CN114070215A - 功率放大器、功率放大器系统及其操作方法 - Google Patents

功率放大器、功率放大器系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

提供一种功率放大器、功率放大器系统及其操作方法。所述功率放大器系统可包括功率放大器、功率放大器控制器和电压产生器。所述功率放大器可包括多个功率晶体管单元，所述多个功率晶体管单元中的每个功率晶体管单元通过其控制端子接收射频信号以放大所述射频信号。所述功率放大器控制器可基于功率模式控制所述多个功率晶体管单元中的至少一个功率晶体管单元的导通操作和截止操作。所述电压产生器可产生供应到所述多个功率晶体管单元的第一端子的电源电压，并且可根据所述功率模式来改变所述电源电压。

Description

功率放大器、功率放大器系统及其操作方法
技术领域
以下描述涉及一种功率放大器、功率放大器系统及其操作方法。
背景技术
无线通信系统可根据通信标准的演进来应用各种数字调制和解调方法。现有的码分多址(CDMA)通信系统采用正交相移键控(QPSK)方法，根据IEEE通信标准的无线LAN采用正交频分复用(OFDM)方法。另外，最近的3GPP标准(诸如长期演进(LTE)、高级LTE和5G)可采用QPSK方法、正交幅度调制(QAM)方法和OFDM方法。这些无线通信标准可采用线性调制方法，所述方法要求在传输期间保持传输信号的大小或相位。
在无线通信系统中使用的传输装置可包括功率放大器，功率放大器放大射频(RF)信号以便增加传输距离。功率放大器是位于传输装置的端部的电路，并且对传输装置的性能起重要作用。由于输出功率、线性度和功率效率可由功率放大器确定，因此功率放大器是非常重要的电路。特别地，功率放大器的功率和效率对于在无线通信系统中使用的功率放大器是非常重要的。可使用自适应功率跟踪(APT)技术、包络跟踪技术等来提高功率和效率。
可能需要将功率放大器的输出阻抗设置为最优以提高功率放大器的效率。为此目的，可实现用于调谐功率放大器的负载的单独的电路，而功率放大器的整体性能可能由于用于负载调谐的单独的元件而劣化。
提供上述信息作为背景技术信息，仅用于帮助理解本公开。关于上述内容中的任何内容是否可作为关于本公开的现有技术适用，没有做出任何确定，也没有做出断言。
发明内容
提供本发明内容以按照简化的形式介绍所选择的构思，并在以下具体实施方式中进一步描述这些构思。本发明内容既不意在明确所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。
在一个总体方面，一种功率放大器系统包括：功率放大器，包括多个功率晶体管单元，所述多个功率晶体管单元中的每个功率晶体管单元被配置为通过所述每个功率晶体管单元的控制端子接收射频(RF)信号并且放大接收到的RF信号；功率放大器控制器，被配置为基于功率模式控制所述多个功率晶体管单元中的至少一个功率晶体管单元的导通操作和截止操作；以及电压产生器，被配置为产生电源电压并将产生的所述电源电压向所述多个功率晶体管单元的第一端子传输，并且基于所述功率模式来改变所述电源电压。
所述功率模式可包括第一功率模式和第二功率模式，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率，并且所述功率放大器控制器可被配置为在所述第二功率模式下控制所述至少一个功率晶体管单元的截止操作。
所述电压产生器可被配置为在所述第一功率模式下将被设置为第一电压的所述电源电压供应给所述多个功率晶体管单元的所述第一端子，并且所述电压产生器可被配置为在所述第二功率模式下将被设置为第二电压的所述电源电压供应给所述多个功率晶体管单元的所述第一端子，所述第二电压低于所述第一电压。
所述功率放大器控制器可被配置为在所述第一功率模式下控制所述多个功率晶体管单元的导通操作。
所述功率放大器还可包括：偏置电源，被配置为产生偏置电压，所述偏置电压被输入到所述多个功率晶体管单元的控制端子中；以及开关单元，被配置为切换所述偏置电压向所述多个功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态。
所述开关单元可不向所述至少一个功率晶体管单元的控制端子供应所述偏置电压，以使所述至少一个功率晶体管单元截止。
所述功率放大器还可包括连接在所述开关单元和所述多个功率晶体管单元之间的电阻器。
所述偏置电源可包括：第一晶体管，被配置为包括连接到地的第二端子以及彼此连接的控制端子和第一端子；以及电流源，被配置为向所述第一晶体管的所述控制端子和所述第一端子供应电流，其中，所述偏置电压是所述第一晶体管的所述控制端子的电压。
所述开关单元可包括多个开关，所述多个开关中的每个连接到所述第一晶体管的控制端子和所述多个功率晶体管单元中的相应的功率晶体管单元的控制端子。
所述功率放大器还可包括第二晶体管，所述第二晶体管连接在所述多个功率晶体管单元的第一端子和所述电源电压之间并且与所述多个功率晶体管单元具有共源共栅连接。
在一个总体方面，一种功率放大器包括：第一功率晶体管单元，被配置为通过所述第一功率晶体管单元的控制端子接收射频(RF)信号，并且放大接收到的RF信号；第二功率晶体管单元，被配置为通过所述第二功率晶体管单元的控制端子接收RF信号，并且放大接收到的RF信号；偏置电源，被配置为产生偏置电压；以及开关单元，被配置为基于功率模式来切换所述偏置电压向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态以及所述偏置电压向所述第二功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态，其中，供应到所述第一功率晶体管单元的第一端子和所述第二功率晶体管单元的第一端子的电源电压基于所述功率模式而变化。
所述功率模式可包括第一功率模式和第二功率模式，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率，并且所述开关单元可被配置为在所述第二功率模式下向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压并且不向所述第二功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压。
