CN106549638A - 一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器、芯片及通信终端 - Google Patents

一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器、芯片及通信终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器、芯片及通信终端。该射频功率放大器包括电源、LDO电路、谐波抑制单元、杂散抑制单元、放大单元、低通匹配网络。一方面，通过使电源连接谐波抑制单元，抑制电源在谐振频率处的谐波与杂散。并且，通过杂散抑制单元降低放大单元在谐振频率处的增益，从而降低输出杂散。另一方面，通过在本射频功率放大器的输出端嵌入低通匹配网络，有效抑制经放大单元放大的射频信号在不同频率处的谐波与杂散。

Description

一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器、芯片及通信终端
技术领域
本发明涉及一种射频功率放大器，尤其涉及一种可以抑制谐波与杂散的射频功率放大器，同时也涉及包括该射频功率放大器的芯片及通信终端，属于集成电路技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，对无线收发器的线性性能要求逐步提高。射频功率放大器作为发射机中的最后一级，很大程度上影响了整个收发机的线性性能。通常，射频功率放大器的最后一级采用A类或B类功率放大器。由于非线性失真的影响，当信号增加到一定程度时，射频功率放大器因工作在非线性区而产生一系列谐波与杂散，很大程度上影响了射频功率放大器的线性性能，所以抑制谐波与杂散成为提高射频功率放大器线性度的重要措施。
在申请号为201510057384.5的中国专利申请中，公开了一种改善射频功率放大器谐波性能的电路结构。该电路结构包括射频功率放大管、二次谐波抑制网络、三次谐波抑制网络、高次谐波抑制网络、第一匹配电感、第二匹配电感和隔直电容；其中，第一匹配电感、第二匹配电感、三次谐波抑制网络和高次谐波抑制网络构成功率放大器的低通输出匹配网络并连接于功放管的集电极处；二次谐波抑制网络连接于功放管的集电极，独立于输出匹配网络且抑制频率可调节，三次和高次谐波抑制网络包含于输出匹配网络中且高次谐波抑制频率可调节。该电路结构有效地抑制了射频功率放大器产生的谐波分量，改善了功率放大器的性能。
但是，发射机中的射频功率放大器还有可能产生频带外的杂散输出，杂散输出位于接收机频带内，如果不能很好地被隔离，可能会被耦合到接收机前端的低噪声放大器输入端，形成干扰，或者也会对其他相邻信道形成干扰。所以，需要对射频功率放大器进行进一步改进，使其不仅能抑制谐波，还能限制频带外的寄生输出。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种可以抑制谐波与杂散的射频功率放大器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述射频功率放大器的芯片及通信终端。
为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器，它包括电源、LDO电路、谐波抑制单元、杂散抑制单元、放大单元、低通匹配网络；其中，
所述电源与所述谐波抑制单元连接，在所述LDO电路与所述放大单元之间设置所述杂散抑制单元；
在所述放大单元的输出端设置所述低通匹配网络，通过所述低通匹配网络产生多个谐振频率，抑制经所述放大单元放大的射频信号在所述谐振频率处的谐波与杂散。
其中较优地，所述电源包括第一电源和第二电源，所述第一电源与所述第二电源共用所述谐波抑制单元。
其中较优地，所述谐波抑制单元的一端分别与所述电源连接，另一端接地；通过所述谐波抑制单元产生多个谐振频率，抑制所述电源在所述谐振频率处的谐波与杂散。
其中较优地，所述谐波抑制单元为多个LC串联谐振电路并联组成的LC阵列，每个LC串联谐振电路由电容与电感串联组成。
其中较优地，所述杂散抑制单元由多个负载级联组成，每一级负载通过隔离电感与下一级负载连接，实现对杂散的隔离。
