CN116155316B - 基于g类功放架构的射频前端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于G类功放架构的射频前端，包括发射支路和接收支路，其中发射支路包括低侧功率管和高侧功率管，低侧功率管的漏极和高侧功率管的漏极通过隔直电容连接，低侧功率管漏极与地之间并联有输出寄生电容和中和电感；接收支路包括低噪声放大器，其栅极依次连接有LNA输入匹配网络和单刀单掷开关；发射支路和接收支路后连接有后匹配网络。本发明利用G类功放架构提高回退效率，并应用非对称的收发开关架构降低发射支路损耗，从而达到显著提升平均发射效率的效果。

Description

基于G类功放架构的射频前端
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于G类功放架构的射频前端。
背景技术
为了提高频谱效率，现代通信信号广泛使用OFDM等比较复杂的调制方式，导致信号的峰均值比较高。传统的射频前端一般采用class-AB功放(Power Amplifier,PA)架构，然而class-AB功放的回退效率很低，这就导致在高峰均比信号激励下，射频前端的平均发射效率很低。为了提高平均发射效率，有些射频前端采用Doherty功放架构，但是Doherty功放存在固有的带宽限制，而且引入的λ/4阻抗变换线会增加电路尺寸。此外，传统的射频前端采用额外的单刀双掷(Single-Pole Double-Throw,SPDT)开关作为收发开关，SPDT开关的插入损耗也会显著恶化发射效率。
发明内容
为了提高射频前端的回退效率，本发明提出一种基于G类功放架构的射频前端，用非对称的收发开关结构降低发射支路损耗，从而达到显著提升平均发射效率的目的。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
一种基于G类功放架构的射频前端，包括发射支路和接收支路，所述发射支路包括低侧功率管和高侧功率管，所述低侧功率管的漏极和所述高侧功率管的漏极通过隔直电容连接，所述低侧功率管漏极与地之间并联有第一输出寄生电容和中和电感；所述接收支路包括低噪声放大器，其栅极依次连接有LNA输入匹配网络和单刀单掷开关；所述发射支路和所述接收支路后连接有后匹配网络。
进一步的，所述单刀单掷开关包括开关元件、集总参数π型网络和电阻，所述开关元件一端与所述LNA输入匹配网络连接，另一端接地；所述集总参数π型网络包括串联电感、第一电容和第二电容，所述串联电感两端分别连接第一电容和第二电容，所述高侧功率管的漏极与所述第二电容相连接，同时连接所述后匹配网络；所述电阻和所述集总参数π型网络中的第一电容均与所述开关元件并联。
更进一步的，所述第二电容作为所述高侧功率管的第二输出寄生电容。
进一步的，所述开关元件的饱和电流大于所述高侧功率管的饱和电流；所述开关元件的第三输出寄生电容被吸收到所述集总参数π型网络中，作为第一电容的一部分。
进一步的，所述第一电容的值不小于所述第二电容的值。
进一步的，所述单刀单掷开关位于所述LNA输入匹配网络中，作为所述LNA输入匹配网络的一部分。
进一步的，所述低侧功率管和所述高侧功率管的最佳负载阻抗相同，所述最佳负载阻抗等于该射频前端的天线阻抗时，所述后匹配网络为一隔直电容。
进一步的，所述低侧功率管的工作电压和尺寸均小于所述高侧功率管。
作为优选的实施方式，所述射频前端中的功率管为氮化镓晶体管、砷化镓晶体管或CMOS管。
本发明还提出一种射频前端电路，包括上述任一项技术方案所述的射频前端，所述射频前端的元件集成在同一颗Die中，或分布在不同的Die上，或同时分布在不同的Die和PCB板上。
本发明还提出一种集成电路，包括上述任一项技术方案所述的射频前端。所述集成电路可以用于蜂窝通信系统的用户设备、基站、无线网络的接入点、无线电通信装置等通信设备中。
本发明利用G类功放架构提高回退效率，并应用非对称的收发开关架构降低发射支路损耗，从而达到显著提升平均发射效率的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例基于G类功放架构的射频前端结构示意图；
图2为图1实施例在发射模式下的等效电路图；
图3为图1实施例在接收模式下的等效电路图；
图4(a)为图1实施例在发射模式下的漏极效率随输出功率变化曲线图；
图4(b)为图1实施例在发射模式下的低侧功率管和高侧功率管漏极电流随输出功率变化曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，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。
本实施例是关于一种基于G类功放架构的射频前端，包括发射支路和接收支路，为了减小收发开关导致的发射效率恶化，如图1中所示，本实施例射频前端采用了非对称的收发开关结构，将传统射频前端中存在的发射支路的开关移除，仅在接收支路使用了一个单刀单掷(SPST，Single-Pole Single-Throw)开关。
