CN112953399B - 一种高回退效率功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高回退效率功率放大器，包括：多个功率放大器子单元，所述功率放大器子单元包括第一电容，每个所述第一电容的第一端均与输出端电连接，所述第一电容的第二端连接一堆叠式反相器电路，所述堆叠式反相器电路在所述功率放大器子单元关闭时，控制所述第一电容的第二端浮空。当堆叠式反相器电路中包含PMOS管和NMOS管，功率放大器子单元工作时，堆叠式反相器电路导通，控制第一电容的第二端在VDD和GND之间切换。当功率放大器子单元关闭时，堆叠式反相器电路截止，呈现高阻状态，使得第一电容的第二端浮空，进而提高了回退效率。
Description
技术领域
本申请涉及功率放大器技术领域，具体涉及一种高回退效率功率放大器。
背景技术
DPA(digital power amplifier，数字化功率放大器)是近几年一种新兴的功率放大器类型。数字化功率放大器由很多个功率放大器子单元构成，每个功率放大器子单元都可以单独控制开启或关闭。且功率放大器子单元工作在开关状态，输入为轨到轨的方波信号，理想情况下可以实现100％效率。DPA通过控制功率放大器子单元开启的数量来控制输出功率，当所有的功率放大器子单元都开启时，其输出功率最大。在实际使用当中，功率放大器不是一直处于最大输出功率的状态。当输出功率降低时，用功率回退来形容，输出功率相对于饱和输出功率降低了6dB，则回退了6dB。
SCPA(switched capacitor power amplifier，开关电容功率放大器)是一种DPA类型。SCPA由N个功率放大器子单元，每个功率放大器子单元主要由一个电容Cn构成。当功率放大器子单元处于开启状态时，该电容Cn以频率RF(RF为SCPA的工作频率)在电源电压VDD和GND之间切换。当功率放大器子单元处于关闭状态时，电容Cn会连接到GND或者VDD(VDD是交流等效的GND)，可以视为电容Cn一直连接到GND上。通过控制开关电容Cn开启的数量，可以来控制SCPA输出功率大小。
SCPA的主要缺点是PBO(power back-off，功率回退)效率低。因为SCPA输出功率降低时，部分子单元处于关闭状态时，其对应的电容连接到GND上。这部分电容会带来额外的能量损耗，导致SCPA的效率降低。因此SCPA的回退效率都随着输出功率急剧降低。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种高回退效率功率放大器，包括：多个功率放大器子单元，所述功率放大器子单元包括第一电容，每个所述第一电容的第一端均与输出端电连接，所述第一电容的第二端连接一堆叠式反相器电路，所述堆叠式反相器电路在所述功率放大器子单元关闭时，控制所述第一电容的第二端浮空。
采用上述实现方式，当堆叠式反相器电路中包含PMOS管和NMOS管，功率放大器子单元工作时，堆叠式反相器电路导通，控制第一电容的第二端在VDD和GND之间切换。当功率放大器子单元关闭时，堆叠式反相器电路截止，呈现高阻状态，使得第一电容的第二端浮空，进而提高了回退效率。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述功率放大器子单元包括：与门，所述与门的第一输入端为方波信号输入端，第二输入端为使能信号输入端，所述与门的输出端分别与升压电路的输入端和堆叠式反相器电路的第一端电连接，所述升压电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第二端电连接。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述堆叠式反相器电路包括对称设置的N个PMOS管和N个NMOS管，N大于等于2，其中：第一个PMOS管的源极与电容电源输入端电连接，栅极与所述升压电路的输出端电连接，漏极与第二个PMOS管的源极电连接，第N个PMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接；第一个NMOS管的源极接地，栅极与所述与门的输出端电连接，漏极与第二个NMOS管的源极电连接，第N个NMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述升压电路包括第二电容和偏置电阻，所述第二电容的第一端与所述与门的输出端电连接，所述偏置电阻的第一端输入一偏置电压，所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端均与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述堆叠式反相器电路与所述升压电路之间设置有第一Buffer电路，所述第一Buffer电路的输入端与所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端电连接，所述第一Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接。
结合第一方面第三或四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述与门与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管之间设置有第二Buffer电路，所述第二Buffer电路的输入端与所述与门的输出端电连接，所述第二Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管的栅极电连接。
结合第一方面或第一方面第一至五种任一可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述第一电容的第一端连接可重构匹配网络，所述可重构匹配网络用于功率放大器的阻抗匹配。
结合第一方面第六种可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述可重构匹配网络连接到负载。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种高回退效率功率放大器的电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种功率放大器子单元电路示意图；
图3为本申请实施例提供的高回退效率功率放大器理想情况下的回退效率示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实施例进行阐述。
图1为本申请实施例提供的一种高回退效率功率放大器的电路示意图，参见图1，本实施例提供的高回退效率功率放大器为一种SFCPA(开关/浮空电容型功率放大器，switched capacitor power amplifier)。
