CN110266280B - 三电压供电功率放大器电路、装置及半导体集成电路 - Google Patents

三电压供电功率放大器电路、装置及半导体集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三电压供电功率放大器电路，涉及射频前端集成电路设计，通过使三电压供电功率放大器单元包括三个供电电压，根据输出功率的大小通过不同的供电电压组合改变供电电压的大小，在功率回退区间实现两个效率尖峰，提升平均效率，且三电压供电功率放大器可以实现三电压的切换，实现了功率可调，同时保证不会存在漏电路径以及击穿问题。

Description

三电压供电功率放大器电路、装置及半导体集成电路
技术领域
本发明涉及射频前端集成电路设计，尤其涉及一种三电压供电功率放大器电路、装置及半导体集成电路。
背景技术
射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分，广泛应用在手机等无线通信设备中。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器，其中开关电容射频功率放大器(SCPA，Switched Capacitor Power Amplifier)是常用的射频功率放大器。
输出功率与效率是射频功率放大器的主要技术指标，为了满足各种通信终端设备的需求，必须提高射频功率放大器的输出功率与效率。
请参阅图1，图1为现有技术中一开关电容射频功率放大器的示意图。如图1所示，开关电容射频功率放大器包括PMOS管和NMOS管组成的反相器，连接反相器的电容和带通滤波器，将非交叠的方波信号输入至返反相器，反相器输出端为反相的方波，然后经过带通滤波器，把方波变为正弦波。但是图1所示的开关电容射频功率放大器无法实现对输出功率的调整。请参阅图2，图2为现有技术中另一开关电容射频功率放大器的示意图。如图2所示，将图1中的总电容分成若干份，反相器也分成若干份，控制打开或关闭反相器的个数就能实现对输出功率的调制。如下公式给出了输出电压VOUT，输出功率POUT以及效率ηideal随功率放大器单元开关个数的变化关系：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
另传统的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的减小而减小。请参阅图3，图3为开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化示意图。然而，目前先进的无线调制标准(比如IEEE 802.11ac，LTE等)都采用OFDM的调制方式，即正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，这种调制方式的峰均比很大，其大概率工作在功率回退区间，所以开关电容射频功率放大器应用到这种无线标准上其平均效率很低，有待提升。
因此实现输出功率可调且高的平均输出功率是开关电容射频功率放大器的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三电压供电功率放大器电路，以提升三电压供电功率放大器的平均效率，且实现功率可调。
本发明提供的三电压供电功率放大器电路，包括：三电压供电功率放大器，包括:多个三电压供电功率放大器单元，每一三电压供电功率放大器单元包括三个供电电压，多个三电压供电功率放大器单元互相耦接，其中，每一三电压供电功率放大器单元包括由第一P型功率开关管MP1和第二P型功率开关管MP2串联连接构成的第一支路，其中第一P型功率开关管MP1的源端S连接第三电源电压VDD3，第一P型功率开关管MP1的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的源端S；由第四N型功率开关管MN4和第四P型功率开关管MP4串联构成的第二支路，其中第四N型功率开关管MN4的漏端D连接第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的源端S连接第四P型功率开关管MP4的源端S，第四P型功率开关管MP4的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D；以及由第五N型功率开关管MN5和第五P型功率开关管MP5串联构成的第三支路，其中第五N型功率开关管MN5的漏端D连接第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的源端S连接第五P型功率开关管MP5的源端S，第五P型功率开关管MP5的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D，更包括第三P型功率开关管MP3、第三N型功率开关管MN3、第二N型功率开关管MN2和第一N型功率开关管MN1，第二P型功率开关管MP2的漏端D连接第三P型功率开关管MP3的源端S,第三P型功率开关管MP3的漏端D连接第三N型功率开关管MN3的漏端D,第三N型功率开关管MN3的源端S连接第二N型功率开关管MN2的漏端D,第二N型功率开关管MN2的源端S连接第一N型功率开关管MN1的漏端D,第一N型功率开关管MN1的源端S接地，第三P型功率开关管MP3与第三N型功率开关管MN3的共节点为三电压供电功率放大器单元的输出端，用于输出一方波信号；多个电容，其中一电容的一端连接一三电压供电功率放大器单元的输出端；一带通匹配网络，多个电容的另一端连接带通匹配网络的一端，带通匹配网络的另一端用于输出三电压供电功率放大器的输出信号；以及控制单元，连接三电压供电功率放大器，用于控制每一三电压供电功率放大器单元的供电电压。
更进一步的，所述控制单元控制每一三电压供电功率放大器单元的供电电压包括控制每一个三电压供电功率放大器单元在其三个供电电压中选择其一作为其供电电压。
更进一步的，所述控制单元控制每一三电压供电功率放大器单元中的第一支路、第二支路和第三支路中的其中一支路导通，其它路关断，以使与导通的支路连接的供电电压为三电压供电功率放大器单元供电。
更进一步的，三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电时，控制电路控制第一支路导通，控制电路控制第二支路和第三支路关断。