具体的，本实施例的发射支路包括低侧功率管(LST，Low-Side Transistor)和高侧功率管(HST，High-Side transistor)，低侧功率管的漏极和高侧功率管的漏极通过隔直电容连接，低侧功率管漏极与地之间并联有第一输出寄生电容Cout_L和中和电感Ld。通常LST的晶体管尺寸及工作电压均小于HST，但LST和HST的最佳负载阻抗相同，均为Ropt。优选的，当Ropt等于该射频前端的天线阻抗时，例如在本实施例中Ropt刚好是50Ω，则PMN不需要提供阻抗变换功能，可以是简单的隔直电容。
低侧功率管LST的第一输出寄生电容Cout_L，其被中和电感Ld中和，Ld也用于低侧功率管LST的漏极供电。Ld的电感值可以用下式表示：
Ld＝1/(ω0 2Cout_L) (1)
其中ω0表示工作角频率。
接收支路包括低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier)，其源极接地，栅极依次连接有LNA输入匹配网络(IMN,Input Matching Network)和单刀单掷开关；发射支路和接收支路后连接有后匹配网络(PMN，Post-Matching Network)。
进一步的，单刀单掷开关是基于λ/4传输线结构，为了减小电路尺寸，本实施例中λ/4传输线用集总参数π型网络等效实现。具体的，单刀单掷开关包括开关元件、集总参数π型网络和电阻，其中开关元件一端与LNA输入匹配网络连接，另一端接地；集总参数π型网络包括串联电感、第一电容和第二电容，其中串联电感两端分别连接第一电容和第二电容。所述高侧功率管的漏极与第二电容相连接，同时连接后匹配网络。所述电阻和集总参数π型网络中的第一电容均与开关元件并联。
在本实施例中，HST的第二输出寄生电容Cout_H被吸收到接收支路的SPST开关中，也就是说第二电容即是高侧功率管的第二输出寄生电容Cout_H。
图1中，开关元件S1可以用于发射模式下HST的漏极供电，避免了额外的偏置扼流电感。由于在接收模式下，S1会处于关闭状态，因此在S1旁边并联了一个高阻值电阻，以保证接收模式下HST的漏极供电。
本实施例的射频前端在发射模式下，LNA关闭，开关S1打开，S1呈现的短路状态经过λ/4传输线变换后，可以使得接收支路在合路点处呈现开路，因此射频前端的等效电路如图2所示。在接收模式下，PA关闭，开关S1关闭，由于LST和HST的输出寄生电容已经被吸收或者中和掉，而且其本征输出阻抗呈现高阻状态，因此射频前端的等效电路如图3所示。
在发射模式下，根据G类功放的工作原理，在低功率区只有LST工作，在高功率区只有HST工作。在本实施例提出的基于G类功放架构的高回退效率射频前端中，未引入额外的开关对LST和HST进行切换，而是利用了不同的偏置状态以及负载调制效应实现了工作功率管由LST向HST的转换。具体而言，LST偏置在class-AB状态，HST偏置在class-C状态，在低功率区只有LST工作，随着输出功率的增加，HST也开始工作，并且由于负载调制效应，LST的负载阻抗被迅速拉高，LST的输出功率逐渐降低，在饱和区PA的输出功率将完全由HST提供。需要注意的是，由于HST的输出电压摆幅较高，在PA的饱和区，LST的漏极电压电流将会被推入第三象限，LST成为一个整流器，吸收一部分HST的射频输出功率，转换为直流功率，PA的饱和功率将会略低于HST的饱和功率。假设LST和HST的漏极电压分别为VLST和VHST，忽略膝电压的影响，那么图1中的G类功放的功率回退(Power Back-off,PBO)范围可以估计为
PBO(dB)＝20lg(VHST/VLST) (2)
为了充分吸收HST的输出寄生电容，集总参数π型网络的第一电容值CT应当不小于第二电容值Cout_H，本实施例中假设CT等于Cout_H，如果有额外引入的并联电容，可以被视为等效Cout_H的一部分。假设工作角频率为ω0，那么λ/4传输线的特性阻抗ZT及π型网络的串联电感LT为
ZT＝1/(ω0Cout_H) (3)
图1中ZLNA表示LNA的源阻抗，其阻抗值可以计算为
Ropt为LST和HST的最佳负载阻抗。
本发明提出的基于G类功放架构的高回退效率射频前端，不同环节的设计可以实现解耦，具体设计步骤可选的如下：
第一步，根据发射功率要求选择合适的HST的尺寸及工作电压，并提取Ropt和Cout_H。
第二步，根据回退范围要求，应用公式(2)计算LST的工作电压及尺寸，并提取Cout_L。
第三步，应用公式(1)，计算LST的漏极并联电感值Ld。
第四步，应用公式(3)和(4)计算ZT和LT。如果ZT显著高于Ropt，λ/4传输线的高阻抗变换比会导致接收模式下的带宽出现恶化，此时就需要并联额外的电容，提高等效Cout_H。然后，基于更新后的Cout_H重新计算ZT和LT。
