CN101656514A - 一种基于匹配共享增益可控的并联型射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器,适用于蓝牙等短距离通信***,包括:输入匹配级I,根据中间级II并联差分结构电路单元组合的变化,动态调整匹配电路,实现良好共轭匹配;中间级II,多组不同宽长比的差分结构电路单元在数字控制信号作用下,可以实现任意组合,达到了输出功率可编程;输出匹配级III,采用具有容性中和技术的巴伦电路结构;动态电压偏置电路IV,为中间级II的每个差分结构电路单元提供单独电压偏置电路。本发明还公开了其实现方法。本发明简化了输入和输出匹配电路,大大减小了芯片占用面积,采用数字控制方式,可以实现功率输出的精确控制,易于和其它***模块集成,增强了应用的广泛性。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频功率放大器,特别是涉及应用于短距离通信***中的射频功率放大器及其实现方法。
背景技术
近年来,CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)射频功率放大器已经得到广泛应用。今天,效率提高技术和功率可控技术越来越成为全集成CMOS收发芯片的关注热点。
但是,随着MOS管沟道长度的不断缩小,将意味着工作电压和输出功率的下降。为了能在一个低工作电压下获得大的输出功率,传统做法是采取多级级联,多级级联存在以下问题:稳定性变差;级间匹配网络设计困难;功率控制较难完成;输出功率难以做高,所以目前采用的最新技术是并联型功率放大器。
对于并联型功率放大器,为满足高功率输出,一般采用功率合成方式。对于功率合成,通常采用变压器、微带耦合器以及巴伦电路三种技术实现功率合成。对于变压器合成技术,在大功率输出(如瓦级)得到了广泛应用,但是其占用芯片面积较大;对于微带耦合器,需要较高的加工工艺支持,成本较高;而对于巴伦电路合成技术,即为常见的LC电路,易在片内集成,如图1所示,为一并联型功率放大器电路结构,采用的是巴伦电路合成技术。
此电路对每个差分结构电路单元均做了对应的巴伦电路,这样带来的一个明显的缺点就是:随着差分单元数目的增加,需要的巴伦电路随之增加,特别是片内电感数目的增加,往往片内电感的面积一般都是很大的,这样将占用大量的芯片面积。另外,在图1所示电路,每个差分结构电路单元都有相应的输入匹配,输入匹配电路中用到的电感数目与巴伦电路中的相等,这样,仅仅是电感就占用了功率放大器电路模块的大部分芯片面积,因此成本也会因之而提高。
发明内容
技术问题:本发明的目的是为克服以上不足,减少输入输出匹配网络的复杂度,提供应用范围广、成本低的一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器及其实现方法。
技术方案:本发明的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器是通过以下技术方案实现的:
该放大器包括:
输入匹配级I:由第一电感和第一电容组成的L型匹配电路构成,L型匹配电路结构形式为:第一电感与后面连接的中间级II并联,第一电容与后面连接的中间级II串联,且在第一电感两端并联第二微调电容阵列;
输出匹配级III:由实现双端转单端功能的巴伦电路构成,巴伦电路由第二电感和第三电容组成,且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感;
中间级II:由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成,其输入端为输入匹配级I的输出端,输出端为输出匹配级III的输入端;
动态电压偏置电路IV:由电压转换器电路构成,为单输入-多输出结构形式,单输入端接基准电压,N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接,其N个输出Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。
基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法包括如下步骤:
步骤1).首先,设计输入匹配网络I,采用传统的L型匹配电路结构,只是在L型匹配电路中的电感两端并联一可调电容阵列;
1.1)首先,在中间级II的N个差分结构电路单元全开启情况下,也即此时对应最大功率输出,设计出对应的标准L型匹配电路,此L型匹配电路由第一电感和第一电容组成,其电路结构形式为:第一电感Ln与后面连接的中间级II并联,第一电容与后面连接的中间级II串联;
1.2)然后,在只有宽长比最小的中间级II差分结构单元单独开启的情况下,也即此时对应最小功率输出,在第一电感Ln两端并联一个电容,在准确频点获得良好的反射系数;
1.3)当输出功率介于最大和最小功率输出值,依据上述步骤1.2),分别得到对应的并联电容值;
1.4)在不同功率输出要求下,会得到一系列离散电容值,根据***可提供的数字控制信号线数目,来选取不同值的片选电容。由这些片选电容组成第二微调电容阵列C1,在数字信号线D1-DK的控制下,完成中间级II每种差分结构单元组合方式下的输入共轭匹配,以减少反射损耗,达到最大功率传输;
步骤2)然后,设计输出匹配网络III,采用巴伦电路结构与容性中和技术;
步骤3)其次,设计中间级II,根据输出功率的要求,确定各差分结构电路单元的组合方式;
步骤4)最后,确定中间级各差分结构电路单元的偏置电压,设计动态电压偏置电路IV,
4.1在使中间级II的差分结构电路单元的输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内,选取10mV或20mV步长的一系列离散电压值,
4.2在100mV的输入激励下,获得对应的输出功率和功率附加效率曲线,在两者之间做出折衷:满足要求的功率输出,并且同时也获得较高的功率附加效率,这样就找到了对应此时组合状态下的偏置电压值,