所述电源电压可在所述第一功率模式下被设置为第一电压，并且所述电源电压在所述第二功率模式下被设置为比所述第一电压小的第二电压。
所述开关单元可被配置为在所述第一功率模式下向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压。
所述开关单元可包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述偏置电源和所述第一功率晶体管单元的所述控制端子之间，并且所述第二开关连接在所述偏置电源和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子之间。
所述偏置电源可包括：第一晶体管，被配置为具有彼此连接的控制端子和第一端子以及连接到地的第二端子；以及电流源，被配置为向所述第一晶体管的所述控制端子和所述第一端子供应电流，其中，所述偏置电压是所述第一晶体管的所述控制端子的电压。
所述功率放大器还可包括：第一电阻器，连接在所述开关单元和所述第一功率晶体管单元的所述控制端子之间；以及第二电阻器，连接在所述开关单元和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子之间。
在一个总体方面，一种功率放大器的操作方法，所述功率放大器包括用于放大射频(RF)信号的多个功率晶体管单元，所述操作方法包括：在第一功率模式下，当使所述多个功率晶体管单元导通时放大所述RF信号；在第二功率模式下，当使所述多个功率晶体管单元中的至少一个功率晶体管单元截止时放大所述RF信号，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率；在所述第一功率模式下向所述多个功率晶体管单元的第一端子供应被设置为第一电压的第一电源电压；以及在所述第二功率模式下向所述多个功率晶体管单元的所述第一端子供应被设置为第二电压的第二电源电压，所述第二电压低于所述第一电压。
在所述第一功率模式下放大所述RF信号可包括向所述多个功率晶体管单元的控制端子供应偏置电压，并且在所述第二功率模式下放大所述RF信号可包括阻断所述偏置电压向所述至少一个功率晶体管单元的控制端子的供应。
所述第一功率模式可以是高功率模式，所述第二功率模式可以是低功率模式。
在一个总体方面，一种功率放大器系统包括：功率放大器，包括多个功率晶体管单元；电压产生器；以及功率放大器控制器，被配置为：接收功率模式输入信号；向所述电压产生器输出与接收到的功率模式输入信号对应的电压控制信号；以及基于接收到的功率模式输入信号，通过选择性地使所述多个功率晶体管单元中的一个或更多个功率晶体管单元导通或截止来控制所述功率放大器的切换操作。
所述功率模式可包括第一功率模式、第二功率模式和第三功率模式，所述第二功率模式具有比所述第一功率模式的电压电平高的电压电平，并且所述第三功率模式具有比所述第二功率模式的所述电压电平高的电压电平。
通过以下具体实施方式、附图以及权利要求，其他特征和方面将是显而易见的。
附图说明
图1示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统。
图2示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器。
图3示出了示出根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统的操作方法的流程图。
图4示出了示出根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器的具体构造的电路图。
图5A示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器在高功率模式(HPM)下的操作。
图5B示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器在低功率模式(LPM)下的操作。
图6示出了根据一个或更多个实施例的示例性开关。
图7示出了示出根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器的具体构造的电路图。
图8A示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统在高功率模式(HPM)下的仿真结果，并且图8B示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统在低功率模式(LPM)下的仿真结果。
图9示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统的最优输出阻抗的仿真结果。
在整个附图和具体实施方式中，相同的附图标记指示相同的元件。附图可不按照比例绘制，并且为了清楚、说明和便利起见，可夸大附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例，注意的是，示例不限于此。
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此描述的操作的顺序仅仅是示例，并且不限于在此阐述的顺序，而是除了必须按照特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本公开之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。
在此描述的特征可以以不同的形式实施，并且将不被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，已经提供在此描述的示例，仅仅为了示出在理解本公开之后将是显而易见的实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式。
