CN111969967B - 一种低电压e类功率放大器、方法、芯片及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低电压E类功率放大器、方法、芯片及设备，属于集成电路技术领域。该低电压E类功率放大器包括：驱动级模块，其对差分输入信号进行预放大处理；功率级放大模块，其对差分输入信号进行放大；以及级间匹配模块，其采用变压器结构，对驱动级模块和功率级放大模块进行匹配连接。本申请的应用保证驱动信号和输出信号的功率水平，在低功耗工作的情况下实现较高的效率，简化负载回路设计的难度。通过差分结构，能够有效抑制共模信号，减小噪声，提高线性度。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，特别是一种低电压E类功率放大器、方法、芯片及设备。
背景技术
近年来，随着射频集成电路技术的迅速发展，日常生活中使用到了许多无线通信产品，而不断增长的低功耗，低成本和便携性要求对这些无线通信产品设计提出了更高的标准。目前，利用CMOS(互补金属氧化物半导体）工艺集成单芯片射频收发机已经有很多成功案例，但是在射频收发机前端片上集成高性能功率放大器（Power Amplifier, PA)仍然是一个巨大的挑战。由于功率放大器具有高输出功率，在整个系统中占据功耗的绝大部分，故功率放大器的功率效率就显得尤为关键，是系统性能的重要指标。而采用CMOS技术单片集成高效率功率放大器，又受到器件较低的击穿电压、较小的电流驱动能力和较高衬底损耗的影响，很难达到。功率放大器在类型上分为许多种，其中A、B、AB、C类功放为传统功放，在工作时晶体管处于放大状态，可等效为电流源，但效率一般较低；而D类、E类、F类功放为非线性功放，其中E类功放工作时晶体管可以等效为开关，且理论上具有100%的效率，可广泛应用于恒包络调制信号放大，如FM及GMSK等通信系统信号。
随着半导体工艺的快速发展，基于CMOS工艺的射频功率放大器愈加受到重视。如今，在生活中的各方面，比如无线电能传输、物联网以及未来的可穿戴装置中，功率放大器有着重要的应用。而且对相关产品小型化和便携性的追求，也促使人们提高功率放大器的效率。传统Bulk-CMOS工艺的功率放大器寄生电容较大，运行速度慢，漏电流较大，且具有闩所效应，衬底中会存在的脉冲电流干扰，增加了软错误的发生率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本申请提供了一种低电压E类功率放大器、方法、芯片及设备。
在本申请的一个技术方案中，提供一种低电压E类功率放大器，包括：驱动级模块，其对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，第一反相器的输入端连接差分输入信号的正相输入端，第二反相器的输入端连接差分输入信号的反相输入端，第一反相器的输出端连接第一电容的一端，第二反相器的输出端连接第一电容的另一端；功率级放大模块，其对预放大处理后的差分输入信号进行放大，包括第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，其中，第二电容的一端连接第二MOS管的栅极，第二电容的另一端连接第三MOS管的栅极，第二MOS管的漏极接地，第二MOS管的源极连接第一MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第四MOS管的源极，第三MOS管的源极接地，第一MOS管的栅极和第四MOS管的栅极连接一定数值的偏置电压；以及级间匹配模块，其采用变压器结构，对驱动级模块和功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，第一变压器的输入端的一端连接第一电容的一端，第一变压器的输入端的另一端连接第一电容的另一端，第一变压器的输出端的一端连接第二电容的一端，第一变压器的输出端的另一的端连接第二电容的另一端。
在本申请的另一个技术方案中，提供一种低电压功率放大方法，包括：通过驱动级模块对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，第一反相器的输入端连接差分输入信号的正相输入端，第二反相器的输入端连接差分输入信号的反相输入端，第一反相器的输出端连接第一电容的一端，第二反相器的输出端连接第一电容的另一端；通过功率级放大模块对预放大处理后的差分输入信号进行放大，包括第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，其中，第二电容的一端连接第二MOS管的栅极，第二电容的另一端连接第三MOS管的栅极，第二MOS管的漏极接地，第二MOS管的源极连接第一MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第四MOS管的源极，第三MOS管的源极接地，第一MOS管的栅极和第四MOS管的栅极连接一定数值的偏置电压；以及通过采用变压器结构的级间匹配模块对驱动级模块和功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，第一变压器的输入端的一端连接第一电容的一端，第一变压器的输入端的另一端连接第一电容的另一端，第一变压器的输出端的一端连接第二电容的一端，第一变压器的输出端的另一端连接第二电容的另一端。
