CN103633949A

CN103633949A - 多模功率放大器、多模切换方法及其移动终端

Info

Publication number: CN103633949A
Application number: CN201210298572.3A
Authority: CN
Inventors: 白云芳
Original assignee: Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: EP2890005A1; US9667205B2; WO2014029240A1; EP2890005A4; CN103633949B; US20150236659A1; EP2890005B1

Abstract

本发明公开了一种多模功率放大器，同时也公开了该多模功率放大器实现不同工作模式切换的方法以及使用该多模功率放大器的移动终端。该多模功率放大器包括至少两级放大电路，各级放大电路之间采用级联方式连接；每一级放大电路中具有至少一个基本放大单元阵列，该基本放大单元阵列由多个基本放大单元并联组成。各基本放大单元阵列的偏置电压分别独立进行控制。通过灵活配置偏置电压，该多模功率放大器可以实现饱和模式和线性模式的切换，从而满足多种通信制式的实际需求。另外，该多模功率放大器还具有成本较低、电路简单灵活、易于实现等优点。

Description

多模功率放大器、多模切换方法及其移动终端

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及一种可以兼容饱和模式和线性模式，从而适应多种通信制式的多模功率放大器，同时也涉及该多模功率放大器实现不同工作模式切换的方法以及使用该多模功率放大器的移动终端，属于功率放大器技术领域。

背景技术

随着第三代移动通信技术（3G）的大规模部署，2G、3G制式将在很长一段时间内共存。这样，通信运营商既可以保证投入到2G的资源不被浪费，同时也可以做到向3G平滑过渡并降低成本。目前在中国市场上，同时有TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3种制式的3G技术共存。另外，Wi-Fi和WiMax作为3G-LTE的补充技术，也有其适宜生长的一片土壤。因此，多通信制式共存的市场环境对移动终端的多模化能力提出了新的要求。

多模技术包括通信基站的多模化和移动终端的多模化，其中移动终端的多模化又离不开多模功率放大器。多模功率放大器一般包括两种类型的功率放大器：饱和模式功率放大器和线性模式功率放大器。在GSM通信***中，需要使用饱和模式功率放大器。它采用GMSK调制方式，其射频信号的幅度中不包含调制信息，因此允许幅度压缩。而在基于码分多址的3G***，例如EDGE、TD-S CDMA、TD-LTE和CDMA2000等，则要求采用线性模式功率放大器。

饱和模式的特点是在一定范围的输入功率内，功率放大器的输出功率与输入功率无关，而由功率放大器输出级的供电和负载阻抗决定。线性模式下，功率放大器的输出功率与输入功率成一定的比例关系。即使在需要使用线性模式功率放大器的不同通信制式中，例如EDGE、TD-SCDMA、TD-LTE、WCDMA等，也会因为网络标准不同而对线性模式功率放大器有不同的要求，如输出功率、增益、电流等。从以上分析可以看出，饱和模式功率放大器和线性模式功率放大器需要采用完全不同的设计方法，满足电路要求的晶体管参数和工作电流也将存在很多差异。