在整个说明书中，当诸如层、区域或基板的元件被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件或“结合到”另一元件时，该元件可直接“在”另一元件“上”、直接“连接到”另一元件或直接“结合到”另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”另一元件或“直接结合到”另一元件时，不存在介于它们之间的其他元件。如在此使用的，元件的“一部分”可包括整个元件或少于整个元件。
如在此使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的任意一项和任意两项或更多项的任意组合；同样，“……中的至少一个”包括相关所列项中的任意一项或者任意两项或更多项的任意组合。
尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分将不受这些术语限制。更确切地说，这些术语仅用来将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。
为了易于描述，在此可使用诸如“上方”、“上面”、“下方”、“下面”等的空间相对术语来描述如附图中所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间相对术语意在除了包含附图中描绘的方位之外还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为相对于另一元件在“上方”或“上面”的元件于是将相对于所述另一元件在“下方”或“下面”。因此，术语“上方”根据装置的空间方位包括“上方”和“下方”两种方位。装置还可以以其他方式(旋转90度或者处于其他方位)定位，并且将相应地解释在此使用的空间相对术语。
在此使用的术语仅用于描述各种示例，并且将不用于限制本公开。除非上下文另外清楚指出，否则单数形式也意图包括复数形式。描述中的术语“包括”、“包含”、“被配置为”、“具有”等列举存在所陈述的特征、数量、步骤、操作、构件、元件、部分和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、构件、元件、部分和/或它们的组合。
在此描述的示例的特征可以以在理解本公开之后将显而易见的各种方式进行组合。此外，虽然在此描述的示例具有多种构造，但在理解本公开之后将显而易见的其他构造是可行的。
由于制造技术和/或公差，附图中所示出的形状可能发生变化。因此，在此描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括制造期间发生的形状的改变。
在整个公开内容中，RF信号可包括Wi-Fi(IEEE 802.11族等)、WiMAX(IEEE 802.16族等)、IEEE 802.20、LTE(长期演进)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPS、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、3G、4G、5G以及此后指定的任何其他无线协议和有线协议，但示例不限于此。
图1示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器系统1000。
如图1所示，功率放大器系统1000可包括功率放大器(PA)100、功率放大器(PA)控制器200和电压产生器300。
功率放大器100可接收RF输入信号RFin，以预定比例放大接收到的RF输入信号RFin，并且产生RF输出信号RFout。功率放大器100可被配置成多个级，并且下面将描述的功率放大器100可以是与多个级中的任一级相对应的功率放大器。作为示例，功率放大器100可以是对应于驱动器级的功率放大器。
参照图2，根据一个或更多个实施例的功率放大器100可包括多个功率晶体管单元110。包括在功率放大器100中的功率晶体管单元110可通过PA控制器200的单元开关信号SPCS导通或截止。将参照图2更详细地描述功率放大器100的详细描述。
再次参照图1，PA控制器200可接收功率模式的输入，并且基于功率模式来控制功率放大器100和电压产生器300。功率放大器系统1000可在多个功率模式下操作。在此，根据功率放大器系统1000的输出功率，功率模式可被划分为高功率模式(HPM)、中功率模式(MPM)和低功率模式(LPM)。
当功率放大器系统1000安装在便携式装置(例如，移动电话装置)上时，移动电话装置可根据移动电话装置距基站的距离来设置不同的功率模式。当移动电话装置远离基站时，功率放大器系统1000可在高功率模式(HPM)下操作，并且当移动电话装置位于靠近基站的位置时，功率放大器系统1000可在低功率模式(LPM)下操作。在示例中，可从调制解调器输入功率模式。在下文中，为了更好地理解和便于描述，将描述将功率模式划分为高功率模式(HPM)和低功率模式(LPM)的示例，但示例可应用于各种其他功率模式。
PA控制器200可根据功率模式产生电压控制信号SVDD以及单元开关信号SPCS，电压控制信号SVDD用于控制电压产生器300的电压电平，单元开关信号SPCS用于控制功率放大器100中的功率晶体管单元的状态的切换。在高功率模式(HPM)的示例中，PA控制器200可将与高功率模式(HPM)相对应的高电压控制信号SVDD_H向电压产生器300输出。另外，在低功率模式(LPM)的示例中，PA控制器200可将与低功率模式(LPM)相对应的低电压控制信号SVDD_L向电压产生器300输出。在示例中，PA控制器200可被实现为移动行业处理器接口(MIPI)。
