用来提高升压电源调制器的效率。该方案的缺点有二个。首先，供电电压提高到了5V，但是单个CMOS晶体管的正常承受电压小于5V，因此需要采用具有更大承受电压的功率放大器结构，例如cascode(共源共栅、或共射共基)结构等。其次，升压电源调制器带来的纹波问题没有得到解决。
申请公布号为CN104779922A、申请公布日为2015年7月15日的中国发明专利申请《用于优化射频功率放大器性能的高电压包括跟踪器》中，公开了一种包含有升压模块的包络跟踪器。其中的升压模块如图3所示，包括由硅基CMOS工艺实现的升降压控制模块和由砷化镓p型HEMT(高电子迁移率晶体管)实现的升降压开关功率晶体管。所述升降压开关功率晶体管中，由第一晶体管301和第二晶体管302组成了一个高耐压的cascode结构的功率放大器。但是该方案中的晶体管是HEMT器件，如果改为CMOS晶体管，则由于CMOS晶体管的耐压能力达不到5V，因此cascode结构的CMOS晶体管也无法适用于该升压模块。此外，电源纹波的问题也没有得到解决。
2013年8月出版的《IEICE电子快报》(IEICE Electronic Express)第10卷第16期有一篇文章《具有电感补偿的2.4GHz砷化镓异质结双极晶体管堆叠功率放大器》(A 2.4GHzGaAs HBT stacked power amplifier with inductance compensation)。这篇文章的第2部分公开了一种堆叠的功率放大器，如图4所示。这种功率放大器采用两个砷化镓HBT组成cascode结构，并在上层HBT的基极串联电容Cb和电阻Rb后接地。堆叠结构可以提高电源电压，从而提高输出功率。在上层HBT的基极串联的电容与电阻则可以抑制寄生电容带来的效率降低问题。然而，该方案并没有应用到升压结构中。
以上现有方案表明，为了提高功率放大器的输出功率，需要采用升压的电源以及耐压的功率放大器架构。然而升压的电源是基于开关电源技术的，难以避免地具有电源纹波，这使功率放大器的性能恶化。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种基于升压技术的功率放大器，一方面提升功率放大器的供电电压来增加输出阻抗，另一方面通过采用HBT形成cascode结构来提高器件耐高压性能，再一方面还要抑制电源纹波对功率放大器的不良影响。
为解决上述技术问题，本申请基于升压技术的功率放大器包括升压电路和放大电路。
所述升压电路用来将电源电压进行升压后得到升压电压，还用来根据参考电压和升压电压得到一个中间电压；升压电压中包含电源纹波，电源纹波具有高频分量与低频分量；中间电压中包含中间纹波，中间纹波仅有低频分量；电源纹波与中间纹波的相位相同。
所述放大电路包括至少两个功率晶体管组成共源共栅或者共射共基结构，中间电压作为其中一个功率晶体管的偏置电压，中间纹波在该功率晶体管的输出端的相位变反；升压电压作为最后一级功率晶体管的电源电压，电源纹波在最后一级功率晶体管的输出端由低通网络滤除高频分量；在最后一级功率晶体管的输出端，中间纹波与电源纹波的低频分量由于相位相反且幅度相等而相互抵消。
优选地，中间电压作为最后一级功率晶体管的偏置电压。
本申请取得的技术效果是抑制了电源纹波对功率放大器的射频输出信号的频谱扩展，消除了电源纹波对功率放大器的性能的影响。
附图说明
图1是电源噪声或纹波对射频放大器输出频谱的影响的示意图。
图2是一种现有的射频功率放大器中的升压电源调制器的结构示意图。
图3是一种现有的包络跟踪器中的升压模块的结构示意图。
图4是一种现有的堆叠结构的功率放大器的结构示意图。
图5是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例一的结构示意图。
图6是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例二的结构示意图。
图7是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例三的结构示意图。