在现有技术中，为了满足不同通信制式下的功率放大器要求，通常采用几个单模功率放大器加上选通开关来实现多模功率放大器，但这样大大提高了成本。例如在申请号为201110346135.X的中国专利申请中，公开了一种功率放大模块、多模射频收发器、射频前端模块、多模终端模块和多模终端发送信号的方法。其中包括两种工作模式：第一模式信号为GSM信号，第二模式信号为TD-SCDMA信号。当控制信号为第一模式低频信号时，控制器向低频放大器发送饱和模式信号。控制信号为第一模式高频信号时，向高频放大器发送饱和模式信号。控制信号为第二模式时，向高频放大器发送线性模式信号。在韩国专利申请KR 10-2010-0051808中，公开了一种通过在支持多模式的移动终端中将功率放大单元集成到一个模块中来节省移动终端的空间并减少制造成本的装置和方法。该移动终端的功率放大器包括第一放大单元和第二放大单元。第一放大单元将GSM四频段的频率定义为低频段和高频段，然后放大GSM四频段的低频段的信号。第二放大单元放大GSM四频段的高频段的信号和TD-SCDMA频段的信号。对于GSM高频段和TD-SCDMA频段信号的选择是由TD-SCDMA控制转换单元实现的。另外，美国专利US 09/455，813介绍了一种用于多模式移动通信设备的功率放大器，包括一个载波放大器和一个峰值放大器。峰值放大器具有一个可调节的偏压电平，并且根据所选择的通信模式，由调节器调节到预定电平。只要通信模式相同，峰值放大器上的偏压电平就保持不变。通过调节与通信模式选择相关的峰值放大器的偏压点，可以优化对于特定通信模式的调制效率和线性。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种多模功率放大器。该多模功率放大器可以兼容饱和模式和线性模式，从而适应多种通信制式的要求。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述多模功率放大器实现不同工作模式切换的方法。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供使用上述多模功率放大器的移动终端。

为解决上述的问题，本发明采用下述的技术方案：

一种多模功率放大器，其特征在于：

所述多模功率放大器包括至少两级放大电路，各级放大电路之间采用级联方式连接；

每一级放大电路中具有至少一个基本放大单元阵列，该基本放大单元阵列由多个基本放大单元并联组成；

每个基本放大单元分别包括电容、放大晶体管和电阻，其中所述电容一方面连接射频信号输入端，另一方面连接所述放大晶体管的基极；所述电阻一方面连接偏置电压端口，另一方面连接所述放大晶体管的基极，所述放大晶体管的集电极连接供电电压端口。

其中较优地，前一级放大电路的供电电压端口将射频信号耦合到下一级放大电路的射频信号输入端。

其中较优地，在前一级放大电路的供电电压端口与下一级放大电路的射频信号输入端之间设置有电感。

其中较优地，在基本放大单元中，所述放大晶体管的射极连接参考电压。

其中较优地，各基本放大单元阵列的偏置电压分别独立进行控制。

一种多模切换方法，基于上述的多模功率放大器实现，其特征在于：

在多模功率放大器的各级放大电路中，各基本放大单元阵列的偏置电压分别独立进行控制；

当多模功率放大器需要处于饱和模式时，调整各基本放大单元阵列的偏置电压，使全部放大晶体管处于导通状态；

当多模功率放大器需要处于线性模式时，调整各基本放大单元阵列的偏置电压，使部分放大晶体管处于导通状态。

其中较优地，在不同线性模式下，通过配置偏置电压来控制开启预定的基本放大单元，同时通过对偏置电压的调整实现不同线性模式下的性能指标优化。

其中较优地，当多模功率放大器需要覆盖不同的通信制式或是在某一通信制式下满足不同功率模式时，通过调整处于截止状态和导通状态的基本放大单元的数目以及调整处于导通状态的基本放大单元的偏置电压来实现；或者，将预定的基本放大单元阵列分解成更小的基本放大单元阵列，分别调整各更小的基本放大单元阵列的偏置电压。

另外，本发明还包括一种移动终端，该移动终端具有上述的多模功率放大器。

利用上述的技术方案，本发明所提供的多模功率放大器可以灵活配置偏置电压，实现各种饱和模式和线性模式的组合，从而满足EDGE、TD-SCDMA、TD-LTE和CDMA2000等多种通信制式的实际需求。另外，该多模功率放大器还具有成本较低、电路简单灵活、易于实现等优点。