电压产生器300可基于从PA控制器200输入的电压控制信号SVDD来产生电源电压VDD。电压产生器300可将产生的电源电压VDD供应到功率放大器100，并且功率放大器100通过电源电压VDD偏置以进行操作。当从PA控制器200接收到与高功率模式(HPM)相对应的高电压控制信号SVDD_H时，电压产生器300可产生高电源电压VDD_H，并且将产生的高电源电压VDD_H供应到功率放大器100。当从PA控制器200接收到与低功率模式(LPM)相对应的高电压控制信号SVDD_H时，电压产生器300可产生低电源电压VDD_L，并且将产生的低电源电压VDD_L供应到功率放大器100。高电源电压VDD_H具有比低电源电压VDD_L高的电压电平。也就是说，电源电压VDD的电平可根据功率模式而变化。作为非限制性示例，电压产生器300可被实现为DC-DC转换器、稳压器或低压差(LDO)稳压器。
PA控制器200可基于功率模式产生单元开关信号SPCS以对功率放大器100中的功率晶体管单元的状态进行切换。单元开关信号SPCS可包括用于使包括在功率放大器100中的功率晶体管单元导通的导通单元开关信号SPCS_ON和用于使包括在功率放大器100中的功率晶体管单元截止的截止单元开关信号SPCS_OFF。也就是说，包括在功率放大器100中的功率晶体管单元110可通过PA控制器200的单元开关信号SPCS导通或截止。
图2示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器100。
如图2所示，示例性功率放大器100可包括多个功率晶体管单元110、偏置电源120和开关单元130。
功率晶体管单元110可包括第一功率晶体管单元110_1至第N功率晶体管单元110_N。这里，N可以是2或更大的自然数。功率晶体管单元110可包括两个或更多个功率晶体管单元，以便根据功率模式精确地控制功率。在下文中，为了更好地理解和便于描述，作为示例，描述了功率晶体管单元110被配置为包括第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2的示例，但是其可应用于两个或更多个功率晶体管单元。
功率晶体管单元110分别接收电源电压VDD和偏置电压VBIAS以进行操作。电源电压VDD可从电压产生器300向功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元的第一端子(例如，漏极)输入。偏置电压VBIAS可从偏置电源120和开关单元130向功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元的控制端子(例如，栅极)输入。当功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元接收到(被供应)偏置电压VBIAS时，功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元导通以进行操作。另外，当功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元未接收到(未被供应)偏置电压VBIAS时，功率晶体管单元110中的每个功率晶体管单元截止以不进行操作。
偏置电源120产生偏置电压VBIAS，并将产生的偏置电压VBIAS向开关单元130输出(供应)。将参照图4详细描述偏置电源120产生偏置电压VBIAS的方法。
开关单元130接收来自偏置电源120的偏置电压VBIAS和来自PA控制器200的单元开关信号SPCS。开关单元130基于单元开关信号SPCS来切换偏置电压VBIAS的供应状态。在示例中，当从PA控制器200接收到用于使第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2两者导通的导通单元开关信号SPCS_ON时，开关单元130向第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2供应偏置电压VBIAS。另外，当从PA控制器200接收到用于使第一功率晶体管单元110_1导通的导通单元开关信号SPCS_ON和用于使第二功率晶体管单元110_2截止的截止单元开关信号SPCS_OFF时，开关单元130向第一功率晶体管单元110_1供应偏置电压VBIAS并且不向第二功率晶体管单元110_2供应偏置电压VBIAS。
图3示出了示出根据一个或更多个实施例的功率放大器系统1000的操作方法的流程图。
首先，功率放大器系统1000从外部装置(例如，调制解调器)接收功率模式(操作S310)。也就是说，PA控制器200可接收功率模式的输入，并且确定输入的功率模式是高功率模式(HPM)还是低功率模式(LPM)。
当功率模式是高功率模式(HPM)时，功率放大器系统1000使所有功率晶体管单元110导通(操作S320)。也就是说，在高功率模式(HPM)的示例中，PA控制器200产生用于使多个功率晶体管单元110导通的导通单元开关信号SPCS_ON，并且所述导通单元开关信号SPCS_ON输入到开关单元130中。在所述示例中，开关单元130向功率晶体管单元110供应偏置电压VBIAS以与导通单元开关信号SPCS_ON相对应。因此，功率晶体管单元110导通。
当功率模式是高功率模式(HPM)时，功率放大器系统1000向功率晶体管单元110供应高电源电压VDD_H(S330)。也就是说，在高功率模式(HPM)的示例中，PA控制器200将与高功率模式(HPM)相对应的高电压控制信号SVDD_H输出到电压产生器300。电压产生器300产生高电源电压VDD_H以与高电压控制信号SVDD_H相对应。所述高电源电压VDD_H被施加(供应)到功率晶体管单元110。
当功率模式是低功率模式(LPM)时，功率放大器系统1000使功率晶体管单元110中的至少一个截止(S340)。也就是说，在低功率模式(LPM)的示例中，PA控制器200产生用于使功率晶体管单元110中的至少一个截止的截止单元开关信号SPCS_OFF，并且所述截止单元开关信号SPCS_OFF输入到开关单元130中。在所述示例中，开关单元130响应于用于使至少一个功率晶体管单元(例如，第二功率晶体管单元110_2)截止的截止单元开关信号SPCS_OFF而不向至少一个功率晶体管单元(例如，第二功率晶体管单元110_2)供应偏置电压VBIAS。因此，至少一个功率晶体管单元截止。