其中较优地，所述每一级负载包括负载电感与LC阵列，所述LC阵列的一端分别与所述负载电感和所述隔离电感连接，另一端接地；
所述负载电感的另一端与放大单元中对应的晶体管的集电极或漏极连接，所述晶体管的发射极或源极接地；
通过所述每一级负载产生低于工作频率的多个谐振点以及与所述谐振点对应的谐振频率，抑制所述晶体管在所述谐振频率处的杂散。
其中较优地，所述每一级负载中产生的谐振点的数目以及谐振频率相互独立，通过灵活配置以抑制所述晶体管在不同频率处的杂散。
其中较优地，所述低通匹配网络为多个匹配网络级联组成的多级匹配网络，每一级匹配网络由第一电感、第一电容、第二电感、第二电容组成；
所述第一电感与所述第一电容并联组成LC并联谐振电路，所述第二电感与所述第二电容串联组成LC串联谐振电路；
所述LC串联谐振电路的一端分别与本级匹配网络的所述LC并联谐振电路以及下一级匹配网络的所述LC并联谐振电路连接，所述LC串联谐振电路的另一端接地。
其中较优地，在所述每一级匹配网络中，所述LC并联谐振电路的谐振频率高于工作频率，所述LC串联谐振电路的谐振频率高于工作频率，通过电压分压作用、电流分流作用抑制射频信号在所述谐振频率处的谐波与杂散。
其中较优地，所述放大单元由至少一级放大电路级联组成；
每一级放大电路由晶体管组成，各级放大电路之间通过电容连接；
所述每一级放大电路分别与所述杂散抑制单元连接。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种芯片，包括有上述任意一项所述的射频功率放大器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，包括有上述任意一项所述的射频功率放大器。
本发明所提供的射频功率放大器，一方面通过使第一电源与第二电源共用谐波抑制单元，实现抑制第一电源与第二电源在谐振频率处的谐波与杂散，并且通过杂散抑制单元降低放大单元在谐振频率处的增益，从而降低输出杂散。另一方面，通过在射频功率放大器的输出端嵌入低通匹配网络，抑制经放大单元放大的射频信号在不同频率处的谐波与杂散。同时，由于本射频功率放大器主要是通过在电源通路上连接LC阵列以及运用低通匹配网络实现对谐波以及杂散的有效抑制，所以简化了射频功率放大器的设计复杂度，降低了相关设计实现的成本。
附图说明
图1为本发明所提供的一种射频功率放大器的电路原理图；
图2为本发明所提供的射频功率放大器中，谐波抑制单元的原理图；
图3为本发明所提供的射频功率放大器中，杂散抑制单元与放大单元的连接示意图；
图4为本发明所提供的射频功率放大器中，杂散抑制单元的每一级负载与对应放大电路的连接示意图；
图5为本发明所提供的射频功率放大器中，低通匹配网络的电路原理图；
图6为本发明所提供的另一种射频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例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
首先需要说明的是，在本发明的各个实施例中，所涉及的通信终端指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_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，该射频功率放大器也适用于其他功率放大电路应用的场合，例如兼容多种通信制式的通信基站等。
图1为本发明所提供的一种可以抑制谐波与杂散的射频功率放大器的电路原理图。如图1所示，该射频功率放大器包括控制电路101、LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)电路103、杂散抑制单元105、谐波抑制单元108、放大单元、低通匹配网络114。其中，第一电源106为控制电路101提供供电电压，使控制电路101产生控制电压102，通过控制电压102以及第二电源107控制LDO电路103，以便根据不同的功率等级输出不同的电压104。通过在第二电源107与大地之间设置谐波抑制单元108，有效抑制第二电源107供电过程中产生的谐波杂散分量，保证为LDO电路103提供稳定的供电电压，从而抑制LDO电路103输出的电压104中的谐波杂散分量。通过在电压104与放大单元之间设置杂散抑制单元105，可以让放大单元在谐振频率处增益降低，从而降低输出杂散(杂散主要是由放大单元产生的，不是LDO电路产生的)。经过放大后的射频信号最终通过低通匹配网络114输出给负载(例如天线)。通过低通匹配网络114不仅能够实现阻抗匹配，而且还能抑制输出的射频信号中的谐波以及杂散，使射频信号落入到另外一个***的接收频段内也不会造成干扰。