附图说明

图1为多模功率放大器中一个基本放大单元的电路原理图；

图2为由多个基本放大单元并联组成的基本放大单元阵列的示意图；

图3为图2所示的基本放大单元阵列的简化示意图；

图4为具有两级放大电路的多模功率放大器的电路原理图；

图5为具有三级放大电路的多模功率放大器的电路原理图；

图6为具有四级放大电路的多模功率放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

前已述及，多模功率放大器一般包括两种基本类型的功率放大器：饱和模式功率放大器和线性模式功率放大器。在线性模式下工作的功率放大器常常需要覆盖不同通信制式，例如EDGE、TD_SCDMA、WCDMA、TD_LTE等；而在某一通信制式（例如WCDMA）下工作的线性模式功率放大器也常常需要拥有不同功率（也可以称为不同增益）的模式，例如高功率（高增益）模式、中等功率（中等增益）模式、低功率（低增益）模式。

为了满足上述需求，本发明所提供的多模功率放大器由X（X是正整数）个基本放大单元以并联与级联相结合的方式组成。这些基本放大单元可以利用偏置电压来开启和关闭，并进行不同功率模式的选择，因此不再需要选通开关。它们可以在不同通信模式下重复利用。通过调整优化不同通信模式下的偏置电压，达到优化电流和电路性能的目的。下面对此展开详细的说明。

图1为多模功率放大器中一个基本放大单元的电路原理图。该基本放大单元用于完成多模功率放大器的基本放大功能，包括电容105、放大晶体管106和电阻107，其中电容105一方面连接射频信号输入端以接收输入的射频信号101，另一方面连接放大晶体管106的基极，从而将射频信号101通过电容105耦合到放大晶体管106的基极；电阻107一方面连接偏置电压端口以接收偏置电压102，另一方面也连接放大晶体管106的基极，从而使偏置电压102通过电阻107为放大晶体管106提供直流电源。放大晶体管106的集电极连接供电电压端口103，通过电感将供电电压耦合到放大晶体管106的集电极上。放大晶体管106的射极连接参考电压104。上述偏置电压的调整都可以由CMOS电路实现。这是本领域普通技术人员都能掌握的常规设计，在此就不详细说明了。

图2为由X个基本放大单元并联组成的基本放大单元阵列的示意图。在图2所示的基本放大单元阵列中，示出了其中的三个基本放大单元，其他基本放大单元省略了。如图2所示，射频信号输入端口201分别连接到X个基本放大单元的射频信号输入端口（如图2中的205、209、213）；偏置电压端口202分别连接到X个基本放大单元的偏置电压端口（如图2中的206、210、214）；供电电压端口203分别连接到X个基本放大单元的供电电压端口（如图2中的207、211、215）；参考电压端口204分别连接到X个基本放大单元的参考电压端口（如图2中的208、212、216）。图3为图2所示的基本放大单元阵列的简化示意图，将在图4中使用。在图3中，M＝X，表示基本放大单元阵列由X个基本放大单元并联组成。

图4为具有两级放大电路的多模功率放大器的电路原理图。在该多模功率放大器中，射频信号输入端口401连接第一级放大电路404，第一级放大电路404和第二级放大电路413采用级联方式进行连接。第一级放大电路404由基本放大单元阵列405和基本放大单元阵列407并联组成，其中基本放大单元阵列405是由A（A是正整数）个基本放大单元并联组成，基本放大单元阵列407是由B（B是正整数）个基本放大单元并联组成。偏置电压406为基本放大单元阵列405提供直流偏置，偏置电压408为基本放大单元阵列407提供直流偏置。相应地，参考电压409为基本放大单元阵列404提供参考电位，参考电压418为基本放大单元阵列413提供参考电位。第一级放大电路404的供电电压端口402通过电感403将射频信号耦合到第二级放大电路413的射频信号输入端410。第二级放大电路413由基本放大单元阵列414和基本放大单元阵列416并联组成，其中基本放大单元阵列414是由C（C是正整数）个基本放大单元并联组成，基本放大单元阵列416是由D（D是正整数）个基本放大单元并联组成。偏置电压415为基本放大单元阵列414提供直流偏置，偏置电压417为基本放大单元阵列416提供直流偏置。第二级放大电路413通过电感412连接到供电电压端口411，同时在节点419处将射频信号耦合到输出匹配网络420，在射频信号输出端口421处完成信号输出。