图中附图标记说明：Vbias1为偏置电压一；Vbat为电源电压；VG2为栅偏电压二；VG3为栅偏电压三；VG4为栅偏电压四；Vboost为升压电压；Vref为参考电压；Vm为中间电压；RFin为射频输入信号；RFout为射频输出信号；PM为PMOS管；NM为NMOS管；Q为HBT；R为电阻；C为电容；L为电感。
具体实施方式
请参阅图5，这是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例一。该实施例一包括升压电路和放大电路两部分。所述升压电路用来将电源电压Vbat进行升压，得到升压电压Vboost。所述升压电路还用来根据参考电压Vref和升压电压Vboost生成一个中间电压Vm，该中间电压Vm中包含的纹波的相位与升压电压Vboost中包含的纹波的相位相反。所述放大电路包括至少两个功率晶体管组成共源共栅或者共射共基结构(即cascode结构)。升压电压Vboost作为最后一级共栅极晶体管或共基极晶体管的电源电压，也就是作为所有功率晶体管的电源电压。中间电压Vm作为任意一个功率晶体管的偏置电压。在最后一级共栅极晶体管或共基极晶体管的输出端就有升压电压Vboost中的纹波与中间电压Vm中的纹波由于幅度相等、相位相反而相互抵消。
所述升压电路具体包括一个开关电源控制单元、一个PMOS管、一个NMOS管、一个比较器、一个低通滤波器、一个可变增益放大器和一个缓冲器。两个MOS管PM1、NM1的基极均受控于开关电源控制单元。开关电源控制单元控制两个MOS管PM1、NM1的开关频率、速度、占空比等，并且采用防直通栅极驱动缓冲，即不会使两个MOS管PM1、NM1同时开启，在任意时刻或者仅有PMOS管一PM1导通或者仅有NMOS管一NM1导通，因此没有静态功耗。PMOS管一PM1的发射极接电源电压Vbat，NMOS管一NM1的发射极接地，PMOS管一的集电极与NMOS管一的集电极相连并作为输出端。由此开关电源控制单元可以通过控制两个MOS管PM1、NM1实现对电源电压Vbat的升压或降压，本申请主要使用到的是升压功能。PMOS管一PM1的集电极连接NMOS管一NM1的集电极，并输出升压电压Vboost。电源电压Vbat通常由锂电池提供，取值范围在3.3V至4.2V之间。经过升压后，升压电压Vboost的取值范围可在3.3V至10V之间。电源电压Vbat中包含电源纹波，升压电压Vboost中也包含电源纹波，如图5中的实线所示。电源纹波主要集中在开关电源的开关频率及其谐波频率。电源纹波分为高频分量与低频分量，通常将开关电源的开关频率及其低次谐波(例如4次及以下谐波)频率称为低频分量，将开关电源的高次谐波(例如5次及以上谐波)频率称为高频分量。升压电压Vboost与参考电压Vref分别进入比较器的正输入端、负输入端，该比较器的输出端依次连接一个低通滤波器、一个可变增益放大器、一个缓冲器后，得到中间电压Vm。参考电压Vref是一个不随工艺、温度、时间变化的直流电压，比较器用来实现升压电压Vboost与参考电压Vref的比较。参考电压Vref中不包含纹波，比较器输出的电压中也包含电源纹波的高频分量与低频分量。低通滤波器用来允许低频纹波通过，滤除高频纹波，低通滤波器输出的电压中仅包含低频纹波。可变增益放大器用来调节电信号的幅度。缓冲器用来提高电流驱动能力。缓冲器输出的中间电压Vm中仅包含有低频的纹波分量，称为中间纹波，如图5中的虚线所示。电源纹波与中间纹波的相位相同。中间纹波的幅度可通过可变增益放大器的增益进行调节。