4.3在不同功率输出要求下,根据步骤4.2)得到一系列电压值,采用DC-DC结构,DC-DC电路的输入电压来自基准电压,N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线DK+N+1-DK+2N控制,其输出电压Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置。通过数字信号线DTune1-DTuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小,将得到2M个电流值,同时也就得到了2M个偏置电压值,覆盖步骤4.2)所要求的全部电压值。
负载阻抗也即巴伦电路的输入阻抗Zopt的优化,其值在N个中间级II差分单元电路全开启的情况下,通过负载牵引测量获得。
步骤3)中,中间级II:以N个输入差分对MOS管宽长比不同的差分结构电路作为基本单元,差分结构电路单元的每种组合均对应一个特定的功率输出。对于不同的功率输出要求,用数字控制信号线DK+1-DK+N来完成每个差分结构电路单元的开启和断开,即实现不同组合方式的切换。
有益效果:本发明的优点及显著效果:(1)所使用片内电感数目大大减少,因而整个功率放大器模块占用芯片面积显著缩小,易于和其它***模块集成(2)结构简单,操作方便,只需要数字控制信号线来完成功率控制(3)动态电压偏置,可以微调偏置电压,为片外测试和应用带来方便,如果能采用宽带匹配技术,可以进一步扩大其在多频段的应用范围。
附图说明
图1是公知的基于巴伦电路合成技术的并联型功率放大器电路原理图
图2是本发明基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器原理图
具体实施方式
首先阐述本发明方法的基本原理大致如下:
如图2所示,根据不同输出功率的要求,在数字信号线DK-DK+N作用下,开启对应的中间级II差分结构电路单元组合,并同时在数字信号线DK+N+1-DK+2N作用下,开启动态电压偏置电路IV中对应单元的电压偏置电路,使其工作状态在AB类。与此同时,在数字信号线D1-DK作用下,调节输入匹配级I电路中与电感并联的电容值,在准确频点上得到良好的反射系数,实现良好输入共轭匹配,以达到最大功率传输。如果差分结构电路单元不工作,在数字控制信号线DK-DK+2N作用下,关闭对应的偏置和电路单元,从而不影响其他电路单元工作,并节省功耗。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
请参阅图2,揭示本发明提出的一种基于匹配共享、增益可控的射频功率放大器的电路原理,如图所示,本发明射频功率放大器具体包括输入匹配级I、中间级II、输出匹配级III以及动态电压偏置电路IV,
输入匹配级I:由第一电感Ln和第一电容Cn组成的L型匹配电路构成,L型匹配电路结构形式为:第一电感Ln与后面连接的中间级II并联,第一电容Cn与后面连接的中间级II串联,且在第一电感Ln两端并联第二微调电容阵列C1;
输出匹配级III:由实现双端转单端功能的巴伦电路构成,巴伦电路由第二电感Lm和第三电容Cm组成,且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感Lo;
中间级II:由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成,其输入端为输入匹配级I的输出端,输出端为输出匹配级III的输入端;
动态电压偏置电路IV:由电压转换器DC-DC电路构成,为单输入-多输出结构形式,单输入端接基准电压,N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接,其N个输出Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。
具体实施步骤如下:
步骤1:设计输入匹配级I,首先在中间级II中N个差分单元电路全开启情况下,设计出对应的标准L型匹配电路,得到对应的Ln和Cn,其电路结构形式为:第一电感Ln与后面连接的中间级II并联,第一电容Cn与后面连接的中间级II串联。
步骤2:根据步骤1确定的L型匹配电路,在只有中间级II中宽长比最小的差分结构单元单独开启的情况下,在L型匹配电路中第一电感Ln两端并联一电容,在准确频点获得良好的反射系数,因为此时中间级II的输入电容最小,此时对应的电容值为最大可调电容值。
步骤3:根据步骤2,当输出功率介于最大和最小功率输出值之间,分别得到对应的并联电容值。
步骤4:根据步骤2和3得到的一系列电容值,视***所能提供的数字控制信号线Dk(k=1,2,…,k)的数目来确定片选电容的大小及其数目,力求占用面积最小。这样,在K个片选电容组成的第二微调电容阵列C1,在k个数字控制信号线Dk(k=1,2,…,k)的控制下,覆盖上面所有的离散电容值。
步骤5:步骤4已完成输入匹配级I,然后设计输出匹配级III,在中间级II中N个差分单元电路全部开启的情况下,对差分输出端并联第三电感Lo,Lo与中间级电路的输出电容都成谐振电路,以提高功率附加效率。
步骤6:根据步骤5得到的中间级II输出为纯阻抗,接下来找出最佳负载阻抗Zopt,通常通过负载牵引技术测得,也即为后面巴伦电路的输入阻抗。
步骤7:据步骤6得到的最佳负载阻抗Zopt,取巴伦电路的负载为50欧姆,运用相关公式得出巴伦电路的第二电感Lm和第三电容Cm,这样就完成了输出匹配。
步骤8:以上步骤已完成输入匹配级I和输出匹配级III,接下来优化中间级II的差分电路单元的组合。根据不同的功率输出要求,选取因并联而宽长比相近的不同差分结构电路单元组合方式,测得每种组合的功率输出和功率附加效率性能,经比较,得出最佳组合方式。每种最佳组合的切换,很容易通过数字信号线Dk+1-Dk+N来驱动实现。
