CN204697011U - 一种用于gsm/dcs的共源共栅射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，包括由第一射频晶体管和第二射频晶体管组成的GSM频段共源共栅功率放大电路和由第三射频晶体管和第四射频晶体管组成的DCS频段共源共栅功率放大电路，所述GSM频段共源共栅功率放大电路和DCS频段共源共栅功率放大电路共用一个共栅级栅极去耦电容；GSM频段共源共栅功率放大电路的第一偏置电路和第二偏置电路以及DCS频段共源共栅功率放大电路的第三偏置电路和第四偏置电路连接功率控制单元，所述功率控制单元具有至少一个用于调整四个偏置电路的输出偏置电压的控制信号端。四个晶体管采用GaAs E/D pHEMT工艺，具有高性能及低成本的优势。

Description

一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器

技术领域

本实用新型属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器。

背景技术

射频功率放大器是各种无线通信应用中必不可少的关键部件，用于将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大，以满足无线通信所需的射频信号的功率要求。射频功率放大器属于大信号器件，因此要求用于制造射频功率放大器的半导体器件具有高击穿电压、高电流密度等特性。相对于数字电路、模拟电路等小信号电路所普遍采用Si CMOS工艺，基于GaAs材料的HBT、pHEMT等工艺，由于其较高的击穿电压和载流子迁移速率，在射频功率放大器领域中得到了广泛的应用。

如图1所示为一个典型的射频功率放大器电路，晶体管103作为射频功率放大器中的重要有源器件，在实际中通常采用Si或GaAs工艺制造；射频功率放大器的输入信号端口RFin通过输入匹配网络101连接到晶体管103的栅极；晶体管103的栅极还通过偏置电路102连接到射频功率放大器的偏置电压端口Vbias；晶体管103的源极连接到地；晶体管103的漏极通过扼流电感104连接到射频功率放大器的供电电压端口Vcc；供电电压端口Vcc还连接到去耦电容105的一端，去耦电容105的另外一端连接到地；晶体管103的漏极还通过输出匹配网络106连接到射频功率放大器的输出信号端口RFout。射频功率放大器的输入信号电压摆幅较低，经过晶体管103功率放大之后，输出信号的电压摆幅大幅提升。对于一个典型的Class-A/B/AB射频功率放大器，在供电电压Vcc下工作，晶体管漏极上的电压摆幅通常可以达到2×Vcc。譬如，当射频功率放大器的供电电压Vcc为5V时，晶体管漏极上的电压摆幅将达到10V。如果射频功率放大器工作于Class-E状态，那么晶体管漏极上的电压摆幅将会更高，达到3.5×Vcc以上。由此可见，射频功率放大器中的晶体管上将承受远高于供电电压的摆幅，对晶体管的击穿电压及可靠性提出了很高的要求。选用足够高击穿电压的半导体工艺来制造射频功率放大器，将使得选择余地严重受限，丧失了设计灵活性并将降低集成度。

为了使得较小击穿电压半导体工艺也可以用于制造射频功率放大器，业界通常通过将射频功率放大器电路设计为共源共栅结构来提高器件的击穿电压。如图2所示，为一个典型的共源共栅结构的射频功率放大器。晶体管203和晶体管204为射频功率放大器中实现功率放大的有源器件，在实际中通常采用Si或GaAs工艺制造；射频功率放大器的输入信号端口RFin通过输入匹配网络201连接到晶体管203的栅极；晶体管203的栅极还通过偏置电路202连接到射频功率放大器的偏置电压端口Vbias1；晶体管203的源极连接到地；晶体管203的漏极连接到晶体管204的源极；晶体管204的栅极通过偏置电路205连接到射频功率放大器的偏置电压端口Vbias2；晶体管204的栅极还连接到去耦电容206的一端，去耦电容206的另外一端连接到地；晶体管204的漏极通过扼流电感207连接到射频功率放大器的供电电压端口Vcc；供电电压端口Vcc还连接到去耦电容208的一端，去耦电容208的另外一端连接到地；晶体管204的漏极还通过输出匹配网络209连接到射频功率放大器的输出信号端口RFout。射频功率放大器的输入信号电压摆幅较低，经过晶体管203及晶体管204功率放大之后，输出信号的电压摆幅大幅提升。在共源共栅结构射频功率放大器中，晶体管203为共源级，晶体管204为共栅极；这样的共源共栅结构相比单晶体管共源结构具有更高的功率增益和更高的反向隔离度；更为重要的是，共源共栅结构比单晶体管共源结构具有更高的击穿电压，允许射频功率放大器有更高的工作电压。

如图2所示，工作于Class-A/AB/B状态的共源共栅结构射频功率放大器，晶体管204漏极的射频电压摆幅为2×Vcc，晶体管203漏极的射频电压摆幅则不超过Vcc。因此，晶体管203及晶体管204各自漏极与源极之间的电压摆幅都不超过2×Vcc，保证了晶体管工作于安全区域。