图4所示多模功率放大器的显著特点在于通过灵活配置偏置电压，开启或关闭预定的基本放大单元，也就是说使一些基本放大单元处于正常工作（放大或饱和）或截止状态，参与或不参与放大功能。例如对于双极性晶体管而言，通过偏置电压的调整使发射结和集电结均处于反向偏置，则该晶体管处于截止状态；通过偏置电压的调整使发射结正向偏置而集电结反向偏置，则该晶体管处于放大状态；通过偏置电压的调整使发射结和集电结均处于正向偏置，则该晶体管处于饱和状态。对于场效应晶体管而言，偏置电压与工作状态的调整也是类似的，具体参数可以查阅相应的产品手册，在此就不详述了。这样，无论是在饱和模式还是线性模式下，基本放大单元都可以实现共用，并可以在一个多模功率放大器中实现多个不同饱和模式和多个不同线性模式的组合。在不同模式转换时，多模功率放大器不需要引入选通开关，也不需要增加额外的放大电路。并且，在各种不同的模式下，各基本放大单元可以拥有不同的工作电流，以便进一步优化不同工作模式下的性能指标。

举例来说，当多模功率放大器处于饱和模式时，一般输出功率比较大，这时处于正常工作状态的基本放大单元总数量最大，电路的工作电流最大。例如在图4所示的多模功率放大器工作于饱和模式时，所有的基本放大单元阵列405、407、414、416都将处于导通状态。通过调整优化这些基本放大单元阵列中各基本放大单元的数目A、B、C、D和偏置电压406、408、415、417的大小，可以达到饱和模式下的指标要求。

当多模功率放大器处于线性模式时，相应处于正常工作状态的基本放大单元总数应较饱和模式减少，工作电流也远少于饱和模式。在此情况下，可以通过控制偏置电压来关掉一些基本放大单元。例如在图4所示的多模功率放大器中，通过控制偏置电压406、415，使基本放大单元阵列405和414中的基本放大单元处于截止状态；通过控制偏置电压408和417，使基本放大单元阵列407和416中的基本放大单元处于导通状态。在此情况下，可以通过调整优化基本放大单元阵列407和416中基本放大单元的数目B和D，即B和D的数值以及偏置电压408、417以达到相应的技术指标要求，其中数目A应该大于等于零且小于A＋B，数目C应该大于等于零且小于C＋D。

进一步地，如果存在多个不同的线性模式，仍然可以通过配置偏置电压来控制开启预定的基本放大单元，同时通过对偏置电压的调整优化实现不同线性模式下的性能指标优化。例如多模功率放大器在线性模式下工作时，需要覆盖不同的通信制式（例如EDGE、WCDMA、TD_SCDMA、TD_LTE等）或是在某一通信制式下需要满足不同功率（增益）模式，可以通过进一步把基本放大单元阵列407和416（或其它基本放大单元阵列）分解成更小的基本放大单元阵列，分别调整这些更小的基本放大单元阵列的偏置电压，或者通过调整优化处于截止状态和导通状态的基本放大单元的数目以及调整优化处于导通状态的基本放大单元的偏置电压来实现。