在本申请的另一个技术方案中，提供一种芯片，其含有方案一中的低电压E类功率放大器。
在本申请的另一个技术方案中，提一种无线通信设备，其含有方案三中的芯片。
本申请的有益效果是：本申请的应用保证驱动信号和输出信号的功率水平，在低功耗工作的情况下实现较高的效率，简化负载回路设计的难度。通过差分结构，能够有效抑制共模信号，减小噪声，提高线性度。
附图说明
图1是本申请低电压E类功率放大器的一个具体实施方式的组成功能示意图；
图2是本申请低电压E类功率放大器的一个具体实施方式的结构示意图；
图3是本申请低电压功率放大方法的一个具体实施方式的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1示出了本申请低电压E类功率放大器的一个具体实施方式。
在图1所示的具体实施方式中，本申请的低电压E类功率放大器包括第一级的驱动级模块，其对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，第一反相器的输入端连接差分输入信号的正相输入端，第二反相器的输入端连接差分输入信号的反相输入端，第一反相器的输出端连接第一电容的一端，第二反相器的输出端连接第一电容的另一端。
在本申请的一个实例中，差分输入信号可以为正弦波信号，经过驱动级模块对差分输入的正弦波信号进行预放大处理，得到满摆幅的方波信号。本申请通过22nm FDSOI工艺设计的低电压E类功率放大器，通过包含驱动级模块在内的两级级联结构，提供足够的增益，保证驱动信号和输出信号的功率水平均达到设计要求。通过优化负载回路，改善漏极输出端电压和电流波的交叠，进而提升功放的效率。
图2示出了本申请低电压E类功率放大器的一个具体实施方式。
在图2所示的具体实施方式中，本申请的低电压E类功率放大器包括驱动级模块，其对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容C1。其中，差分输入信号输入驱动级模块的输入端，第一反相器的输入端连接差分输入信号的正相输入端，第二反相器的输入端连接差分输入信号的反相输入端，第一反相器的输出端连接第一电容C1的一端，第一反相器的输出端连接第一电容C1的另一端。
在本申请的一个具体实施例中，第一反相器包括第五MOS管M5，第六MOS管M6，其中第五MOS管M5的栅极与第六MOS管M6的栅极连接，作为第一反相器的输入端，第五MOS管M5的漏极与第六MOS管M6的漏极连接，作为第一反相器的输出端，其中第五MOS管M5的源极连接第一MOS管M1的漏极。
在本申请的一个具体实施例中，第二反相器包括第七MOS管M7，第八MOS管M8，其中第七MOS管M7的栅极与第八MOS管M8的栅极连接，作为二反相器的输入端，第七MOS管M7的漏极与第八MOS管M8的漏极连接，作为第一反相器的输出端，其中第七MOS管M7的源极连接第六MOS管M6的源极，第八MOS管M8的源极连接第四MOS管M4的源极。
在本申请的一个实例中，在第一级的驱动级模块中，通过设置合适的工作电源电压，通过第一反相器和第二反相器的设置将输入的正弦波小信号放大为满摆幅的方波大信号，进而对第二级的功率级放大模块进行驱动。
在图2所示的具体实施方式中，本申请的低电压E类功率放大器包括功率级放大模块，其对预放大处理后的差分输入信号进行放大，包括第二电容C2、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3以及第四MOS管M4，其中第二电容C2的一端连接第二MOS管M2的栅极，第二电容C2的另一端连接第三MOS管M3的栅极，第二MOS管M3的漏极接地，第二MOS管M2的源极连接第一MOS管M1的漏极，第三MOS管M3的漏极连接第四MOS管M4的源极，第三MOS管M3的源极接地，第一MOS管M1的栅极和第四MOS管M4的栅极连接一定数值的偏置电压Vb。
在图2所示的具体实施方式中，本申请的低电压E类功率放大器包括级间匹配模块，其采用变压器结构，对驱动级模块和功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，第一变压器的输入端的一端连接第一电容C1的一端，第一变压器的输入端的另一端连接第一电容C1的另一端，第一变压器的输出端的一端连接第二电容C2的一端，第一变压器的输出端的另一端连接第二电容C2的另一端。通过利用第一级的驱动级模块中MOS管漏极的寄生电容和第二级的功率级放大模块中MOS管栅极的寄生电容设置对应的变压器作为级间匹配，保证第一级的驱动级模块与第二级的功率级放大模块的稳定性。
在本申请的一个具体实施例中，第五MOS管M5、第七MOS管M7为P型MOS管，第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第六MOS管M6以及第八MOS管M8为N型MOS管。