虽然目前3G和4G移动通信在全世界范围内已经获得越来越多的部署和应用，但是作为部署最广泛和应用最成熟的移动通信标准，2G GSM依然是所有移动终端都需要支持的通信模式。2G GSM通信模式中的上行通信包括4个频段，分别是：GSM850：824-849MHz；GSM900:880-915MHz；DCS1800：1710-1785MHz；PCS1900：1850-1910MHz；通常所有移动终端的功率放大器都需要支持2G GSM通信模式的这4个频段。由于GSM850频段与GSM900频段相邻，统称为GSM低频段或GSM频段； DCS1800频段与PCS1900频段相邻，统称为GSM高频段或DCS频段。通常可以采用两个射频功率放大器分别覆盖GSM频段和DCS频段，即一个射频功率放大器覆盖GSM频段824-915MHz，另外一个射频功率放大器覆盖DCS频段1710-1910MHz。并且两个支持不同频段的射频功率放大器的核心电路制造在同一个管芯上，封装在同一个芯片当中。这样会使得管芯面积较为庞大，尤其是电路中的去耦电容，通常在几十pF到几百pF量级，会占据相当大的管芯面积，从而使得整个2G射频功率放大器芯片具有较高的成本。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，采用基于GaAs E/D pHEMT工艺的共源共栅结构，在同一颗芯片上集成有两个分别应用于GSM频段和DCS频段的共源共栅结构的射频功率放大器，并且两个射频功率放大器在芯片上共用一个共栅级栅极电容，具有高性能及低成本的优势。

本实用新型的技术方案是：

一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，包括由第一射频晶体管和第二射频晶体管组成的GSM频段共源共栅功率放大电路和由第三射频晶体管和第四射频晶体管组成的DCS频段共源共栅功率放大电路，所述GSM频段共源共栅功率放大电路和DCS频段共源共栅功率放大电路共用一个共栅级栅极去耦电容；GSM频段共源共栅功率放大电路的第一偏置电路和第二偏置电路以及DCS频段共源共栅功率放大电路的第三偏置电路和第四偏置电路连接功率控制单元，所述功率控制单元具有至少一个用于调整第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路和第四偏置电路的输出偏置电压的输入控制信号端。

优选的，所述输入控制信号端连接系统控制器或者连接射频功率放大器输出检测处理电路的输出端。

优选的，所述第一射频晶体管、第二射频晶体管、第三射频晶体管和第四射频晶体管为GaAs E/D pHEMT晶体管。

优选的，所述共栅级栅极去耦电容的容值大于100pF。

优选的，所述GSM频段共源共栅功率放大电路和DCS频段共源共栅功率放大电路可以为多级共源共栅功率放大电路。

本实用新型的优点是：

1．采用基于GaAs E/D-pHEMT工艺的共源共栅结构，在同一颗芯片上集成两个分别应用于GSM频段和DCS频段的射频功率放大电路，并且两个射频功率放大电路在芯片上共用一个共栅级栅极电容，使得芯片的面积大大减少，大大降低了GSM射频功率放大器的成本。

2．通过Ctrl信号合理地控制共源共栅晶体管对的工作状态（包括打开、关闭、高偏置电压、低偏置电压等），可以优化射频功率放大器在不同输出功率等级下的效率及线性度等性能指标，具有高性能及低成本优势。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为现有典型的射频功率放大器电路图；

图2为现有典型的共源共栅结构的射频功率放大器电路图；

图3为不共用共栅级栅极电容的GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器电路图；

图4为本实用新型用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

实施例：

如图3所示，一个采用共源共栅结构的GSM/DCS四频功率放大器，由GSM输入匹配网络301、第一偏置电路302、第二偏置电路305、第一晶体管303、第二晶体管304、第一去耦电容307、第一扼流电感308、第二去耦电容309、GSM输出匹配网络310组成共源共栅结构的GSM频段射频功率放大电路；由DCS输入匹配网络311、第三偏置电路312、第四偏置电路315、第三晶体管313、第四晶体管314、第三去耦电容317、第二扼流电感318、第四去耦电容319、DCS输出匹配网络320组成共源共栅结构的DCS频段射频功率放大电路。功率控制单元306接受来自外部的至少一个控制信号Ctrl，控制信号Ctrl控制第一偏置电路302、第二偏置电路305、第三偏置电路312、第四偏置电路315的输出电压控制第一晶体管303、第二晶体管304、第三晶体管313、第四晶体管314的工作状态，从而控制GSM频段功率放大器和DCS频段功率放大器的工作状态并实现功率控制。

GSM频段功率放大器和DCS频段功率放大器的核心电路部分，需要制造在同一个管芯上，会使得管芯面积较为庞大，尤其是电路中的去耦电容，通常在几十pF到几百pF量级，会占据相当大的管芯面积，从而使得整个2G射频功率放大器芯片具有较高的成本。