本实施例中额功率放大器包括：多个功率放大器子单元，所述功率放大器子单元包括第一电容，每个所述第一电容的第一端均与输出端电连接。具体地，所述第一电容的第一端连接可重构匹配网络RMN，所述可重构匹配网络RMN用于功率放大器的阻抗匹配，所述可重构匹配网络连接到负载RL。可重构匹配网络RMN负责将功率放大器的最优阻抗匹配到输出负载RL。在不同数量功率放大器子单元开启时，功率放大器的最优阻抗是变化的，所以需要可重构匹配网络RMN根据最优阻抗变化情况进行调谐，实现阻抗匹配。所述第一电容的第二端连接一堆叠式反相器电路，所述堆叠式反相器电路在所述功率放大器子单元关闭时，控制所述第一电容的第二端浮空。
具体地，所述功率放大器子单元包括：与门，所述与门的第一输入端为方波信号输入端，第二输入端为使能信号输入端，所述与门的输出端分别与升压电路的输入端和堆叠式反相器电路的第一端电连接，所述升压电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第二端电连接。
所述堆叠式反相器电路包括对称设置的N个PMOS管和N个NMOS管，N大于等于2，其中：第一个PMOS管的源极与电容电源输入端电连接，栅极与所述升压电路的输出端电连接，漏极与第二个PMOS管的源极电连接，第N个PMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接。第一个NMOS管的源极接地，栅极与所述与门的输出端电连接，漏极与第二个NMOS管的源极电连接，第N个NMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接。
所述升压电路包括第二电容和偏置电阻，所述第二电容的第一端与所述与门的输出端电连接，所述偏置电阻的第一端输入一偏置电压，所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端均与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接。
所述堆叠式反相器电路与所述升压电路之间设置有第一Buffer电路，所述第一Buffer电路的输入端与所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端电连接，所述第一Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接。所述与门与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管之间设置有第二Buffer电路，所述第二Buffer电路的输入端与所述与门的输出端电连接，所述第二Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管的栅极电连接。第一Buffer电路和第二Buffer电路均由多个CMOS反相器电路构成。
参见图2，为本申请提供的一种示意性实施例，该功率放大器子单元中的堆叠式反相器电路包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1和第二NMOS管N2，电源电压为2.4V，该功率放大器子单元中的电容为电容C1。输入为频率为RF的0-1.2V的方波信号，EN为电容C1是否浮空的控制信号。
当EN为高电平时，该子单元处于开启(ON)状态，第一NMOS管N1的输入为频率为RF的0-1.2V方波信号，经过电容C2电阻R1偏置(1.8V供电)构成的升压电路后电压升高。再经过第一Buffer电路后形成1.2-2.4V的方波信号，该信号作为第一PMOS管P1的输入信号。此时第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1和第二NMOS管N2组成的电路处于开关状态使得电容C1的输入端在2.4V电源和GND之间切换。
当EN为低电平时，该子单元处于关闭状态，此时第一NMOS管N1输入为0V，同时1.8V偏置电压经过第一Buffer电路后变为2.4V信号，并作为第一PMOS管P1的输入电压。此时第一NMOS管N1和第一PMOS管P1同时处于截止状态，呈现高阻，使得电容C1浮空。
在理想情况下，假定输出匹配总是处于最优匹配状态，本实施例中的SFCPA在功率回退时的效率如图3所示。SFCPA中关闭的电容处于浮空状态，呈现高阻，可以认为关闭的电容没有连接到电路中。而传统的SCPA，关闭的电容输入端连接到GND，该电容可视为一个并联接地的电容，会产生额外的能量损耗。所以，相对于SCPA，本发明提出的SFCPA在理论上可以在整个功率功率回退范围内均实现100％效率。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (3)
1.一种高回退效率功率放大器，其特征在于，包括：多个功率放大器子单元，所述功率放大器子单元包括第一电容，每个所述第一电容的第一端均与输出端电连接，所述第一电容的第二端连接一堆叠式反相器电路，所述堆叠式反相器电路在所述功率放大器子单元关闭时，控制所述第一电容的第二端浮空；
所述功率放大器子单元包括：与门，所述与门的第一输入端为方波信号输入端，第二输入端为使能信号输入端，所述与门的输出端分别与升压电路的输入端和堆叠式反相器电路的第一端电连接，所述升压电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第二端电连接；
所述堆叠式反相器电路包括对称设置的N个PMOS管和N个NMOS管，N大于等于2，其中：
第一个PMOS管的源极与电容电源输入端电连接，栅极与所述升压电路的输出端电连接，漏极与第二个PMOS管的源极电连接，第N个PMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接；
第一个NMOS管的源极接地，栅极与所述与门的输出端电连接，漏极与第二个NMOS管的源极电连接，第N个NMOS管的源极与第N-1个PMOS管的漏极电连接，第N个PMOS管的漏极与所述第一电容的第二端电连接；
所述升压电路包括第二电容和偏置电阻，所述第二电容的第一端与所述与门的输出端电连接，所述偏置电阻的第一端输入一偏置电压，所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端均与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接；
所述堆叠式反相器电路与所述升压电路之间设置有第一Buffer电路，所述第一Buffer电路的输入端与所述第二电容的第二端和所述偏置电阻的第二端电连接，所述第一Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个PMOS管的栅极电连接；
所述与门与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管之间设置有第二Buffer电路，所述第二Buffer电路的输入端与所述与门的输出端电连接，所述第二Buffer电路的输出端与所述堆叠式反相器电路的第一个NMOS管的栅极电连接。
2.根据权利要求1所述的高回退效率功率放大器，其特征在于，所述第一电容的第一端连接可重构匹配网络，所述可重构匹配网络用于功率放大器的阻抗匹配。
3.根据权利要求2所述的高回退效率功率放大器，其特征在于，所述可重构匹配网络连接到负载。
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