CN111756339A - 一种可切换工作功率的双模式功率放大器及模式切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可切换工作功率的双模式功率放大器及模式切换方法，该功率放大器包括：输入变压器，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；输出变压器，包括与所述输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；多个功率放大支路，每一所述功率放大支路包括中间开关和功率放大管，每一个所述输出抽头经过一个所述功率放大支路和一个所述输入抽头连接；所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的N路通过功率放大支路与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号，本发明提高了功率放大器的性能，同时工艺更简单。

Description

一种可切换工作功率的双模式功率放大器及模式切换方法
本申请是名称为：一种可切换工作功率的双模式功率放大器及模式切换方法、申请日为：2018年12月7日、申请号为：2018114948633的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种功率放大器及模式切换方法，尤其是涉及一种可切换工作功率的双模式功率放大器及模式切换方法。
背景技术
功率放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成；被广泛用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
输出功率和功率转换效率是功率放大器的两个主要性能指标。对于大多数常用的功率放大器类别(A/B/C/D/E/F/F-1等)其最佳功率转换效率与最大输出功率相对应，当输出较低功率时其功率转换效率也会随之降低。因此，传统单个功率放大器结构很难在不同输出功率下实现高功率转换效率。
由于功率放大器的最大输出功率及其对应的最佳功率转换效率由功率放大器的负载线决定，为了实现不同输出功率下的高功率转换效率，可以在系统中集成多组功率放大器。各组功率放大器分别采用不同的负载线，分别对应不同的最大输出功率，系统工作时可根据功率需求开启相应功率放大器。这种方式的缺点在于，需要在有限的空间内集成两组甚至多组功率放大器，不仅增加了制造/物料成本，往往在工程应用中也难以实现。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明在此的目的之一在于提供一种可实现前级负载线和输出级负载线切换，进而实现最大输出功率切换的可切换工作功率的双模式功率放大器。
为了实现本发明的目的，在此提供的可切换工作功率的双模式功率放大器包括：
输入变压器，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器，包括与所述输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
中间开关和功率放大管，所述输入变压器的多个输出抽头分别经所述中间开关和所述功率放大管与所述输出变压器的输入抽头连接，所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的一路或一路以上与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号；以及
第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间。
进一步的，所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头与所述第一匹配电容之间连接有转换开关。
进一步的，所述中间开关和所述转换开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的SOI芯片上，或集成在功率放大器芯片上。
进一步的，所述中间开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的SOI芯片上，或集成在功率放大器芯片上。
进一步的，还包括输入匹配电路和前级放大器，所述输入变压器输入线圈上加载的待放大信号经所述输入匹配电路进行匹配和所述前级放大器进行放大后加载。
进一步的，所述输入匹配电路包括输入滤波电路。
进一步的，还包括输出匹配电路，所述输出变压器输出线圈输出的放大信号经输出匹配电路后输出。
进一步的，所述输出匹配电路包括输出滤波电路和开关组，所述输出变压器输出线圈输出的放大信号依次经所述输出滤波电路滤波后加载于所述开关组上，并经所述开关组输出。
进一步的，该双模式功率放大器还包括主要由选择开关S和电容C构成选择电路，所述选择电路串联于所述输出变压器输入线圈的两端抽头之间。通过选择电路的可以根据具体情况选择输出变压器输入线圈抽头中某两组抽头导通，从而构成高功率导通，低功率断开，或者高功率断开，低功率导通。
本发明的有益效果是：本发明所提供的功率放大器采用多抽头输入变压器，通过控制与抽头连接的中间开关的开启/关断，实现了前级负载线和输出级负载线切换，使功率放大器构成不同的工作状态，以达到不同最大输出功率下的最佳性能。
利用转换开关控制匹配电容的容值，对输出级负载线进行调整，更进一步地保证了本发明所提供的功率放大器的性能。
将中间开关、转换开关利用CMOS/phemt/bihemt/SeGe/SOI等工艺集成于一个独立的芯片上，或利用CMOS/phemt/bihemt/SeGe/SOI等工艺集成于功率放大器芯片上，易于实现。
附图说明
图1为本发明所提供的功率放大器的原理框图；
图2为本发明记载的功率放大器的电路原理图；