第五步，选择合适的开关元件作为图1中的S1。考虑到S1会用于HST的漏极供电，开关元件的饱和电流应该大于HST的饱和电流。此外，开关元件的输出寄生电容需要被吸收到π型网络中，作为第一电容CT的一部分。
第六步，应用公式(5)计算ZLNA，然后设计LNA的输入匹配网络IMN_LNA。为了实现更好的匹配带宽，SPST也可以被作为LNA输入匹配网络的一部分。
最后，设计后匹配网络PMN。
需要说明的是，基于G类功放架构的射频前端与频率及工艺无关，其功率管理论上可以基于任何工艺，比如GaAs、GaN、CMOS等，也可以设计应用于任何频率。
本领域技术人员应当知道，以上提到的电阻、电感、电容并不实指一个电子器件，还可以是经过并联、串联或其他方式搭建的电路等效而成的电阻、电感和电容。
本发明还提供一种射频前端电路，包括上述任一项技术方案所述的射频前端，其形态可以是单片集成电路(MMIC)，即射频前端的元件集成在同一颗Die中，也可以是混合集成电路，即元件分布在不同的Die上，或同时分布在不同的Die和PCB板上。为了降低损耗，图1中的Ld及LT可以用传输线或者Bonding线实现。
本发明还包括一种集成电路，包括上述任一项技术方案所述的射频前端。所述集成电路可以用于蜂窝通信系统的用户设备、基站、无线网络的接入点、无线电通信装置等通信设备中。
为了验证本实施例提出的基于G类功放架构的高回退效率射频前端的性能，这里给出一个设计实例。设计基于0.15-um GaN工艺，工作频率为5.6GHz，LST和HST的晶体管尺寸分别为8X100um和2X8X100um，漏极电压分别为14V和28V，LST偏置在AB类，HST偏置在C类。提取得到的Ropt是50Ω，Cout_L和Cout_H分别为0.3pF和0.53pF。按照上述设计步骤电路设计后，得到的仿真结果如图4(a)和图4(b)所示。图4(a)是发射模式下PA在不同输出功率下的漏极效率，可以看到回退效率有很大提升，回退范围达到了6dB。图4(b)是发射模式下LST和HST的漏极电流，可以看到，当输出功率超过回退点功率31dBm之后，LST的漏极电流逐渐下降为0，在饱和区甚至为负，即LST在饱和区会进入整流区。由此可见，应用本发明提出的技术方案后，射频前端在发射模式下的回退效率得到了有效提升，而且所采用的G类功放在不依赖于额外开关的情况下，就可以实现工作功率管从LST向HST的转换。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于G类功放架构的射频前端，其特征在于，包括发射支路和接收支路，所述发射支路包括低侧功率管和高侧功率管，所述低侧功率管的漏极和所述高侧功率管的漏极通过隔直电容连接，所述低侧功率管漏极与地之间并联有第一输出寄生电容和中和电感；所述发射支路和所述接收支路后连接有后匹配网络；
所述接收支路包括低噪声放大器，其栅极依次连接有LNA输入匹配网络和单刀单掷开关；
所述单刀单掷开关包括开关元件、集总参数π型网络和电阻，
所述开关元件一端与所述LNA输入匹配网络连接，另一端接地；
所述集总参数π型网络包括串联电感、第一电容和第二电容，所述串联电感两端分别连接第一电容和第二电容，所述高侧功率管的漏极与所述第二电容相连接，同时连接所述后匹配网络；
所述电阻和所述集总参数π型网络中的第一电容均与所述开关元件并联；
所述开关元件的饱和电流大于所述高侧功率管的饱和电流；所述开关元件的第三输出寄生电容被吸收到所述集总参数π型网络中，作为所述第一电容的一部分；所述低侧功率管和所述高侧功率管的最佳负载阻抗相同，所述低侧功率管的工作电压和尺寸均小于所述高侧功率管。
2.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述第二电容被配置作为所述高侧功率管的第二输出寄生电容。
3.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述第一电容的值不小于所述第二电容的值。
4.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述单刀单掷开关位于所述LNA输入匹配网络中，作为所述LNA输入匹配网络的一部分。
5.根据权利要求1～4任一项所述的射频前端，其特征在于，所述射频前端中的低侧功率管和高侧功率管为氮化镓晶体管、砷化镓晶体管或CMOS管。
6.一种射频前端电路，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的射频前端，所述射频前端的元件集成在同一颗Die中，或分布在不同的Die上，或同时分布在不同的Die和PCB板上。
7.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的射频前端。
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