在本发明的一个实施例中，上述放大单元可以由一个或一个以上的晶体管(包括但不限于场效应管或双极晶体管，下同)组成，也可以是由多个放大电路级联组成的多级放大电路。这些晶体管可以是同类型的晶体管，也可以是不同类型的晶体管。如图1所示，多级放大电路由第一级放大电路111与第N(N为正整数)级放大电路112级联组成，图1中为了简化起见，只标示出了第一级放大电路111与最后一级放大电路112，在第一级放大电路111与最后一级放大电路112之间可以有多个放大电路，通过将多个放大电路分别与杂散抑制单元105连接，可以有效抑制放大单元产生的杂散。
在本发明的一个实施例中，LDO电路103可以为任何能够根据不同的功率等级输出不同电压的低压差线性稳压器。通过低压差线性稳压器，保证每个晶体管的各个端口间电压差不超过自身工艺标称电压值，防止随着电源电压的升高，使晶体管端电压差超过其自身工艺标称的耐压值，使器件面临烧坏的危险。
图2为本射频功率放大器的一个实施例中，谐波抑制单元108的电路原理图。如图2所示，该谐波抑制单元108为M(M为正整数，下同)个LC串联谐振电路并联组成的LC阵列。其中，LC串联谐振电路由电容与电感串联组成。参见图2中的虚线框处，电容202与电感203串联组成第一级串联谐振电路，电容204与电感205组成第二级串联谐振电路，依此类推，电容206与电感207组成第M级串联谐振电路。LC阵列可以有任意级数，由第一级串联谐振电路、第二级串联谐振电路以及第M级串联谐振电路并联在一起组成了LC阵列。将本射频功率放大器的谐波抑制单元108的一端201与第二电源107连接，谐波抑制单元108的另一端208接地。由于电容202与电感203产生谐振频率f1，电容204与电感205产生谐振频率f2，电容206与207产生谐振频率fM，第二电源107对地阻抗在频率f1、频率f2以及频率fM处表现为低阻，从而能够抑制第二电源107在频率f1、频率f2以及频率fM处的谐波以及杂散。其中，频率f1、频率f2以及频率fM可以设定为任意不同频率(高于工作频率或者低于工作频率)。通过在第二电源107与大地之间嵌入谐波抑制单元108，抑制了第二电源供电过程中在不同谐振频率处的谐波以及杂散。
图3为本射频功率放大器的一个实施例中，杂散抑制单元105与放大单元连接的示意图。如图3中的虚线框处所示，第一级负载(即第一级放大电路的负载)由电感307、LC阵列308、电感309组成。其中，LC阵列308的一端分别与电感307和电感309的一端连接，LC阵列308的另一端接地，电感309作为第一级放大电路的负载电感，通过将负载电感309的另一端与第一级放大电路的晶体管312的集电极或漏极(图中未示出)连接，不仅能实现负载功能，同时还能够抑制杂散。电感307作为级间隔离电感，它的另一端与第二级负载连接，第二级负载与第一级负载相同，为简化说明，图3中仅示出了第一级负载，第N－1级负载以及第N(N为正整数，下同)级负载。第N－1级负载(第N－1级放大电路的负载)由电感304、LC阵列305、电感306组成。其中，LC阵列305的一端分别与电感304和电感306的一端连接，LC阵列308的另一端接地，电感306作为第N－1级放大电路的负载电感，通过将负载电感306的另一端与第N－1级放大电路的晶体管311的集电极或漏极(图中未示出)连接，同样不仅能实现负载功能，同时还能够抑制杂散。电感304作为级间隔离电感，它的另一端与第N级负载连接。电感304与电感307的电感值通常较大，以便实现对杂散的隔离。第N级负载(即第N级放大电路的负载)由电感303、LC阵列302组成。其中，LC阵列302的一端分别与电感303的一端以及电压源301(图1中的电压104)连接，LC阵列302的另一端接地，电感303作为第N级放大电路的负载电感，通过将负载电感303的另一端与第N级放大电路的晶体管310的集电极或漏极(图中未示出)连接，同样不仅能实现负载功能，同时还能够抑制杂散。