在本申请的一个具体实施例中，本申请的低电压E类功率放大器还包括输出模块，其对经过功率级放大模块放大后的差分输入信号进行单端输出，包括第三电容C3，第二变压器以及第四电容C4，其中，第三电容C3的一端连接第一MOS管M1的源极，第三电容C3的另一端连接第四MOS管M4的源极，第二变压器输入端的一端连接第三电容C3的一端，第二变压器输入端的另一端连接述第三电容C3的另一端，第二变压器输出端的一端连接第四电容C4的一端和输出模块的输出端，第二变压器输出端的另一端连接第四电容C4的另一端以及连接地线。
在本申请的一个具体实施例中，第一变压器圈数比为1：1的初级绕组和次级绕组，第二变压器圈数比为1：2的初级绕组和次级绕组。
在本申请的一个具体实施例中，在本申请的低电压E类功率放大器中，可实现超低的工作电压进行功率放大能达到较高的功率，其中，低电压E类功率放大器的工作电压VDD可设置为0.5V。
在本申请的一个实例中，本申请的功率放大器的输出功率在4-8dBm范围，若在最大输出功率8dBm时，具有较高的效率，可设置0.5V的工作电压和第二变压器圈数比为1：2的初级绕组和次级绕组。通常情况下，功率放大器工作电压为1.2V或者3.3V，通过本申请的功率放大器可实现超低电压实现功率放大功能，并实现具有较高效率，降低电量消耗。在本申请的低电压E类功率放大器中，可根据实际的功率放大需求对工作电压和变压器的线圈比进行调整。例如，当需要提高输出功率到10dBm以上时，可对工作电压进行调整，但不超过1.2V，第二变压器初级线圈与次级线圈的线圈比为1:2至1:3之间。
本申请的低电压E类功率放大器应用保证驱动信号和输出信号的功率水平，在低功耗工作的情况下实现较高的效率，简化负载回路设计的难度。通过差分结构，能够有效抑制共模信号，减小噪声，提高线性度。
图3示出了本申请低电压功率放大方法的一个具体实施方式。
在图3所示的具体实施方式中，本申请的低电压功率放大方法包括：过程S301，通过驱动级模块对差分输入信号进行预放大处理，其中驱动级模块包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，差分输入信号输入驱动级模块的输入端，第一反相器的输入端连接差分输入信号的正相输入端，第二反相器的输入端连接差分输入信号的反相输入端，第一反相器的输出端连接第一电容的一端，第一反相器的输出端连接第一电容的另一端。过程S302，通过功率级放大模块对预放大处理后的差分输入信号进行放大。其中功率级放大模块包括第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，其中，第二电容的一端连接第二MOS管的栅极，第二电容的另一端连接第三MOS管的栅极，第二MOS管的漏极接地，第二MOS管的源极连接第一MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第四MOS管的源极，第三MOS管的源极接地，第一MOS管的栅极和第四MOS管的栅极连接一定数值的偏置电压。以及过程S303，通过采用变压器结构的级间匹配模块对驱动级模块和功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，第一变压器输入端的一端连接第一电容的一端，第一变压器输入端的另一端连接第一电容的另一端，第一变压器的输出端的一端连接第二电容的一端，第一变压器的输出端的另一端连接第二电容的另一端。
本申请的低电压功率放大方法应用保证驱动信号和输出信号的功率水平，在低功耗工作的情况下实现较高的效率，简化负载回路设计的难度。通过差分结构，能够有效抑制共模信号，减小噪声，提高线性度。
在本申请的一个具体实施方式中，一种芯片，其包含任一实施例描述的的低电压E类功率放大器。
在本申请的一个具体实施方式中，一种无线通信设备，其包含任一实施例描述的芯片。
在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种低电压E类功率放大器，其特征在于，包括：
驱动级模块，其对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，所述第一反相器的输入端连接所述差分输入信号的正相输入端，所述第二反相器的输入端连接所述差分输入信号的反相输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第一电容的一端，所述第二反相器的输出端连接所述第一电容的另一端；
功率级放大模块，其对预放大处理后的差分输入信号进行放大，包括第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，其中，所述第二电容的一端连接所述第二MOS管的栅极，所述第二电容的另一端连接所述第三MOS管的栅极，所述第二MOS管的漏极接地，所述第二MOS管的源极连接所述第一MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接所述第四MOS管的源极，所述第三MOS管的源极接地，所述第一MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接一定数值的偏置电压；以及