所述放大电路中至少包括两个功率晶体管Q1、Q2，例如均为HBT，优选为砷化镓(GaAs)HBT，它们形成共射共基结构。共射晶体管Q1的发射极接地，基极通过电容一C1接收射频输入信号RFin，集电极输出放大后的信号给共基晶体管Q2的发射极。共射晶体管Q1的基极偏置电压由偏置电压一Vbias1和电源电压Vbat提供。具体而言，偏置电压一Vbias1通过级联的电阻二R2、二极管四Q4和二极管五Q5接地，二极管四Q4和二极管五Q5实现温度补偿功能。二极管四Q4的阳极还连接晶体管三Q3的基极，并通过电容二C2接地，电容二C2实现线性化。晶体管三Q3的集电极连接电源电压Vbat，发射极通过电阻一R1连接共射晶体管Q1的基极为其提供基极偏置电压。共基晶体管Q2的基极偏置电压由中间电压Vm提供。具体而言，中间电压Vm通过级联的电阻三R3和电容三C3接地，电阻三R3和电容三C3中间的连接点还连接共基晶体管Q2的基极为其提供基极偏置电压。共基晶体管Q2的漏极通过电感一L1连接升压电压Vboost，升压电压Vboost作为共基晶体管Q2的电源电压。共基晶体管Q2的漏极还通过电容四C4输出射频输出信号RFout。电感一L1与电容四C4构成了共基晶体管Q2的集电极位置的低通网络。
在实施例一中，对共基晶体管Q2来说，其基极偏置的中间电压Vm中包含有中间纹波，其漏极接收的升压电压Vboost中包含有电源纹波，中间纹波与电源纹波的相位相同。对于中间电压Vm而言，其从共基晶体管Q2的基极输入集电极输出，相当于中间电压Vm经过了共发射极(common emitter)放大，因此在共基晶体管Q2的集电极位置的中间纹波的相位变反。对升压电压Vboost而言，共基晶体管Q2的集电极位置的电感一L1与电容四C4构成了一个低通网络，该低通网络滤除了升压电压Vboost中所包含的电源纹波中的高频分量。因此在共基晶体管Q2的集电极位置(即输出端)，中间纹波与电源纹波剩余的低频分量的相位相反且幅度相等，因此在共基晶体管Q2的集电极得到的射频输出信号RFout中两种纹波相互抵消，从而降低了电源纹波对功率放大器的性能的影响，抑制了电源纹波所造成的输出频谱扩展的现象。为了使共基晶体管Q2的集电极位置使中间纹波与电源纹波的幅度相等，可以通过可变增益放大器调节升压电路所输出的中间纹波的幅度。
请参阅图6，这是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例二。该实施例二与实施例一的区别仅在于两个功率晶体管的基极偏置电压的选择。在实施例一中，共射晶体管Q1的基极偏置电压由偏置电压一Vbias1和电源电压Vbat提供，共基晶体管Q2的基极偏置电压由中间电压Vm提供。在实施例二中，共基晶体管Q2的基极偏置电压由电源电压Vbat提供，共射晶体管Q1的基极偏置电压由中间电压Vm和电源电压Vbat提供。
具体而言，在实施例二中，中间电压Vm通过级联的电阻二R2、二极管四Q4和二极管五Q5接地，二极管四Q4和二极管五Q5实现温度补偿功能。二极管四Q4的阳极还连接晶体管三Q3的基极，并通过电容二C2接地，电容二C2实现线性化。晶体管三Q3的集电极连接电源电压Vbat，发射极通过电阻一R1连接共射晶体管Q1的基极为其提供基极偏置电压。电源电压Vbat通过级联的电阻三R3和电容三C3接地，电阻三R3和电容三C3中间的连接点还连接共基晶体管Q2的基极为其提供基极偏置电压。
在实施例二中，对于中间电压Vm而言，其从共射晶体管Q1的基极输入集电极输出，经过了共发射极放大，因此在共射晶体管Q1的集电极位置的中间纹波的相位变反。该相位变反的中间纹波从共基晶体管Q2的发射极输入集电极输出，在共基晶体管Q2的集电极位置仍保持相位变反。对升压电压Vboost而言，共基晶体管Q2的集电极位置的电感一L1与电容四C4构成了一个低通网络，该低通网络滤除了升压电压Vboost中所包含的电源纹波中的高频分量。因此在共基晶体管Q2的集电极位置(即输出端)，中间纹波与电源纹波剩余的低频分量的相位相反且幅度相等，因此在共基晶体管Q2的集电极得到的射频输出信号RFout中两种纹波相互抵消，从而降低了电源纹波对功率放大器的性能的影响，抑制了电源纹波所造成的输出频谱扩展的现象。为了使共基晶体管Q2的集电极位置使中间纹波与电源纹波的幅度相等，可以通过可变增益放大器调节升压电路所输出的中间纹波的幅度。
然而比较以上两个实施例可以发现，实施例二中从共射晶体管Q1的偏置到共基晶体管Q2的输出有较大的延时，因此降低了纹波抵消的抑制效果，因此实施例二不如实施例一的效果好。