当功率模式是低功率模式(LPM)时，功率放大器系统1000向功率晶体管单元110供应低电源电压VDD_L。也就是说，在低功率模式(LPM)的示例中，PA控制器200将与低功率模式(LPM)相对应的低电压控制信号SVDD_L输出到电压产生器300。电压产生器300产生低电源电压VDD_L以对应于低电压控制信号SVDD_L。所述低电源电压VDD_L被施加(供应)到功率晶体管单元110。
通过所述操作，根据示例的功率放大器系统1000可保持恒定的输出阻抗(操作S360)。也就是说，功率放大器系统1000可通过根据功率模式选择性地对功率晶体管单元110的状态进行切换并调节电源电压VDD来保持恒定的输出阻抗。将参照图4更详细地描述基于功率模式使输出阻抗保持恒定的方法。因此，即使在不存在用于调谐输出侧的负载的单独的电路时，根据一个或更多个实施例的功率放大器系统1000也可基于功率模式使输出阻抗保持恒定。
图4示出了示出根据一个或更多个实施例的功率放大器100的具体构造的电路图。在图4中，为了更好地理解和便于描述，假设功率晶体管单元110被配置为包括第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2。
如图4所示，偏置电源120可包括晶体管121和电流源122。
晶体管121的栅极(控制端子)和漏极(第一端子)可彼此连接，并且晶体管121的源极(第二端子)连接到地。电流源122的电力施加到晶体管121的栅极和漏极之间的触点N1。晶体管121的栅极电压或漏极电压对应于偏置电压VBIAS。在此，可改变电流源122的电流值IREF以设置功率放大器100的类别。
开关单元130可包括第一开关131和第二开关132。
第一开关131可连接在晶体管121的栅极与第一功率晶体管单元110_1的栅极之间。第一开关131可通过单元开关信号SPCS接通或断开。也就是说，第一开关131可通过导通单元开关信号SPCS_ON接通，并且可通过截止单元开关信号SPCS_OFF断开。
当第一开关131接通时，偏置电压VBIAS施加到第一功率晶体管单元110_1的栅极，从而允许第一功率晶体管单元110_1处于执行功率放大操作的状态(即，导通状态)。在此，当第一开关131接通时，晶体管121和第一功率晶体管单元110_1可相对于彼此具有电流镜结构，结果，第一功率晶体管单元110_1可被偏置以执行功率放大操作。也就是说，当第一开关131接通时，第一功率晶体管单元110_1导通。
在示例中，当第一开关131断开时，偏置电压VBIAS没有施加到第一功率晶体管单元110_1的栅极而是被阻隔，从而允许第一功率晶体管单元110_1处于不能执行功率放大操作的状态(即，截止状态)。在此，当第一开关131断开时，晶体管121和第一功率晶体管单元110_1可相对于彼此不具有电流镜结构，结果，第一功率晶体管单元110_1可以不被偏置从而不能执行功率放大操作。也就是说，当第一开关131断开时，第一功率晶体管单元110_1截止。
另外，第二开关132连接在晶体管121的栅极和第二功率晶体管单元110_2的栅极之间。第二开关132通过单元开关信号SPCS接通或断开。也就是说，第二开关132通过导通单元开关信号SPCS_ON接通，并且通过截止单元开关信号SPCS_OFF断开。
当第二开关132接通时，偏置电压VBIAS施加到第二功率晶体管单元110_2的栅极，从而允许第二功率晶体管单元110_2处于执行功率放大操作的状态(即，导通状态)。在此，当第二开关132接通时，晶体管121和第二功率晶体管单元110_2可相对于彼此具有电流镜结构，结果，第二功率晶体管单元110_2可被偏置以执行功率放大操作。也就是说，当第二开关132接通时，第二功率晶体管单元110_2导通。
在示例中，当第二开关132断开时，偏置电压VBIAS没有施加到第二功率晶体管单元110_2的栅极而是被阻隔，从而允许第二功率晶体管单元110_2处于不能执行功率放大操作的状态(即，截止状态)。在此，当第二开关132断开时，晶体管121和第二功率晶体管单元110_2可相对于彼此不具有电流镜结构，结果，第二功率晶体管单元110_2可以不被偏置从而不能执行功率放大操作。也就是说，当第二开关132断开时，第二功率晶体管单元110_2截止。
功率晶体管单元110可包括第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2。
第一功率晶体管单元110_1的栅极通过耦合电容器C1接收RF输入信号RFin。另外，第一功率晶体管单元110_1的栅极通过第一开关131接收偏置电压VBIAS。第一功率晶体管单元110_1的源极连接到地，并且电源电压VDD施加到第一功率晶体管单元110_1的漏极。在示例中，电感器L可位于第一功率晶体管单元110_1的漏极与电源电压VDD之间，并且可执行RF扼流圈功能。在图4中，第一功率晶体管单元110_1的漏极电流由I1表示。
第二功率晶体管单元110_2的栅极通过耦合电容器C2接收RF输入信号RFin。另外，第二功率晶体管单元110_2的栅极通过第二开关132接收偏置电压VBIAS。第二功率晶体管单元110_2的源极连接到地，并且电源电压VDD施加到第二功率晶体管单元110_2的漏极。第一功率晶体管单元110_1的漏极和第二功率晶体管单元110_2的漏极可彼此连接，并且RF输出信号RFout在第一功率晶体管单元110_1的漏极和第二功率晶体管单元110_2的漏极的连接点处输出。在示例中，电感器L可位于第二功率晶体管单元110_2的漏极与电源电压VDD之间，并且可执行RF扼流圈功能。在图4中，第二功率晶体管单元110_2的漏极电流由I2表示。
在图4中，功率放大器100的输出阻抗由“ZOPT”表示，并且输出阻抗ZOPT(RF输出信号RFout的阻抗)可与术语“负载阻抗”互换使用。
在下文中，将参照图5A和图5B描述图4的功率放大器100根据功率模式的操作。
图5A示出了根据一个或更多个实施例的示例性功率放大器100在高功率模式(HPM)下的操作。