级间匹配模块，其采用变压器结构，对所述驱动级模块和所述功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，所述第一变压器的输入端的一端连接所述第一电容的一端，所述第一变压器的输入端的另一端连接所述第一电容的另一端，所述第一变压器的输出端的一端连接所述第二电容的一端，所述第一变压器的输出端的另一端连接所述第二电容的另一端。
2.如权利要求1所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，所述第一反相器包括第五MOS管，第六MOS管，其中所述第五MOS管的栅极与所述第六MOS管的栅极连接，作为所述第一反相器的输入端，所述第五MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极连接，作为所述第一反相器的输出端，其中所述第五MOS管的源极连接所述第一MOS管的漏极。
3.如权利要求2所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，所述第二反相器包括第七MOS管，第八MOS管，其中所述第七MOS管的栅极与所述第八MOS管的栅极连接，作为所述二反相器的输入端，所述第七MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极连接，作为所述第一反相器的输出端，其中所述第七MOS管的源极连接所述第六MOS管的源极，所述第八MOS管的源极连接所述第四MOS管的源极。
4.如权利要求3所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，所述第五MOS管、所述第七MOS管为P型MOS管，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第六MOS管以及第八MOS管为N型MOS管。
5.如权利要求1所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，还包括：
输出模块，其对经过所述功率级放大模块放大后的差分输入信号进行单端输出，包括
第三电容，第二变压器以及第四电容，其中，所述第三电容的一端连接所述第一MOS管的源极，所述第三电容的另一端连接所述第四MOS管的源极，所述第二变压器输入端的一端连接所述第三电容的一端，所述第二变压器输入端的另一端连接所述述第三电容的另一端，所述第二变压器输出端的一端连接所述第四电容的一端和所述输出模块的输出端，所述第二变压器输出端的另一端连接所述第四电容的另一端以及连接地线。
6.如权利要求5所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，所述第一变压器的圈数比为1：1和所述第二变压器的圈数比为1：2的初级绕组和次级绕组。
7.如权利要求1所述的低电压E类功率放大器，其特征在于，所述低电压E类功率放大器的工作电压为0.5V。
8.一种低电压功率放大方法，其特征在于，包括：
通过驱动级模块对差分输入信号进行预放大处理，包括第一反相器、第二反相器以及第一电容，其中，所述第一反相器的输入端连接所述差分输入信号的正相输入端，所述第二反相器的输入端连接所述差分输入信号的反相输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第一电容的一端，所述第二反相器的输出端连接所述第一电容的另一端；
通过功率级放大模块对预放大处理后的差分输入信号进行放大，包括第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，其中，所述第二电容的一端连接所述第二MOS管的栅极，所述第二电容的另一端连接所述第三MOS管的栅极，所述第二MOS管的漏极接地，所述第二MOS管的源极连接所述第一MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接所述第四MOS管的源极，所述第三MOS管的源极接地，所述第一MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接一定数值的偏置电压；以及
通过采用变压器结构的级间匹配模块对所述驱动级模块和所述功率级放大模块进行匹配连接，包括第一变压器，所述第一变压器的输入端的一端连接所述第一电容的一端，所述第一变压器的输入端的另一端连接所述第一电容的另一端，所述第一变压器的输出端的一端连接所述第二电容的一端，所述第一变压器的输出端的另一端连接所述第二电容的另一端。
9.一种芯片，其特征在于含有权利要求1所述的低电压E类功率放大器。
10.一种无线通信设备，其特征在于含有权利要求9所述的芯片。
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