更进一步的，控制电路控制第一P型功率开关管MP1的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第三电源电压VDD3，第一方波输入信号的低电平为第二电源电压VDD2，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接第一电源电压VDD1，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1。
更进一步的，三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电时，控制电路控制第二支路导通，控制电路控制第一支路和第三支路关断。
更进一步的，控制电路控制第四P型功率开关管MP4的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第二电源电压VDD2，第一方波输入信号的低电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第四N型功率开关管MN4的门极接收第三电源电压VDD3，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1。
更进一步的，三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电时，控制电路控制第三支路导通，控制电路控制第一支路和第二支路关断。
更进一步的，控制电路控制第五P型功率开关管MP5的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第一方波输入信号的低电平为地电位，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第五N型功率开关管MN5的门极接收第二电源电压VDD2，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第三P型功率开关管MP3的门极接地，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接地，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2。
更进一步的，第三电源电压VDD3大于第二电源电压VDD2，第二电源电压VDD2大于第一电源电压VDD1，第一电源电压VDD1大于地电位。
更进一步的，第三电源电压VDD3为3.6V，第二电源电压VDD2为2.4V，第一电源电压VDD1为1.2V。
更进一步的，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，在功率回退第一回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值；在第三工作阶段中，在功率回退到第一回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，在功率回退到第一回退值与第二回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值；在第五工作阶段中，在功率回退到第二回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，在功率回退到第二回退值之后，部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，部分三电压供电功率放大器单元接GND，此时效率小于效率的最大值。
更进一步的，在第二工作阶段中，通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
更进一步的，第四工作阶段中，通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
更进一步的，在第六工作阶段中，通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
更进一步的，三电压供电功率放大器采用OFDM调制方式。
更进一步的，第一方波输入信号和第二方波输入信号为非交叠的输入信号。
更进一步的，三电压供电功率放大器电路集成在一半导体衬底上。
本发明还提供一种半导体集成电路，包括半导体衬底，在衬底上集成上述的三电压供电功率放大器电路。
本发明还提供一种电压供电功率放大器装置，包括：幅度信号AM输入至解码模块，经过解码模块解码之后的输出信号的一部分输入至供电电压控制模块，供电电压控制模块输出三电压供电功率放大器中的三电压供电功率放大器单元的供电电压选择控制信号，以控制每一个三电压供电功率放大器单元在其三个供电电压中选择其一作为其供电电压，输出信号的另一部分输出至幅度信号控制模块，经幅度信号控制模块后输出幅值信号Amplitude，相位信号PM经过可调谐相位延迟模块后和幅值信号Amplitude经过与门后输出到非交叠时钟和电平转换模块，非交叠时钟和电平转换模块的输出信号输入到三电压供电功率放大器中的三电压供电功率放大器单元，三电压供电功率放大器单元的输出连接到其对应的单位电容的一端上，各单位电容的另一端经过带通网络输出射频信号，其中三电压供电功率放大器的效率在功率回退期间有两个效率尖峰。
更进一步的，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，在功率回退第一回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值；在第三工作阶段中，在功率回退到第一回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，在功率回退到第一回退值与第二回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值；在第五工作阶段中，在功率回退到第二回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，在功率回退到第二回退值之后，部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，部分三电压供电功率放大器单元接GND，此时效率小于效率的最大值。