图5为具有三级放大电路的多模功率放大器的电路原理图。这三级放大电路分别是第一级放大电路505、第二级放大电路510和第三级放大电路519，它们之间采用级联方式进行连接。其中第一级放大电路为基本放大单元阵列505，该基本放大单元阵列505由E（E是正整数）个基本放大单元并联组成。射频信号输入端501连接基本放大单元阵列505。供电电压端口502通过电感503将射频信号耦合到第二级放大电路510的射频信号输入端504。偏置电压506为基本放大单元阵列505提供直流偏置。参考电压507为基本放大单元阵列505提供参考电位。第二级放大电路510由基本放大单元阵列511和基本放大单元阵列513并联组成，其中基本放大单元阵列511是由F（F是正整数）个基本放大单元并联组成，基本放大单元阵列513是由G（G是正整数）个基本放大单元并联组成。偏置电压512为基本放大单元阵列511提供直流偏置，偏置电压514为基本放大单元阵列513提供直流偏置。参考电压515分别为基本放大单元阵列511和基本放大单元阵列513提供参考电位。第二级放大电路510的供电电压端508通过电感509将射频信号耦合到第三级放大电路519的射频信号输入端。第三级放大电路519由基本放大单元阵列520和基本放大单元阵列522并联组成，其中基本放大单元阵列520是由H（H是正整数）个基本放大单元并联组成，基本放大单元阵列522是由I（I是正整数）个基本放大单元并联组成。偏置电压521为基本放大单元阵列520提供直流偏置，偏置电压523为基本放大单元阵列522提供直流偏置。参考电压524分别为基本放大单元阵列520和基本放大单元阵列522提供参考电位。在节点525上，第三级放大电路519通过电感518连接到供电电压端517，同时将射频信号耦合到输出匹配网络526，在射频信号输出端527处完成信号输出。

当图5所示的多模功率放大器工作在饱和模式时，各基本放大单元阵列505、511、513、520和522中的基本放大单元都处于导通状态。此时，可以通过调整优化各基本放大单元阵列中基本放大单元的数目E、F、G、H和I的数值和相应的偏置电压506、512、514、521和523以达到具体的指标要求。在这种情况下，第一级放大电路505、第二级放大电路510和第三级放大电路519中的所有基本放大单元都将正常工作。基本放大单元阵列505、基本放大单元阵列511＋基本放大单元阵列513、基本放大单元阵列520＋基本放大单元阵列522的偏置电压506、512、514、521和523可以根据放大晶体管的技术指标要求予以确定。

当图5所示的多模功率放大器工作在线性模式时，通过控制偏置电压512和521，使基本放大单元阵列511和520中的基本放大单元处于截止状态；通过控制偏置电压506、514和523，使基本放大单元阵列505、513和522中的基本放大单元处于导通状态，可以通过调整优化基本放大单元阵列513和522中基本放大单元的数目，即G和I的数值以及偏置电压506、514和523以达到相应的技术指标要求。其中数目G大于等于零且小于F＋G，数目I大于等于零且小于H＋I。如果在线性模式下工作时，需要覆盖不同的通信制式（例如EDGE、WCDMA、TD_SCDMA、TD_LTE等）或是在某一通信制式下需要不同的功率（增益）模式，可以通过进一步把基本放大单元阵列513和522（或其它基本放大单元阵列）分解为更小的基本放大单元阵列，分别调整这些更小的基本放大单元阵列的偏置电压，并通过调整优化处于截止状态和导通状态的基本放大单元的数目以及调整优化处于导通状态的基本放大单元的偏置电压来实现。

通常情况下，第一级放大电路一般不去改变，因为需要考虑到输入阻抗的影响，但还是可以通过适当地调整偏置电压506来实现性能的优化，例如让偏置电压512、521为零电平，则可以关掉第二级放大电路510中的基本放大单元阵列511和第三级放大电路519中的基本放大单元阵列520。另外，基本放大单元阵列513中的参数G和基本放大单元阵列522中的参数I的数值和偏置电压514、523的大小可以根据线性模式下的具体指标要求予以确定。