参照图5A，在高功率模式(HPM)的示例中，第一开关131和第二开关132接通。也就是说，PA控制器200产生用于使第一功率晶体管单元110_1和第二功率晶体管单元110_2导通的导通单元开关信号SPCS_ON，并且将导通单元开关信号SPCS_ON施加到第一开关131和第二开关132。另外，在高功率模式的示例中，电源电压VDD被设置为高电源电压VDD_H。也就是说，在高功率模式的示例中，电压产生器300产生高电源电压VDD_H，并将产生的高电源电压VDD_H供应到功率放大器100。
通过接通第一开关131将偏置电压VBIAS施加到第一功率晶体管单元110_1的栅极，从而允许第一功率晶体管单元110_1处于执行功率放大的状态(即，导通状态)。也就是说，晶体管121和第一功率晶体管单元110_1可通过接通第一开关131而相对于彼此具有电流镜结构，结果，第一功率晶体管单元110_1可被偏置以执行功率放大操作。也就是说，第一功率晶体管单元110_1通过接通第一开关131而导通，并且电流I1流向第一功率晶体管单元110_1的漏极。
通过接通第二开关132将偏置电压VBIAS施加到第二功率晶体管单元110_2的栅极，从而允许第二功率晶体管单元110_2处于能够执行功率放大的状态(即，导通状态)。也就是说，晶体管121和第二功率晶体管单元110_2可通过接通第二开关132而相对于彼此具有电流镜结构，结果，第二功率晶体管单元110_2可被偏置以执行功率放大操作。也就是说，第二功率晶体管单元110_2通过接通第二开关132而导通，并且电流I2流向第二功率晶体管单元110_2的漏极。
在此，从被设置为高电源电压VDD_H的电源电压VDD流向第一功率晶体管单元110_1的漏极和第二功率晶体管单元110_2的漏极的电流由I表示。电流I、电流I1和电流I2具有下面式1的关系。
式1：
I＝I1+I2
另外，当高功率模式的输出阻抗ZOPT表示为“ZOPT_H”时，输出阻抗ZOPT_H与下面的式2中的输出阻抗相同。
式2：
Figure BDA0003028598040000141
阻抗表示电压和电流的比，并且在高功率模式的示例中，电源电压VDD被设置为高电源电压VDD_H，因此，输出阻抗ZOPT_H变为等于式2。
图5B示出了图4的功率放大器100在低功率模式(LPM)下的操作。
如图5B所示，在低功率模式(LPM)的示例中，第一开关131接通，并且第二开关132断开。在另一示例中，在低功率模式(LPM)的示例中，可断开第一开关131并且可接通第二开关132，并且可以以相同的方式应用下面描述的操作。PA控制器200可产生用于使第一功率晶体管单元110_1导通的导通单元开关信号SPCS_ON，并且将导通单元开关信号SPCS_ON施加到第一开关131。另外，PA控制器200可产生用于使第二功率晶体管单元110_2截止的截止单元开关信号SPCS_OFF，并且将截止单元开关信号SPCS_OFF施加到第二开关132。另一方面，在低功率模式的示例中，电源电压VDD被设置为低电源电压VDD_L。也就是说，在低功率模式的示例中，电压产生器300可产生低电源电压VDD_L，并将产生的低电源电压VDD_L供应到功率放大器100。
可通过接通第一开关131而将偏置电压VBIAS施加到第一功率晶体管单元110_1的栅极，从而允许第一功率晶体管单元110_1处于执行功率放大的状态(即，导通状态)。也就是说，通过接通第一开关131，晶体管121和第一功率晶体管单元110_1可相对于彼此具有电流镜结构，结果，第一功率晶体管单元110_1可被偏置以执行功率放大操作。也就是说，第一功率晶体管单元110_1通过接通第一开关131而导通，并且电流I1流向第一功率晶体管单元110_1的漏极。
通过断开第二开关132，偏置电压VBIAS没有施加到第二功率晶体管单元110_2的栅极而是被阻隔，从而允许第二功率晶体管单元110_2处于不能执行功率放大的状态(即，截止状态)。也就是说，当第二开关132断开时，晶体管121和第二功率晶体管单元110_2可相对于彼此不形成电流镜结构，结果，第二功率晶体管单元110_2可以不被偏置从而不能执行功率放大操作。也就是说，第二功率晶体管单元110_2通过断开第二开关132而截止，并且没有电流I2流向第二功率晶体管单元110_2的漏极。换句话说，通过断开第二开关132，I2＝0。
由于I2＝0，因此电流I获得如下面的式3所表示的值。
式3：
1＝I1
另外，当低功率模式的输出阻抗ZOPT表示为“ZOPT_L”时，输出阻抗ZOPT_L与下面的式4中的输出阻抗相同。
式4：
Figure BDA0003028598040000151
阻抗表示电压和电流的比，并且在低功率模式的示例中，电源电压VDD被设置为低电源电压VDD_L，因此输出阻抗ZOPT_L变为等于式4。
参照式2和式4，可以看出，可使高功率模式的输出阻抗ZOPT_H和低功率模式的输出阻抗ZOPT_L保持恒定。在低功率模式的示例中，电流I2不流动(I2＝0)，但是电源电压VDD被设置为低电源电压VDD_L，因此输出阻抗的值可保持恒定。
图6示出了根据一个或更多个实施例的开关600。
图6所示的开关600可以是上述第一开关131或第二开关132。开关600的第一端601可对应于第一开关131的相对端子中的连接到晶体管121的栅极的端子，并且开关600的第二端602可对应于第一开关131的相对端子中的连接到第一功率晶体管单元110_1的栅极的端子。另外，开关600的第一端601可对应于第二开关132的相对端子中的连接到晶体管121的栅极的端子，并且开关600的第二端602可对应于第二开关132的相对端子中的连接到第二功率晶体管单元110_2的栅极的端子。
开关600可包括晶体管M1和晶体管M2。
晶体管M1的源极连接到开关600的第一端601，并且晶体管M1的漏极连接到开关600的第二端602。另外，晶体管M2的漏极连接到开关600的第二端602，并且晶体管M2的源极连接到地。另外，开关控制信号(即，单元开关信号SPCS)输入到晶体管M1和M2中的每者的栅极中。
当开关600接通时，晶体管M1导通，并且晶体管M2截止。因此，信号被传输到开关600的相对端。