更进一步的，在第二工作阶段中，通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度；第四工作阶段中，通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度；在第六工作阶段中，通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
本发明提供的三电压供电功率放大器电路、装置和半导体集成电路，通过使三电压供电功率放大器单元包括三个供电电压，根据输出功率的大小通过不同的供电电压组合改变供电电压的大小，在功率回退区间实现两个效率尖峰，提升平均效率，且三电压供电功率放大器可以实现三电压的切换，实现了功率可调，同时保证不会存在漏电路径以及击穿问题。
附图说明
图1为现有技术中一开关电容射频功率放大器的示意图。
图2为现有技术中另一开关电容射频功率放大器的示意图。
图3为开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化示意图。
图4为本发明一实施例的三电压供电功率放大器电路的示意图。
图5为本发明一实施例的三电压供电功率放大器单元的细部示意图。
图6a为本发明一实施例的由第三电源电压VDD3供电的三电压供电功率放大器单元的示意图。
图6b为本发明一实施例的由第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的示意图。
图6c为本发明一实施例的由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的示意图。
图7a-7f为图4所示的三电压供电功率放大器电路的工作过程和对应的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线示意图。
图8为本发明实施例的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线与现有技术的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线的对比示意图。
图9为本发明一实施例的三电压供电功率放大器装置框图。
对附图中所用到的标记解释如下：
100、三电压供电功率放大器；110、三电压供电功率放大器单元；120、带通匹配网络；300、控制单元。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明一实施例中，提供一种三电压供电功率放大器电路。具体的，请参阅图4，图4为本发明一实施例的三电压供电功率放大器电路的示意图。另请参阅图5，图5为本发明一实施例的三电压供电功率放大器单元的细部示意图。如图4和图5所示，三电压供电功率放大器电路包括：三电压供电功率放大器100和控制单元300，三电压供电功率放大器100包括多个三电压供电功率放大器单元110，每一三电压供电功率放大器单元110包括三个供电电压，多个三电压供电功率放大器单元110互相耦接；多个电容，其中一电容的一端连接一三电压供电功率放大器单元110的输出端；一带通匹配网络120，多个电容的另一端连接带通匹配网络120的一端，带通匹配网络120的另一端用于输出三电压供电功率放大器100的输出信号；控制单元300，连接三电压供电功率放大器100，用于控制每一三电压供电功率放大器单元110的供电电压，其中，每一三电压供电功率放大器单元110包括由第一P型功率开关管MP1和第二P型功率开关管MP2串联连接构成的第一支路，其中第一P型功率开关管MP1的源端S连接第三电源电压VDD3，第一P型功率开关管MP1的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的源端S；由第四N型功率开关管MN4和第四P型功率开关管MP4串联构成的第二支路，其中第四N型功率开关管MN4的漏端D连接第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的源端S连接第四P型功率开关管MP4的源端S，第四P型功率开关管MP4的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D；以及由第五N型功率开关管MN5和第五P型功率开关管MP5串联构成的第三支路，其中第五N型功率开关管MN5的漏端D连接第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的源端S连接第五P型功率开关管MP5的源端S，第五P型功率开关管MP5的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D，更包括第三P型功率开关管MP3、第三N型功率开关管MN3、第二N型功率开关管MN2和第一N型功率开关管MN1，第二P型功率开关管MP2的漏端D连接第三P型功率开关管MP3的源端S,第三P型功率开关管MP3的漏端D连接第三N型功率开关管MN3的漏端D,第三N型功率开关管MN3的源端S连接第二N型功率开关管MN2的漏端D,第二N型功率开关管MN2的源端S连接第一N型功率开关管MN1的漏端D,第一N型功率开关管MN1的源端S接地，第三P型功率开关管MP3与第三N型功率开关管MN3的共节点为三电压供电功率放大器单元110的输出端，用于输出一方波信号。
在本发明一实施例中，所述第一P型功率开关管MP1、所述第二P型功率开关管MP2、所述第三P型功率开关管MP3、所述第四P型功率开关管MP4和所述第五P型功率开关管MP5为PMOS。
在本发明一实施例中，所述第一N型功率开关管MN1、所述第二N型功率开关管MN2、所述第三N型功率开关管MN3、所述第四N型功率开关管MN4和所述第五N型功率开关管MN5为NMOS。
在本发明一实施例中，所述三电压供电功率放大器电路集成在一半导体衬底上。更具体的，在本发明一实施例中，所述三电压供电功率放大器电路应用CMOS工艺集成在一半导体衬底上。
在本发明一实施例中，控制单元300控制每一三电压供电功率放大器单元110的供电电压具体的为控制每一个三电压供电功率放大器单元110在其三个供电电压中选择其一作为其供电电压(如选择第一电源电压VDD1、第二电源电压VDD2和第三电源电压VDD3中的其一作为三电压供电功率放大器单元100的供电电压)。更具体的，控制单元300控制每一三电压供电功率放大器单元110中的第一支路、第二支路和第三支路中的其中一支路导通，其它路关断，以使与导通的支路连接的供电电压为三电压供电功率放大器单元110供电。