综上所述，杂散抑制单元105由N个放大电路的负载级联组成，通过将每一级负载中的隔离电感与下一级负载相连，实现对放大单元中杂散的隔离；并且，将每一级负载中的负载电感分别与对应的放大电路中的晶体管的集电极或漏极对应连接，实现对每一级放大电路中的晶体管的杂散的抑制作用。电压源301分别通过每一级负载为对应的放大电路提供供电电压，通过杂散抑制单元105为每一级放大电路滤去了杂散对射频信号的干扰。射频信号传输到放大单元中，在放大单元的每一级放大电路之间设置电容，通过电容使经上一级放大电路放大后的射频信号传输到下一级放大电路中，最终通过最后一级放大电路将放大后的射频信号对外进行输出。
图4为杂散抑制单元105的每一级负载与对应放大电路的连接示意图。如图4所示，每一级负载由负载电感、LC阵列400组成，并且每一级负载之间通过隔离电感相连。其中，LC阵列400为M(M为正整数，下同)个LC串联谐振电路并联组成。LC串联谐振电路由电容与电感串联组成。参见图4中的虚线框处，电容402与电感403串联组成第一级串联谐振电路，电容404与电感405组成第二级串联谐振电路，电容406与电感407组成第M级串联谐振电路。LC阵列可以有任意级数，由第一级串联谐振电路、第二级串联谐振电路以及第M级串联谐振电路并联在一起组成了LC阵列400。将LC阵列400的一端409分别与负载电感401和隔离电感408的一端连接，LC阵列400的另一端410接地，并且负载电感401的另一端与放大电路中的晶体管411的集电极或漏极(图中未示出)连接，晶体管411的发射极或源极接地。由于隔离电感408为级间隔离电感，可以将隔离电感408视为高阻，负载电感401与LC阵列400产生M个谐振点，M个谐振点对应的谐振频率分别为f1、f2……fM。晶体管411的对地阻抗在这M个频率处表现为低阻，从而抑制晶体管411在这M个频率处的杂散。为了兼顾工作频带的性能，频率f1、f2…fM设定为低于工作频率，因此，LC阵列400与负载电感401配合可以抑制低于工作频率处的杂散。综上所述，每一级负载中的负载电感与LC阵列产生低于工作频率的多个谐振点，并且每一级负载中产生的谐振点的数目以及谐振频率相互独立，可以灵活配置以抑制不同频率处的杂散。
图5为本射频功率放大器的一个实施例中，低通匹配网络的电路原理图。如图5所示，该低通匹配网络500(在图1中标号为114)由N(N为正整数，下同)个匹配网络级联组成的多级匹配网络。其中，每一级匹配网络由第一电感、第一电容、第二电感、第二电容组成，第一电感与第一电容并联组成LC并联谐振电路，第二电感与第二电容串联组成LC串联谐振电路，LC串联谐振电路的一端与LC并联谐振电路连接，LC串联谐振电路的另一端接地。在每一级匹配网络中，设定LC并联谐振电路的谐振频率f1高于工作频率，设定LC串联谐振电路的谐振频率f2高于工作频率。那么，在LC并联谐振电路中，第一电感与第一电容并联在一起在谐振频率f1处表现为高阻，通过电压分压作用可以抑制谐振频率f1处的谐波以及杂散。在LC串联谐振电路中，第二电感与第二电容串联在一起后的对地阻抗在谐振频率f2处表现为低阻，通过分流作用可以抑制谐振频率f2处的谐波以及杂散。在每一级匹配网络中，LC并联谐振电路在工作频率处表现为感性，LC串联谐振电路在工作频率处表现为容性，因此每一级匹配网络在工作频率处为L-C低通匹配网络。具体地说，如图5所示，由电感501、电感502、电容503、电感504组成第一级匹配网络，由电感505、电感506、电容507、电感508组成第二级匹配网络，由电感509、电感510、电容511、电感512组成第N级匹配网络。其中，电感501与电感502并联组成LC并联谐振电路，电感502与电容503串联组成LC串联谐振电路。在第二级匹配网络、……第N级匹配网络中，同样由电感505与电感506、电容507与电感508、509与电感510、电容511与电感512分别组成了LC并联谐振电路、LC串联谐振电路，并且每一级匹配网络的工作原理已经在上文中说明，在此不再赘述。