图3为本发明所记载的偏置电路的电路原理图；
图4为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之一；
图5为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之二；
图6为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之三；
图7为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之四；
图8为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之五；
图9为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之六；
图10为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之七；
图11为本发明所记载的输出匹配电路的电路原理图之八。
具体实施方式
在此结合附图和具体实施方式对本申请所要求保护的技术方案作进一步的详细说明。
本发明在此要求保护的技术方案是一种可切换工作功率的双模式功率放大器及基于该功率放大器的模式切换方法，其中，该可切换工作功率的双模式功率放大器的原理框图如图1所示，其包括了
输入变压器T1，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器T2，包括与输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
中间开关和功率放大管，输入变压器的多个输出抽头分别经中间开关和功率放大管与输出变压器的输入抽头连接，中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的一路或一路以上与输出变压器的输入抽头连通，经输出变压器变压后输出放大信号；以及
第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间。
该功率放大器中输入变压器输出抽头和输出变压器的输入抽头数量可以采用2、4、6或者其它；所记载的功率放大管可以采用场效应管，也可以采用晶体三极管。在此以输入、输出变压器为4抽头，功率放大管为晶体场效应管的为例更进一步地介绍本发明所公开的功率放大器，如图2所示。输入变压器T1的输出线圈上包括了抽头1、抽头2、抽头3和抽头4，与其相匹配的输出变压器T2的输入线圈上包括抽头5、抽头6、抽头7和抽头8。抽头1经中间开关S1和电容C1连接至功率放大管Q1的基极，功率放大管Q1的集电极接抽头5，发射极接地；抽头2经中间开关S2和电容C2连接至功率放大管Q2的基极，功率放大管Q2的集电极接抽头6，发射极接地；抽头3经中间开关S3和电容C3连接至功率放大管Q3的基极，功率放大管Q3的集电极接抽头7，发射极接地；抽头4经中间开关S4和电容C4连接至功率放大管Q4的基极，功率放大管Q4的集电极接抽头8，发射极接地；抽头5和抽头8分别经第一匹配电容C5和第二匹配电容C6接地，两者构成并联关系。
输入变压器T1输入线圈的一端分别接电源VCC1和经电容C9接地，另一端加载待放大信号，中间开关S1～S4的导通受外部控制信号的控制；输出变压器T2输出线圈的一端接地，另一端输出放大信号。
本发明所提供的功率放大器的工作状态分为E类功率放大器工作状态和F-1类功率放大器工作状态，在输入变压器T1的输入线圈上加载待放大信号，并加载控制信号于中间开关S1～S4上，使中间开关S1和中间开关S4导通或中间开关S2和中间开关S3导通；当中间开关S1和中间开关S4导通时，功率放大管Q1和功率放大管Q4导通，将待放大信号加载于输出变压器T2的输入线圈的抽头5和抽头8上，负载线由第一匹配电容C5和输出变压器T2组成，此时功率放大器处于E类功率放大器工作状态。
当加载的控制信号使中间开关S2和中间开关S3导通时，功率放大管Q2和功率放大管Q3导通，将待放大信号加载于输出变压器T2的输入线圈的抽头6和抽头7上，负载线由附图2中实线矩形框内的第二匹配电容C6、附图2中实线矩形框内的抽头5及抽头6之间的电感部分和附图2中实线矩形框内的抽头7及抽头8之间的电感部分形成3阶谐波阻抗，此时F-1类功率放大器工作状态。
为了能够更好地对功率放大器的负载线进行调整，在以上方案的基础上增加转换开关S5和转换开关S6，转换开关S5串联于抽头1和第一匹配电容C5之间，转换开关S6串联于抽头8和第一匹配电容C5之间。转换开关S5和转换开关S6的导通受外部控制信号控制，通过转换开关可以控制匹配电容的容值。
此外，本发明提供的双模式功率放大器还包括主要由选择开关S和电容C构成选择电路，所述选择电路串联于所述输出变压器输入线圈的两端抽头之间。
为了使功率放大管不失真地将信号电压放大，本发明所提供的功率放大器还包括偏置电路，该偏置电路的电路原理图如图3所示，其包括了与功率放大管数量相等的偏置支路，每路偏置支路包括一个输出端，输出的控制信号加载于功率放大管的控制端上。每路偏置支路均包括开关管T1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C7、二极管D1和二极管D2，开关管T1的电源端经电阻R1接外部控制信号(如电源)，电阻R2接在开关管T1的输出端；开关管T1的控制端经电容C7接地，开关管T1的控制端还连接至二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极接地；开关管T1的控制端还经电阻R3接外部控制信号。其中，开关管T1可以采用晶体三极管或场效应管。