图6为具有四级放大电路的多模功率放大器的电路原理图。在该多模功率放大器中，第一级放大电路605、第二级放大电路610和第三级放大电路619的内部结构和工作原理与图5所示的多模功率放大器基本相同，在此不予累述。第四级放大电路628采用级联方式与第三级放大电路619连接，其内部结构和工作原理也与第三级放大电路619是一致的。当图6所示的多模功率放大器工作在饱和模式时，所有基本放大单元阵列605、611、613、620、622、629和631中的基本放大单元都将处于导通状态，可以通过调整优化其中基本放大单元的数目J、K、L、M、N、O、P（均为正整数）的具体数值和偏置电压606、612、614、621、623、630和632的具体大小来达到相应的指标要求。当图6所示的多模功率放大器处于线性模式下，可以通过控制偏置电压612、621、630，使基本放大单元阵列611、620和629中的基本放大单元处于截止状态；通过控制偏置电压606、614、623、632，使基本放大单元阵列605、613、622和631中的基本放大单元处于导通状态。在此情况下，可以通过调整优化基本放大单元阵列613、622和631中的基本放大单元的数目，即L、N、P的数值以及偏置电压606、614、623和632使其达到相应的技术指标要求，其中L大于等于零且小于F＋L，N大于等于零且小于M＋N，P大于等于零且小于O＋P。另外，如果在线性模式下工作，需要覆盖不同的通信制式（例如EDGE、WCDMA，TD_SCDMA、TD_LTE等）或是在某一通信制式下需要不同的功率（增益）模式，也可以通过将基本放大单元阵列613、622和631（或其它基本放大单元阵列）进一步分解成更小的基本放大单元阵列，调整优化处于截止状态和导通状态的基本放大单元的数目和处于正常工作的基本放大单元的偏置电压来实现。

图4～图6分别显示了具有两级、三级和四级放大电路的多模功率放大器的不同实施例，但该多模功率放大器并不限于上述的放大级数。事实上，每一级放大电路由至少一个图2所示的基本放大单元阵列组成，各级放大电路之间采用级联方式连接，就可以组成任意放大级数的多模功率放大器，从而适应不同通信制式和不同功率（增益）模式的要求。

上述多模功率放大器可以用在移动终端中，作为射频电路的重要组成部分。这里所说的移动终端指可以在移动环境中使用、支持EDGE、WCDMA，TD_SCDMA、TD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，该多模功率放大器也适用于其他多模技术应用的场合，例如兼容多种通信制式的通信基站等，在此就不一一详述了。

上面对本发明所提供的多模功率放大器、多模切换方法及其移动终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种多模功率放大器，其特征在于：

2.如权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于：

前一级放大电路的供电电压端口将射频信号耦合到下一级放大电路的射频信号输入端。

3.如权利要求2所述的多模功率放大器，其特征在于：

在前一级放大电路的供电电压端口与下一级放大电路的射频信号输入端之间设置有电感。

4.如权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于：

在基本放大单元中，所述放大晶体管的射极连接参考电压。

5.如权利要求1所述的多模功率放大器，其特征在于：

各基本放大单元阵列的偏置电压分别独立进行控制。

6.一种多模切换方法，基于权利要求1所述的多模功率放大器实现，其特征在于：

7.如权利要求6所述的多模切换方法，其特征在于：

在不同线性模式下，通过配置偏置电压来控制开启预定的基本放大单元，同时通过对偏置电压的调整实现不同线性模式下的性能指标优化。

8.如权利要求6所述的多模切换方法，其特征在于：

当多模功率放大器需要覆盖不同的通信制式或是在某一通信制式下满足不同功率模式时，通过调整处于截止状态和导通状态的基本放大单元的数目以及调整处于导通状态的基本放大单元的偏置电压来实现。

9.如权利要求6所述的多模切换方法，其特征在于：

当多模功率放大器需要覆盖不同的通信制式或是在某一通信制式下满足不同功率模式时，将预定的基本放大单元阵列分解成更小的基本放大单元阵列，分别调整各更小的基本放大单元阵列的偏置电压。

10.一种移动终端，其特征在于所述移动终端具有如权利要求1～5中任意一项所述的多模功率放大器。