具体的，请参阅图6a-6c，图6a为本发明一实施例的由第三电源电压VDD3供电的三电压供电功率放大器单元的示意图，图6b为本发明一实施例的由第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的示意图，图6c为本发明一实施例的由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的示意图。如图6a所示，三电压供电功率放大器单元110由第三电源电压VDD3供电时，控制电路控制第一支路导通，控制电路控制第二支路和第三支路关断。具体的，控制电路控制第一P型功率开关管MP1的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第三电源电压VDD3，第一方波输入信号的低电平为第二电源电压VDD2，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，这样由第三电源电压VDD3供电的第一支路导通，第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2，这样由第二电源电压VDD2供电的第二支路关闭，并且不会有漏电路径，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接第一电源电压VDD1，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1，这样由第一电源电压VDD1供电的第三支路关闭，并且不会有漏电路径，保证了第一支路正常工作。
如图6b所示，三电压供电功率放大器单元110由第二电源电压VDD2供电时，控制电路控制第二支路导通，控制电路控制第一支路和第三支路关断。具体的，控制电路控制第四P型功率开关管MP4的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第二电源电压VDD2，第一方波输入信号的低电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第四N型功率开关管MN4的门极接收第三电源电压VDD3，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，这样由第二电源电压VDD2供电的第二支路导通，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，这样由第三电源电压VDD3供电的第一支路关闭，并且不会有漏电路径，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1，这样由第一电源电压VDD1供电的第三支路关闭，并且不会有漏电路径，保证了第二支路正常工作。
如图6c所示，三电压供电功率放大器单元110由第一电源电压VDD1供电时，控制电路控制第三支路导通，控制电路控制第一支路和第二支路关断。具体的，控制电路控制第五P型功率开关管MP5的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第一方波输入信号的低电平为地电位，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第五N型功率开关管MN5的门极接收第二电源电压VDD2，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第三P型功率开关管MP3的门极接地，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，这样由第一电源电压VDD1供电的第三支路导通，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，这样由第三电源电压VDD3供电的第一支路关闭，并且不会有漏电路径；第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接地，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2，这样由第二电源电压VDD2供电的第二支路关闭，并且不会有漏电路径，保证了第三支路正常工作。
在图6a-6c的实施例中，第三电源电压VDD3大于第二电源电压VDD2，第二电源电压VDD2大于第一电源电压VDD1，第一电源电压VDD1大于地电位。具体的，在本发明一实施例中，第三电源电压VDD3为3.6V，第二电源电压VDD2为2.4V，第一电源电压VDD1为1.2V。如上所述，与第一支路、第二支路和第三支路串联一个第三P型功率开关管MP3，以分压而防止最高电位供电时功率开关管击穿。
请再参阅图7a-7f，图7a-7f为图4所示的三电压供电功率放大器电路的工作过程和对应的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线示意图，如图7a-7f所示，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，如图7a所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元110全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，如图7b所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退第一回退值(如3.5dB)区间内，部分三电压供电功率放大器单元110由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元110由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度；在第三工作阶段中，如图7c所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退到第一回退值(如3.5dB)时，三电压供电功率放大器单元110全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，如图7d所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