请参阅图7，这是本申请提供的基于升压技术的功率放大器的实施例三。该实施例三与实施例一的区别仅在放大电路中。在实施例一中，放大电路包含两个HBT构成共射共基结构。在实施例三中，放大电路包含四个NMOS管构成共源共栅结构，共源晶体管二NM2的栅极偏置电压由栅偏电压二VG2提供，共栅晶体管三NM3的栅极偏置电压由栅偏电压三VG3提供，共栅晶体管四NM4的栅极偏置电压由栅偏电压四VG4提供，共栅晶体管五NM5的栅极偏置电压由中间电压Vm提供。
在实施例三中，对共栅晶体管五NM5来说，其栅极偏置的中间电压Vm中包含有中间纹波，其漏极接收的升压电压Vboost中包含有电源纹波，中间纹波与电源纹波的相位相同。对于中间电压Vm而言，其从共栅晶体管五NM5的栅极输入漏极输出，相当于中间电压Vm经过了共源极(common source)放大，因此在共栅晶体管五NM5的漏极位置的中间纹波的相位变反。对升压电压Vboost而言，共栅晶体管五NM5的漏极位置的电感一L1与电容四C4构成了一个低通网络，该低通网络滤除了升压电压Vboost中所包含的电源纹波中的高频分量。因此在共栅晶体管五NM5的漏极位置(即输出端)，中间纹波与电源纹波剩余的低频分量的相位相反且幅度相等，因此在共栅晶体管五NM5的漏极得到的射频输出信号RFout中两种纹波相互抵消，从而降低了电源纹波对功率放大器的性能的影响，抑制了电源纹波所造成的输出频谱扩展的现象。为了使共栅晶体管五NM5的漏极位置使中间纹波与电源纹波的幅度相等，可以通过可变增益放大器调节升压电路所输出的中间纹波的幅度。
由实施例三可知，所述放大电路中的功率晶体管不仅可以采用HBT，而且可以采用MOS或其他现有的功率放大元件。而且放大电路中可以包含大于两个的功率晶体管形成cascode结构，只需要将中间各级功率晶体管级联即可，仍未脱离本申请所公开的电路实现原理。
如果结合实施例二与实施例三，显然实施例三中的中间电压Vm也可改为向放大电路中其他共栅晶体管的栅极偏置电压，然而由于延时较大均不如实施例三的效果好。
现有的功率放大器一旦采用升压技术后，开关电源所产生的纹波就会对功率放大器的性能带来不利影响。本申请所提供的功率放大器中，升压电路输出升压电压和中间电压，升压电压中包含具有高频分量与低频分量的电源纹波，中间电压中包含仅有低频分量的中间纹波，电源纹波与中间纹波的相位相同。中间电压、升压电压分别作为放大电路中的同一个功率晶体管的偏置和电源。中间纹波经过该功率晶体管的共发射极或共源极放大后，相位变反。电源纹波在该功率晶体管的集电极或漏极(即输出端)由LC低通网络滤除掉高频分量。从而在该功率晶体管的输出端使两种纹波由于相位相反且幅度相等而相互抵消，这样便消除了电源纹波对功率放大器的性能的影响。
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 (10)

1.一种基于升压技术的功率放大器，其特征是，包括升压电路和放大电路；
所述升压电路用来将电源电压进行升压后得到升压电压，还用来根据参考电压和升压电压得到一个中间电压；升压电压中包含电源纹波，电源纹波具有高频分量与低频分量；中间电压中包含中间纹波，中间纹波仅有低频分量；电源纹波与中间纹波的相位相同；
所述放大电路包括至少两个功率晶体管组成共源共栅或者共射共基结构，中间电压作为其中一个功率晶体管的偏置电压，中间纹波在该功率晶体管的输出端的相位变反；升压电压作为最后一级功率晶体管的电源电压，电源纹波在最后一级功率晶体管的输出端由低通网络滤除高频分量；在最后一级功率晶体管的输出端，中间纹波与电源纹波的低频分量由于相位相反且幅度相等而相互抵消。
2.根据权利要求1所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，中间电压作为最后一级功率晶体管的偏置电压。
3.根据权利要求1所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，所述升压电路包括开关电源控制单元、PMOS管一、NMOS管一，还包括依次连接的比较器、低通滤波器、可变增益放大器和缓冲器；