因此为了减少管芯面积，两个射频功率放大器在芯片上共用一个共栅级栅极去耦电容。如图4所示，为一个采用共源共栅结构的GSM/DCS四频功率放大器。由GSM输入匹配网络401、第一偏置电路402、第二偏置电路405、第一晶体管403、第二晶体管404、第一去耦电容407、第一扼流电感408、第二去耦电容409、GSM输出匹配网络410组成共源共栅结构的GSM频段射频功率放大电路；由DCS输入匹配网络411、第三偏置电路412、第四偏置电路415、第三晶体管413、第四晶体管414、第一去耦电容407、第二扼流电感418、第四去耦电容419、DCS输出匹配网络420组成共源共栅结构的DCS频段射频功率放大电路；功率控制单元406接受来自外部的至少一个控制信号Ctrl，控制信号Ctrl控制第一偏置电路402、第二偏置电路405、第三偏置电路412、第四偏置电路415的输出电压控制第一晶体管403、第二晶体管404、第三晶体管413、第四晶体管414的工作状态，从而控制GSM频段功率放大器和DCS频段功率放大器的工作状态并实现功率控制。

功率控制电路406的至少一个输入控制信号Ctrl，既可以来自于系统控制器（如无线通信设备中的中央处理器、射频收发器等），也可以来自于射频功率放大器输出检测处理电路的输出信号。

第一晶体管403、第二晶体管404、第三晶体管413和第四晶体管414均为GaAs pHEMT晶体管。由图4可见，GSM频段共源共栅射频功率放大电路和DCS频段共源共栅射频功率放大电路在电路拓扑结构上相同，都是由GaAs pHEMT晶体构成的共源共栅结构。相较于如图3所示的GSM射频功率放大器，本实用新型所提出的方案中，GSM频段射频功率放大器和DCS频段射频功率放大器共用同一个共栅级栅极去耦电容。即GSM频段共源共栅射频功率放大器的共栅级晶体管404的栅极连接到去耦电容407的第一端，DCS频段共源共栅射频功率放大器的共栅级晶体管414的栅极也连接到去耦电容407的第一端。在GSM移动通信中，GSM频段射频功率放大器与DCS频段射频功率放大器不同时工作，即在同一时刻下，两个射频功率放大器至多仅有一个在工作。因此，本实用新型所提的技术方案下，至少一个控制信号Ctrl根据基带芯片或射频收发器芯片的指令，通过控制对应的偏置电路的开启和关闭，来控制GSM频段射频功率放大器及DCS频段射频功率放大器的开启和关闭。譬如，在某时刻下，Ctrl信号控制第一偏置电路402及第二偏置电路405开启，并控制第三偏置电路412及第四偏置电路415关闭，此时刻下GSM频段射频功率放大器处于工作状态而DCS频段射频功率放大器处于关闭状态；在另一时刻下，Ctrl信号控制第一偏置电路402及第二偏置电路405关闭，并控制第三偏置电路412及第四偏置电路415开启，此时刻下DCS频段射频功率放大器处于工作状态而GSM频段射频功率放大器处于关闭状态。由上可知，共栅级栅极去耦电容407可以由GSM频段射频功率放大器和DCS频段射频功率放大器两者共享而不会干扰各自电路的正常工作。

为了达到较好的栅极去耦效果，通常GSM频段和DCS频段射频功率放大器的共栅级栅极去耦电容的容值大于100pF，将占据相当大的芯片面积，甚至超过了晶体管所占的芯片面积；因此，在本实用新型所提出的技术方案下，共栅级栅极去耦电容所占据的芯片面积将大幅缩小为原先的一半，有效降低了GSM射频功率放大器的成本。

另外需要说明的是，上述实施例中GSM频段射频功率放大器和DCS频段射频功率放大器都是单级射频功率放大器，在具体实施中可以根据具体情况设计为两级、三级甚至更多级的射频功率放大器，并且根据本实用新型之精神，GSM频段和DCS频段射频功率放大器相应各级的共栅级栅极去耦电容都可以进行共用。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1. 一种用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，其特征在于，包括由第一射频晶体管和第二射频晶体管组成的GSM频段共源共栅功率放大电路和由第三射频晶体管和第四射频晶体管组成的DCS频段共源共栅功率放大电路，所述GSM频段共源共栅功率放大电路和DCS频段共源共栅功率放大电路共用一个共栅级栅极去耦电容；GSM频段共源共栅功率放大电路的第一偏置电路和第二偏置电路以及DCS频段共源共栅功率放大电路的第三偏置电路和第四偏置电路连接功率控制单元，所述功率控制单元具有至少一个用于调整第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路和第四偏置电路的输出偏置电压的输入控制信号端。

2.根据权利要求1所述的用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，其特征在于，所述输入控制信号端连接系统控制器或者连接射频功率放大器输出检测处理电路的输出端。

3.根据权利要求1所述的用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，其特征在于，所述第一射频晶体管、第二射频晶体管、第三射频晶体管和第四射频晶体管为GaAs E/D pHEMT晶体管。

4.根据权利要求1所述的用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，其特征在于，所述共栅级栅极去耦电容的容值大于100pF。

5.根据权利要求1所述的用于GSM/DCS的共源共栅射频功率放大器，其特征在于，所述GSM频段共源共栅功率放大电路和DCS频段共源共栅功率放大电路可以为多级共源共栅功率放大电路。