当开关600断开时，晶体管M1截止，晶体管M2导通。因此，没有信号传输到开关600的相对端，并且开关600的第二端602的信号被晶体管M2旁路到地。参照图6和图4，当第二开关132断开以使第二功率晶体管单元110_2截止时，晶体管M1截止并且晶体管M2导通。在所述示例中，由于第二功率晶体管单元110_2的栅极通过晶体管M2连接到地，因此第二功率晶体管单元110_2截止。
图7示出了示出根据一个或更多个实施例的功率放大器100'的具体构造的电路图。除了增加了电阻器R1和电阻器R2以及晶体管111之外，图7的功率放大器100'可与图4的功率放大器100相同，因此将省略重复描述。
电阻器R1和电阻器R2可连接在开关单元130和功率晶体管单元110之间。具体地，电阻器R1可连接在第一开关131的第一端和第一功率晶体管单元110_1的栅极之间。电阻器R2可连接在第二开关132的第一端和第二功率晶体管单元110_2的栅极之间。电阻器R1和R2均可用作防止RF输入信号RFin流向偏置电源120的隔离电阻器。
如图7所示，晶体管111可通过使用共源共栅连接到功率晶体管单元110。晶体管111的漏极通过电感器L连接到电源电压VDD，并且晶体管111的源极连接到第一功率晶体管单元110_1的漏极和第二功率晶体管单元110_2的漏极。RF输出信号RFout从晶体管111的漏极输出。另外，可将预定的偏置电压施加到晶体管111的栅极。具有这种连接结构的晶体管111可补偿米勒效应(Miller effect)。也就是说，由于晶体管111的寄生电容分量和功率晶体管单元110的寄生电容分量彼此串联连接，因此可补偿米勒效应。
在示例中，在以上描述中，功率晶体管单元110中的每个仅呈现单端功率放大器结构，但是功率晶体管单元110中的每个可具有差分功率放大器结构。在差分功率放大器结构中，可照原样应用以上描述。
图8A示出了示例性功率放大器系统1000在高功率模式(HPM)下的仿真结果，并且图8B示出了示例性功率放大器系统1000在低功率模式(LPM)下的仿真结果。
参照图8A，曲线810a表示根据输出功率(dBm)(横轴)的效率(％)(纵轴)，并且曲线820a表示根据输出功率(dBm)(横轴)的增益(dB)(纵轴)。在此，最大输出功率为21dBm。参照图8A，在约15dBm的输出功率下，效率为19％。在示例中，在仿真期间，电源电压VDD被设置为1.5V。
参照图8B，曲线810b表示根据输出功率(dBm)(横轴)的效率(％)(纵轴)，并且曲线820b表示根据输出功率(dBm)(横轴)的增益(dB)(纵轴)。在此，图8B的最大输出功率为18dBm，并且所述功率被设置为比图8A(即，高功率模式)的功率小3dBm的功率。参照图8B，在12dBm(与高功率模式(图8A)的输出功率(15dBm)相比回退3dBm)下的效率约为17.7％。也就是说，可以看出，即使在低功率模式下也保持高效率。所述结果是因为即使在低功率模式下也可保持最优输出阻抗，而无需调谐负载阻抗。为此，在上述示例中，通过对至少一个功率晶体管单元的状态进行切换并调节电源电压VDD而使最优输出阻抗保持相同。
在上述示例中，可通过图9的仿真来确认即使当功率模式改变时最优输出阻抗也保持恒定的现象。
图9示出了示例性功率放大器系统1000的最优输出阻抗的仿真结果。在此，图9示出了在与图8A和图8B中的条件相同的条件下对输出阻抗进行仿真的结果。
在图9中，点910表示高功率模式(HPM)下的最优输出阻抗，并且点920表示低功率模式(LPM)下的最优输出阻抗。参照点910和点920，可以看出，根据功率模式的最优输出阻抗几乎没有变化。因此，上述示例可具有优化的功率放大器性能。
在上面的描述中，晶体管121、111、M1、M2以及功率晶体管单元110_1、110_2、……、110_N是场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)。
虽然本公开包括具体示例，但是在理解本申请的公开内容之后将显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可在形式和细节上对这些示例做出各种改变。在此描述的示例将仅被认为是描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为是可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果按照不同的顺序执行描述的技术，和/或如果按照不同的方式组合所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，和/或由其他组件或其等同物来替换或者添加所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，则可获得合适的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同物限定，并且在权利要求及其等同物的范围内的全部变型将被解释为被包含在本公开中。

Claims (20)

1.一种功率放大器系统，包括：
功率放大器，包括多个功率晶体管单元，所述多个功率晶体管单元中的每个功率晶体管单元被配置为通过所述每个功率晶体管单元的控制端子接收射频信号并且放大接收到的射频信号；
功率放大器控制器，被配置为基于功率模式控制所述多个功率晶体管单元中的至少一个功率晶体管单元的导通操作和截止操作；以及
电压产生器，被配置为产生电源电压并将产生的所述电源电压向所述多个功率晶体管单元的第一端子传输，并且基于所述功率模式来改变所述电源电压。
2.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中，
所述功率模式包括第一功率模式和第二功率模式，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率，并且
所述功率放大器控制器被配置为在所述第二功率模式下控制所述至少一个功率晶体管单元的截止操作。
3.根据权利要求2所述的功率放大器系统，其中，