为了保证加载于输入变压器T1上的信号稳定性，该功率放大器还包括对待放大信号进行滤波的输入匹配电路和前级放大器Q5，该输入匹配电路的包括输入滤波电路，其中输入滤波电路可以采用现有的任何一种电容滤波电路，电感滤波电路，RC滤波电路和LC滤波电路中的任何一种。在此采用的输入滤波电路包括电容C8、电容C10和电感L1，电容C8的第一极板作为输入端，用于加载信号，第二极板经电容C10连接至前级放大器Q5的控制端，电容C8的第二极板还通过电感L1接地，前级放大器Q5的电源端接地，输出端接输入变压器T1的输入线圈。其中，前级放大器Q5可以采用晶体三极管或场效应管。
为实现功率放大器所需频带带宽及谐波抑制，该功率放大器还包括对输出变压器T2输出的信号进行滤波的输出匹配电路，其包括输出滤波电路和由若干开关构成的开关组。其中输出滤波电路可以由电容和电感构成以下任何一种：1、低通滤波电路，其电路连接关系如图4所示，包括了电容C11、电容C12、电感L2和电感L3，电感L2的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L3连接至开关组；电感L2与电感L3相连接的一端还通过电容C11接地，电感L3与开关组连接的一端通过电容C12接地。
2、高通低通电路，其电路连接关系如图5所示，包括了电容C13、电感L4、电感L5和电容C14，电容C13的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，第二极板经电感L5连接至开关组；电容C13的第二极板还通过电感L4接地，电感L5与开关组连接的一端通过电容C14接地。
3、低通陷波电路，其电路连接关系如图6所示，包括了电容C15、电容C16、电感L6、电感L7、电感L8和电感L9，电感L6的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L7连接至开关组；电感L6与电感L7相连接的一端还通过电容C15和电感L8接地，电感L7与开关组连接的一端通过电容C16和电感L9接地。
4、高通低通陷波电路，其电路连接关系如图7所示，包括了电感L10、电感L11、电感L12、电容C17和电容C18；电容C17的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L11连接至开关组；电容C17与电感L11相连接的一端还通过电感L10接地，电感L11与开关组连接的一端通过电感L12和电容C18接地。
以上四种滤波电路中所记载的开关组可以由4个、6个、8个或其它个数的开关构成，在此采用的由开关S7～S11构成，每个开关作为一路输出，其通断受外部控制信号控制；构成开关组的开关可以集成于一个单独的芯片上，其工艺可选择SOI/CMOS/PHEMT/BIHEMT/SeGe等。
此外，本申请所记载的输出匹配电路除以上几种结构外，还可以采用以下几种结构中的一种：
A、如图8所示，输出匹配电路包括电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电容C19、电容C20、电容C21、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电感L13的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端分别通过电感L15和电感L16接开关组A和开关组B；电感L13接电感L15和电感L16的一端还通过电容C19和电感L14接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C20和电感L17接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C21和电感L18接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
B、如图9所示，输出匹配电路包括电容C29、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电容C20、电容C21、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电容C29的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，第二极板分别通过电感L15和电感L16接开关组A和开关组B；电容C29的第二极板还通过电感L14接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C20和电感L17接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C21和电感L18接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
C、如图10所示，包括电容C22～电容C26,、电感L19、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电容C12的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端分别通过电容C23和电容C24接开关组A和开关组B；电容C22接电容C23和电容C24的一端还通过电感L19接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C25接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C26接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