PMOS管一与NMOS管一级联，且一端接电源电压，另一端接地；开关电源控制单元控制PMOS管一与NMOS管一的开关频率、速度、占空比，使PMOS管一与NMOS管一相连的位置输出对电源电压进行升压后的升压电压；电源电压中包含电源纹波，升压电压中也包含电源纹波，电源纹波具有高频分量与低频分量；
参考电压是直流电压，比较器对升压电压与参考电压进行比较后输出，比较器输出的电压中包含电源纹波；比较器输出的电压经过低通滤波器，滤除掉电源纹波中的高频分量；低通滤波器输出的电压经过可变增益放大器，用来调节电信号的幅度；可变增益放大器输出的电压经过缓冲器，用来提高电流驱动能力；缓冲器输出中间电压，中间电压仅包含有电源纹波的低频分量称为中间纹波；
电源纹波与中间纹波的相位相同，中间纹波的幅度通过可变增益放大器的增益进行调节。
4.根据权利要求1所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，所述放大电路至少包括两个HBT功率晶体管，它们形成共射共基结构；
共射晶体管的发射极接地，基极通过电容一接收射频输入信号，集电极输出放大后的信号给共基晶体管的发射极；共射晶体管的基极偏置电压由偏置电压一和电源电压提供；
共基晶体管的基极偏置电压由中间电压提供；共基晶体管的漏极通过电感一连接升压电压，升压电压作为共基晶体管的电源电压；共基晶体管的漏极还通过电容四输出射频输出信号；电感一与电容四构成了共基晶体管的集电极位置的低通网络。
5.根据权利要求4所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，偏置电压一通过级联的电阻二、二极管四和二极管五接地；二极管四的阳极还连接晶体管三的基极，并通过电容二接地；晶体管三的集电极连接电源电压，晶体管三的发射极通过电阻一连接共射晶体管的基极为其提供基极偏置电压。
6.根据权利要求4所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，中间电压通过级联的电阻三和电容三接地，电阻三和电容三中间的连接点还连接共基晶体管的基极为其提供基极偏置电压。
7.根据权利要求1所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，所述放大电路至少包括两个HBT功率晶体管，它们形成共射共基结构；
共射晶体管的发射极接地，基极通过电容一接收射频输入信号，集电极输出放大后的信号给共基晶体管的发射极；共射晶体管的基极偏置电压由中间电压和电源电压提供；共基晶体管的基极偏置电压由电源电压提供；共基晶体管的漏极通过电感一连接升压电压，升压电压作为共基晶体管的电源电压；共基晶体管的漏极还通过电容四输出射频输出信号；电感一与电容四构成了共基晶体管的集电极位置的低通网络。
8.根据权利要求7所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，中间电压通过级联的电阻二、二极管四和二极管五接地；二极管四的阳极还连接晶体管三的基极，并通过电容二接地；晶体管三的集电极连接电源电压，晶体管三的发射极通过电阻一连接共射晶体管的基极为其提供基极偏置电压。
9.根据权利要求7所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，电源电压通过级联的电阻三和电容三接地，电阻三和电容三中间的连接点还连接共基晶体管的基极为其提供基极偏置电压。
10.根据权利要求1所述的基于升压技术的功率放大器，其特征是，所述放大电路至少包括两个MOS功率晶体管，它们形成共源共栅结构；
第一级共源晶体管的源极接地，栅极通过电容一接收射频输入信号，漏极输出放大后的信号给后一级的功率晶体管；
中间各级功率晶体管级联；
最后一级共栅晶体管的基极偏置电压由中间电压提供；最后一级共栅晶体管的漏极通过电感一连接升压电压，升压电压作为最后一级共栅晶体管的电源电压；最后一级共栅晶体管的漏极还通过电容四输出射频输出信号；电感一与电容四构成了最后一级共栅晶体管的漏极位置的低通网络。
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