所述电压产生器被配置为在所述第一功率模式下将被设置为第一电压的所述电源电压供应给所述多个功率晶体管单元的所述第一端子，并且
所述电压产生器被配置为在所述第二功率模式下将被设置为第二电压的所述电源电压供应给所述多个功率晶体管单元的所述第一端子，所述第二电压低于所述第一电压。
4.根据权利要求3所述的功率放大器系统，其中，所述功率放大器控制器被配置为在所述第一功率模式下控制所述多个功率晶体管单元的导通操作。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的功率放大器系统，其中，
所述功率放大器还包括：
偏置电源，被配置为产生偏置电压，所述偏置电压被输入到所述多个功率晶体管单元的控制端子中；以及
开关单元，被配置为切换所述偏置电压向所述多个功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态。
6.根据权利要求5所述的功率放大器系统，其中，所述开关单元不向所述至少一个功率晶体管单元的控制端子供应所述偏置电压，以使所述至少一个功率晶体管单元截止。
7.根据权利要求5所述的功率放大器系统，其中，所述功率放大器还包括连接在所述开关单元和所述多个功率晶体管单元之间的电阻器。
8.根据权利要求5所述的功率放大器系统，其中，
所述偏置电源包括：
第一晶体管，被配置为包括连接到地的第二端子以及彼此连接的控制端子和第一端子；以及
电流源，被配置为向所述第一晶体管的所述控制端子和所述第一端子供应电流，
其中，所述偏置电压是所述第一晶体管的所述控制端子的电压。
9.根据权利要求8所述的功率放大器系统，其中，所述开关单元包括多个开关，所述多个开关中的每个连接到所述第一晶体管的控制端子和所述多个功率晶体管单元中的相应的功率晶体管单元的控制端子。
10.根据权利要求8所述的功率放大器系统，其中，所述功率放大器还包括第二晶体管，所述第二晶体管连接在所述多个功率晶体管单元的第一端子和所述电源电压之间并且与所述多个功率晶体管单元具有共源共栅连接。
11.一种功率放大器，包括：
第一功率晶体管单元，被配置为通过所述第一功率晶体管单元的控制端子接收射频信号，并且放大接收到的射频信号；
第二功率晶体管单元，被配置为通过所述第二功率晶体管单元的控制端子接收射频信号，并且放大接收到的射频信号；
偏置电源，被配置为产生偏置电压；以及
开关单元，被配置为基于功率模式来切换所述偏置电压向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态以及所述偏置电压向所述第二功率晶体管单元的所述控制端子的供应状态，
其中，供应到所述第一功率晶体管单元的第一端子和所述第二功率晶体管单元的第一端子的电源电压基于所述功率模式而变化。
12.根据权利要求11所述的功率放大器，其中，
所述功率模式包括第一功率模式和第二功率模式，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率，并且
所述开关单元被配置为：在所述第二功率模式下，向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压，并且不向所述第二功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压。
13.根据权利要求12所述的功率放大器，其中，
所述电源电压在所述第一功率模式下被设置为第一电压，并且
所述电源电压在所述第二功率模式下被设置为比所述第一电压小的第二电压。
14.根据权利要求13所述的功率放大器，其中，所述开关单元被配置为在所述第一功率模式下向所述第一功率晶体管单元的所述控制端子和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子供应所述偏置电压。
15.根据权利要求11所述的功率放大器，其中，
所述开关单元包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述偏置电源和所述第一功率晶体管单元的所述控制端子之间，并且
所述第二开关连接在所述偏置电源和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子之间。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的功率放大器，其中，
所述偏置电源包括：
第一晶体管，被配置为具有连接到地的第二端子以及彼此连接的控制端子和第一端子；以及
电流源，被配置为向所述第一晶体管的所述控制端子和所述第一端子供应电流，
其中，所述偏置电压是所述第一晶体管的所述控制端子的电压。
17.根据权利要求11至15中任一项所述的功率放大器，所述功率放大器还包括：
第一电阻器，连接在所述开关单元和所述第一功率晶体管单元的所述控制端子之间；以及
第二电阻器，连接在所述开关单元和所述第二功率晶体管单元的所述控制端子之间。
18.一种功率放大器的操作方法，所述功率放大器包括用于放大射频信号的多个功率晶体管单元，所述操作方法包括：
在第一功率模式下，当使所述多个功率晶体管单元导通时放大所述射频信号；
在第二功率模式下，当使所述多个功率晶体管单元中的至少一个功率晶体管单元截止时放大所述射频信号，所述第二功率模式输出比所述第一功率模式的功率低的功率；
在所述第一功率模式下向所述多个功率晶体管单元的第一端子供应被设置为第一电压的第一电源电压；以及
在所述第二功率模式下向所述多个功率晶体管单元的所述第一端子供应被设置为第二电压的第二电源电压，所述第二电压低于所述第一电压。
19.根据权利要求18所述的操作方法，其中，
在所述第一功率模式下放大所述射频信号包括向所述多个功率晶体管单元的控制端子供应偏置电压，并且
在所述第二功率模式下放大所述射频信号包括阻断所述偏置电压向所述至少一个功率晶体管单元的控制端子的供应。
20.根据权利要求18或19所述的操作方法，其中，所述第一功率模式为高功率模式，并且所述第二功率模式为低功率模式。
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