退到第一回退值(如3.5dB)与第二回退值(如9.5dB)区间内，部分三电压供电功率放大器单元110由第二电源电压VDD2供电，其余部分三电压供电功率放大器单元110由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度；在第五工作阶段中，如图7e所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退到第二回退值(如9.5dB)时，三电压供电功率放大器单元110全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，如图7f所示，黑色圆点表示此时功率放大器工作在功率回退的点，在功率回退到第二回退值(如9.5dB)之后，部分三电压供电功率放大器单元110由第一电源电压VDD1供电，部分三电压供电功率放大器单元110接GND，即接地(此时对应的三电压供电功率放大器单元110关闭，三电压供电功率放大器单元110的输入端不接收方波信号)，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度。
在本发明一实施例中，上述三电压供电功率放大器采用OFDM调制方式。
在本发明一实施例中，第一方波输入信号和第二方波输入信号为非交叠的输入信号，例如，第一方波输入信号和第二方波输入信号的频率相同，但占空比不同。
如图7a-7f所示，本发明一实施例提供的三电压供电功率放大器在功率回退区间实现了两个效率尖峰，大大的提升了功率回退区间的效率，进而提高了三电压供电功率放大器的平均效率。另请参阅图8，图8为本发明实施例的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线与现有技术的开关电容射频功率放大器的效率随输出功率的变化曲线的对比示意图。如图8所示本发明提供的三电压供电功率放大器的效率在功率回退期间有两个效率尖峰，且将开关电容射频功率放大器的效率曲线整体太高，因此大大的提升了功率回退区间的效率，进而提高了三电压供电功率放大器的平均效率。
也即在本发明一实施例中，根据输出功率的大小通过不同的供电电压组合改变供电电压的大小，在功率回退区间实现两个效率尖峰，提升平均效率，且三电压供电功率放大器可以实现三电压的切换，实现了功率可调，同时保证不会存在漏电路径以及击穿问题。根据本发明的原理，通过对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，可以得到更多电压供电的功率放大器，以在功率回退区间实现更多个效率尖峰，提升平均效率。
在本发明一实施例中，还提供一种半导体集成电路，包括半导体衬底，在衬底上集成上述的三电压供电功率放大器电路。
在本发明一实施例中，还提供一种三电压供电功率放大器装置。请参阅图9，图9为本发明一实施例的三电压供电功率放大器装置框图。如图9所示，幅度信号AM输入至解码模块910，经过解码模块910解码之后的输出信号的一部分输入至供电电压控制模块920，供电电压控制模块920输出三电压供电功率放大器970中的三电压供电功率放大器单元(PA)的供电电压选择控制信号(VDD1CTRL,VDD2CTRL和VDD3CTRL)，以控制每一个三电压供电功率放大器单元在其三个供电电压中选择其一作为其供电电压，输出信号的另一部分输出至幅度信号控制模块930，经幅度信号控制模块930后输出幅值信号Amplitude，相位信号PM经过可调谐相位延迟模块940后和幅值信号Amplitude经过与门后输出到非交叠时钟和电平转换模块950，非交叠时钟和电平转换模块950的输出信号输入到三电压供电功率放大器970中的三电压供电功率放大器单元，三电压供电功率放大器单元的输出连接到其对应的单位电容(C1,C2……Cn)的一端上，各单位电容的另一端经过带通网络960输出射频信号，其中三电压供电功率放大器970的效率在功率回退期间有两个效率尖峰。
更具体的，如上所述，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元110全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，在功率回退第一回退值(如3.5dB)区间内，部分三电压供电功率放大器单元110由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元110由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度；在第三工作阶段中，在功率回退到第一回退值(如3.5dB)时，三电压供电功率放大器单元110全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，在功率回退到第一回退值(如3.5dB)与第二回退值(如9.5dB)区间内，部分三电压供电功率放大器单元110由第二电源电压VDD2，其余部分三电压供电功率放大器单元110由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度；在第五工作阶段中，在功率回退到第二回退值(如9.5dB)时，三电压供电功率放大器单元110全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，在功率回退到第二回退值(如9.5dB)之后，部分三电压供电功率放大器单元110由第一电源电压VDD1供电，部分三电压供电功率放大器单元110接GND，即接地(此时三电压供电功率放大器单元110关闭，三电压供电功率放大器单元110的输入端不接收方波信号)，此时效率小于效率的最大值(功率回退0dB时的效率值)，另通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元110的个数控制功率回退程度。
综上所述，通过使三电压供电功率放大器单元包括三个供电电压，根据输出功率的大小通过不同的供电电压组合改变供电电压的大小，在功率回退区间实现两个效率尖峰，提升平均效率，且三电压供电功率放大器可以实现三电压的切换，实现了功率可调，同时保证不会存在漏电路径以及击穿问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (22)

1.一种三电压供电功率放大器电路，其特征在于，包括：
三电压供电功率放大器，包括:
多个三电压供电功率放大器单元，每一三电压供电功率放大器单元包括三个供电电压，多个三电压供电功率放大器单元互相耦接，其中，每一三电压供电功率放大器单元包括由第一P型功率开关管MP1和第二P型功率开关管MP2串联连接构成的第一支路，其中第一P型功率开关管MP1的源端S连接第三电源电压VDD3，第一P型功率开关管MP1的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的源端S；由第四N型功率开关管MN4和第四P型功率开关管MP4串联构成的第二支路，其中第四N型功率开关管MN4的漏端D连接第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的源端S连接第四P型功率开关管MP4的源端S，第四P型功率开关管MP4的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D；以及由第五N型功率开关管MN5和第五P型功率开关管MP5串联构成的第三支路，其中第五N型功率开关管MN5的漏端D连接第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的源端S连接第五P型功率开关管MP5的源端S，第五P型功率开关管MP5的漏端D连接第二P型功率开关管MP2的漏端D，更包括第三P型功率开关管MP3、第三N型功率开关管MN3、第二N型功率开关管MN2和第一N型功率开关管MN1，第二P型功率开关管MP2的漏端D连接第三P型功率开关管MP3的源端S,第三P型功率开关管MP3的漏端D连接第三N型功率开关管MN3的漏端D,第三N型功率开关管MN3的源端S连接第二N型功率开关管MN2的漏端D,第二N型功率开关管MN2的源端S连接第一N型功率开关管MN1的漏端D,第一N型功率开关管MN1的源端S接地，第三P型功率开关管MP3与第三N型功率开关管MN3的共节点为三电压供电功率放大器单元的输出端，用于输出一方波信号；
多个电容，其中一电容的一端连接一三电压供电功率放大器单元的输出端；
一带通匹配网络，多个电容的另一端连接带通匹配网络的一端，带通匹配网络的另一端用于输出三电压供电功率放大器的输出信号；以及
控制单元，连接三电压供电功率放大器，用于控制每一三电压供电功率放大器单元的供电电压。
2.根据权利要求1所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，所述控制单元控制每一三电压供电功率放大器单元的供电电压，为控制选择第三电源电压VDD3、第二电源电压VDD2、第一电源电压VDD1其中之一作为每一个三电压供电功率放大器单元的供电电压。
3.根据权利要求2所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，所述控制单元控制每一三电压供电功率放大器单元中的第一支路、第二支路和第三支路中的其中一支路导通，其它路关断，以使与导通的支路连接的供电电压为三电压供电功率放大器单元供电。
4.根据权利要求3所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电时，控制电路控制第一支路导通，控制电路控制第二支路和第三支路关断。
5.根据权利要求4所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，控制电路控制第一P型功率开关管MP1的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第三电源电压VDD3，第一方波输入信号的低电平为第二电源电压VDD2，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接第一电源电压VDD1，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1。
6.根据权利要求3所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电时，控制电路控制第二支路导通，控制电路控制第一支路和第三支路关断。
7.根据权利要求6所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，控制电路控制第四P型功率开关管MP4的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第二电源电压VDD2，第一方波输入信号的低电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第四N型功率开关管MN4的门极接收第三电源电压VDD3，第四N型功率开关管MN4的衬底接第一电源电压VDD1，第三P型功率开关管MP3的门极接收第一电源电压VDD1，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，第五N型功率开关管MN5的门极接收第一电源电压VDD1，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第五P型功率开关管MP5的门极接收第一电源电压VDD1。
8.根据权利要求3所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电时，控制电路控制第三支路导通，控制电路控制第一支路和第二支路关断。
9.根据权利要求8所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，控制电路控制第五P型功率开关管MP5的门极接收第一方波输入信号，第一N型功率开关管MN1的门极接收第二方波输入信号，其中第一方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第一方波输入信号的低电平为地电位，第二方波输入信号的高电平为第一电源电压VDD1，第二方波输入信号的低电平为地电位，第五N型功率开关管MN5的门极接收第二电源电压VDD2，第五N型功率开关管MN5的衬底接地，第三P型功率开关管MP3的门极接地，第二N型功率开关管MN2和第三N型功率开关管MN3的门极接收第一电源电压VDD1，第一P型功率开关管MP1的门极接收第三电源电压VDD3，第二P型功率开关管MP2的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的门极接收第二电源电压VDD2，第四N型功率开关管MN4的衬底接地，第四P型功率开关管MP4的门极接收第二电源电压VDD2。