D、如图11所示，包括电容C27、电容C28、电感L20、开关组C、独立开关S14和独立开关S15，输出变压器T2的输出端经独立开关S14和电容C27接地，输出变压器T2的输出端还经电感L20接开关组C，电感L20接开关组C的一端还通过独立开关S15和电容C28接地。开关组C包括由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出；构成开关组C的若干开关、独立开关S14和独立开关S15可以独立设置，也可以集成在一个独立的SOI芯片上。其中，电容C27和电容C28构成陷波电路，除了采用由本申请所记载的电容C27和电容C28构成外，还可以采用现有的任何一种陷波电路，如将电容C27和电容C28更换为电感，或分别在电容C27和电容C28所处支路上串联电感，构成电容+电感串联电路。
以上A、B和C中所记载的构成开关组A和开关组B的若干开关、独立开关S12和独立开关S13可以独立设置，也可以集成在一个独立的SOI芯片上。
本申请所记载的中间开关和转换开关可以独立设置，也可以两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，如将中间开关S1和中间开关S4作为一组，开关S2和中间开关S3作为一组，转换开关S5和转换开关S6作为一组，或者中间开关S1～S4作为一组，或者中间开关S1～S4、转换开关S5和转换开关S6作为一组，或者其他组合。
本发明所提供的双模式功率放大器可以为分布式电路结构，也可以将所有元器件采用bihemt/SOI/phemt/CMOS/SeGe等工艺集成于一个芯片上，构成集成电路；还可以是将其中一部分元器件集成于一个芯片上，另一部分元器件集成于一个芯片上，通过信号线连接各芯片，例如将中间开关两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，转换开关两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，输出匹配电路，输入匹配电路、前级放大器、输入变压器和输出变压器集成在一个独立的SOI芯片上，各独立的SOI芯片通过信号线连接。
本发明所记载的输入变压器T1、输出变压器T2可以采用现有的任何一种变压器，在此采用的是平衡-不平衡变换器(Balun)。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：该功率放大器包括：
输入变压器，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器，包括与所述输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
多个功率放大支路，每一所述功率放大支路包括中间开关和功率放大管，每一个所述输出抽头经过一个所述功率放大支路和一个所述输入抽头连接；
所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的N路通过功率放大支路与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号，其中，N为偶数。
2.根据权利要求1所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于,包括四个功率放大支路；所述输入变压器包括四个输出抽头，所述输出变压器包括四个输入抽头；
所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器四个输出抽头中的两路通过功率放大支路与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号。
3.根据权利要求1或2所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：还包括第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间。
4.根据权利要求1或2所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头与所述第一匹配电容之间连接有转换开关。
5.根据权利要求1或2所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路包括输出滤波电路和开关组，所述输出变压器输出线圈输出的放大信号依次经所述输出滤波电路滤波后加载于所述开关组上，并经所述开关组输出。
6.根据权利要求5所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：所述开关组包括一个输入端和多个输出端，所述输出变压器输出线圈输出的放大信号依次经所述输出滤波电路滤波后加载于所述开关组的所述输入端上，并经所述开关组的至少一所述输出端输出。
7.根据权利要求6所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：所述开关组由M个开关构成，每一所述开关作为一路输出，每一所述开关的通断受外部控制信号控制，其中，M为偶数。
8.根据权利要求7所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：所述开关组的每一所述开关独立设置，或者，集成于一个单独的芯片上。
9.根据权利要求1所述的可切换工作功率的双模式功率放大器，其特征在于：还包括主要由选择开关S和电容C构成选择电路，所述选择电路串联于所述输出变压器输入线圈的两端抽头之间。
10.权利要求1-9任意一项所述的可切换工作功率的双模式功率放大器的模式切换方法，其特征在于：该方法将待放大信号加载于所述输入变压器的输入线圈上，在中间开关上加载控制信号使部分中间开关导通，与导通的中间开关串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的N路与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号，其中，N为偶数。
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