步骤9:本步骤可以和步骤8同步进行,在寻求最佳组合方式的过程中,对所有备选的所有组合方式,按以下步骤确定其偏置电压值:
9.1在使输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内,选取10mV或20mV为步长的一系列离散电压值。
9.2在100mV的输入激励下,测得对应的输出功率和功率附加效率曲线,在两者之间做出折衷:满足功率输出要求,并且同时也获得较高的功率附加效率,这样就找到了对应此时组合状态下的偏置电压值。
步骤10:根据步骤9得到的满足输出功率要求的最佳组合方式偏置电压,设计DC-DC电路。DC-DC电路的输入电压来自基准电压,N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线DK+N+1-DK+2N控制,其输出电压Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置。通过数字信号线DTune1-DTuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小,将得到2M个电流值,同时也就得到了2M个偏置电压值,覆盖步骤9所要求的全部电压值。
Claims (4)
1、一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器,其特征在于该放大器包括:
输入匹配级I:由第一电感(Ln)和第一电容(Cn)组成的L型匹配电路构成,L型匹配电路结构形式为:第一电感(Ln)与后面连接的中间级II并联,第一电容(Cn)与后面连接的中间级II串联,且在第一电感(Ln)两端并联第二微调电容阵列(C1);
输出匹配级III:由实现双端转单端功能的巴伦电路构成,巴伦电路由第二电感(Lm)和第三电容(Cm)组成,且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感(Lo);
中间级II:由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成,其输入端为输入匹配级I的输出端,输出端为输出匹配级III的输入端;
动态电压偏置电路IV:由电压转换器(DC-DC)电路构成,为单输入-多输出结构形式,单输入端接基准电压,N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接,其N个输出Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。
2、一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法,其特征在于该方法包括如下步骤:
步骤1).首先,设计输入匹配网络I,采用传统的L型匹配电路结构,只是在L型匹配电路中的电感两端并联一可调电容阵列;
1.1)首先,在中间级II的N个差分结构电路单元全开启情况下,也即此时对应最大功率输出,设计出对应的标准L型匹配电路,此L型匹配电路由第一电感(Ln)和第一电容(Cn)组成,其电路结构形式为:第一电感Ln与后面连接的中间级II并联,第一电容(Cn)与后面连接的中间级II串联;
1.2)然后,在只有宽长比最小的中间级II差分结构单元单独开启的情况下,也即此时对应最小功率输出,在第一电感Ln两端并联一个电容,在准确频点获得良好的反射系数;
1.3)当输出功率介于最大和最小功率输出值,依据上述步骤1.2),分别得到对应的并联电容值;
1.4)在不同功率输出要求下,会得到一系列离散电容值,根据***可提供的数字控制信号线数目,来选取不同值的片选电容。由这些片选电容组成第二微调电容阵列C1,在数字信号线D1-DK的控制下,完成中间级II每种差分结构单元组合方式下的输入共轭匹配,以减少反射损耗,达到最大功率传输;
步骤2)然后,设计输出匹配网络III,采用巴伦电路结构与容性中和技术;
步骤3)其次,设计中间级II,根据输出功率的要求,确定各差分结构电路单元的组合方式;
步骤4)最后,确定中间级各差分结构电路单元的偏置电压,设计动态电压偏置电路IV,在使中间级II的差分结构电路单元的输入差分对MOS管工作在AB类的偏置电压范围内,选取10mV或20mV步长的一系列离散电压值,
4.2在100mV的输入激励下,获得对应的输出功率和功率附加效率曲线,在两者之间做出折衷:满足要求的功率输出,并且同时也获得较高的功率附加效率,这样就找到了对应此时组合状态下的偏置电压值,
4.3在不同功率输出要求下,根据步骤4.2)得到一系列电压值,采用DC-DC结构,DC-DC电路的输入电压来自基准电压,N个独立输出电路的开启与关断受数字信号线DK+N+1-DK+2N控制,其输出电压Vbias_1-Vbias_N分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置。通过数字信号线DTune1-DTuneM来改变DC-DC电路中的电流镜的电流大小,将得到2M个电流值,同时也就得到了2M个偏置电压值,覆盖步骤4.2)所要求的全部电压值。
3、根据权利要求2所述的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法,其特征在于负载阻抗也即巴伦电路的输入阻抗Zopt的优化,其值在N个中间级II差分单元电路全开启的情况下,通过负载牵引测量获得。
4、根据权利要求2所述的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法,其特征在于步骤3)中,中间级II:以N个输入差分对MOS管宽长比不同的差分结构电路作为基本单元,差分结构电路单元的每种组合均对应一个特定的功率输出。对于不同的功率输出要求,用数字控制信号线DK+1-DK+N来完成每个差分结构电路单元的开启和断开,即实现不同组合方式的切换。
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