10.根据权利要求1、5、7或9任一项所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，第三电源电压VDD3大于第二电源电压VDD2，第二电源电压VDD2大于第一电源电压VDD1，第一电源电压VDD1大于地电位。
11.根据权利要求10所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，第三电源电压VDD3为3.6V，第二电源电压VDD2为2.4V，第一电源电压VDD1为1.2V。
12.根据权利要求1所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，在功率回退第一回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值；在第三工作阶段中，在功率回退到第一回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，在功率回退到第一回退值与第二回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值；在第五工作阶段中，在功率回退到第二回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，在功率回退到第二回退值之后，部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，其余部分三电压供电功率放大器单元接GND，此时效率小于效率的最大值。
13.根据权利要求12所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，在第二工作阶段中，通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
14.根据权利要求12所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，第四工作阶段中，通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
15.根据权利要求12所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，在第六工作阶段中，通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
16.根据权利要求1所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器采用OFDM调制方式。
17.根据权利要求5、7或9任一项所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，第一方波输入信号和第二方波输入信号为非交叠的输入信号。
18.根据权利要求1所述的三电压供电功率放大器电路，其特征在于，三电压供电功率放大器电路集成在一半导体衬底上。
19.一种半导体集成电路，其特征在于，包括半导体衬底，在衬底上集成权利要求1所述的三电压供电功率放大器电路。
20.一种三电压供电功率放大器装置，其特征在于，包括：幅度信号AM输入至解码模块，经过解码模块解码之后的输出信号的一部分输入至供电电压控制模块，供电电压控制模块输出三电压供电功率放大器中的三电压供电功率放大器单元的供电电压选择控制信号，以控制每一个三电压供电功率放大器单元在其三个供电电压中选择其一作为其供电电压，输出信号的另一部分输出至幅度信号控制模块，经幅度信号控制模块后输出幅值信号Amplitude，相位信号PM经过可调谐相位延迟模块后和幅值信号Amplitude经过与门后输出到非交叠时钟和电平转换模块，非交叠时钟和电平转换模块的输出信号输入到三电压供电功率放大器中的三电压供电功率放大器单元，三电压供电功率放大器单元的输出连接到其对应的单位电容的一端上，各单位电容的另一端经过带通网络输出射频信号，其中三电压供电功率放大器的效率在功率回退期间有两个效率尖峰。
21.根据权利要求20所述的三电压供电功率放大器装置，其特征在于，三电压供电功率放大器包括六个工作阶段，其中在第一工作阶段中，在功率回退0dB时，三电压供电功率放大器单元全由第三电源电压VDD3供电，此时效率最大；在第二工作阶段中，在功率回退第一回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第三电源电压VDD3供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，此时效率小于效率的最大值；在第三工作阶段中，在功率回退到第一回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第二电源电压VDD2供电，此时效率又回到最大值；在第四工作阶段中，在功率回退到第一回退值与第二回退值区间内，部分三电压供电功率放大器单元由第二电源电压VDD2供电，其余部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，此时效率小于效率的最大值；在第五工作阶段中，在功率回退到第二回退值时，三电压供电功率放大器单元全由第一电源电压VDD1供电，此时效率又回到最大值；在第六工作阶段中，在功率回退到第二回退值之后，部分三电压供电功率放大器单元由第一电源电压VDD1供电，其余部分三电压供电功率放大器单元接GND，此时效率小于效率的最大值。
22.根据权利要求21所述的三电压供电功率放大器装置，其特征在于，在第二工作阶段中，通过控制由第三电源电压VDD3供电和第二电源电压VDD2供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度；第四工作阶段中，通过控制由第二电源电压VDD2供电和第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度；在第六工作阶段中，通过控制由第一电源电压VDD1供电的三电压供电功率放大器单元的个数控制功率回退程度。
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