在本射频功率放大器的低通匹配网络中，每一级匹配网络的LC并联谐振电路的一端分别与本级匹配网络的LC串联谐振电路的一端以及下一级匹配网络的LC并联谐振电路相连，并且每一级匹配网络的LC串联谐振电路的另一端接地。通过低通匹配网络可以将经放大单元放大的射频信号中的谐波以及杂散滤除，保证输出的射频信号的稳定性。由于每一级匹配网络会产生2个谐振点，所以低通匹配网络总共可以产生2N(N为正整数，下同)个谐振点，并且这2N个谐振点可以相互独立配置，在实现低通阻抗匹配功能的同时，还实现了抑制谐波与杂散的作用。
需要说明的是，本发明所提供的射频功率放大器为了避免第一电源106为控制电路101提供供电电压过程中，可能在耦合作用下产生谐波杂散分量，可以将第一电源106与第二电源107连接在一起，通过使第一电源106与第二电源107共用谐波抑制单元108，实现对第一电源106与第二电源107供电过程中产生的谐波杂散分量的抑制。对此，可以参阅图6所示的射频功率放大器的另一实施例。在该实施例中，通过谐波抑制单元608(即图1中的谐波抑制单元108)实现抑制第一电源606(即图1中的第一电源106)与第二电源607(即图1中的第二电源107)中的谐波与杂散，并且为控制电路601以及LDO电路603分别提供供电电压，使控制电路产生的控制电压602能够控制LDO电路603输出不同的电压604，该电压604通过杂散抑制单元605，实现对电压604产生的杂散的有效抑制，为放大单元提供稳定无干扰的供电电压，射频信号通过放大单元(由第一级放大电路611到第N级放大电路612组成)进行放大，并且通过低通匹配网络614进行谐波与杂散的滤除，最终将放大的射频信号输出给负载(天线)。由于图6中的射频功率放大器的结构与图1中的射频功率放大器结构相比，只是将第一电源606与第二电源607连接在一起，所以对该射频功率放大器的结构及原理不再进行详细描述。
本发明所提供的射频功率放大器，一方面通过使第一电源与第二电源通路共用谐波抑制单元，谐波抑制单元采用LC阵列，实现抑制第一电源与第二电源在谐振频率处的谐波与杂散。通过采用多个由负载电感、LC阵列组成的负载，并且将每一级负载通过隔离电感级联组成杂散抑制单元，利用杂散抑制单元抑制放大单元的杂散。另一方面，通过在本射频功率放大器的输出端嵌入低通匹配网络，从而实现抑制经放大单元放大的射频信号在不同频率处的谐波与杂散。同时，本射频功率放大器通过在电源通路上连接LC阵列以及运用低通匹配网络实现对谐波以及杂散的有效抑制，简化了射频功率放大器的设计复杂度，降低了相关设计实现的成本。
上述可以抑制谐波与杂散的射频功率放大器可以用在芯片中。对于该芯片中使用的射频功率放大器的具体结构和连接方式，在此就不再具体说明了。
另外，本发明所提供的可以抑制谐波与杂散的射频功率放大器还可以被用在通信终端中，作为射频电路的重要组成部分。这里所说的通信终端指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括但不限于移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，该射频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。
以上对本发明所提供的抑制谐波与杂散的射频功率放大器、芯片及通信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，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (12)

1.一种抑制谐波与杂散的射频功率放大器，其特征在于包括电源、LDO电路、谐波抑制单元、杂散抑制单元、放大单元、低通匹配网络；其中，
所述电源与所述谐波抑制单元连接，在所述LDO电路与所述放大单元之间设置所述杂散抑制单元；
在所述放大单元的输出端设置所述低通匹配网络，通过所述低通匹配网络产生多个谐振频率，抑制经所述放大单元放大的射频信号在所述谐振频率处的谐波与杂散。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述电源包括第一电源和第二电源，所述第一电源与所述第二电源共用所述谐波抑制单元。
3.如权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述谐波抑制单元的一端分别与所述电源连接，另一端接地；通过所述谐波抑制单元产生多个谐振频率，抑制所述电源在所述谐振频率处的谐波与杂散。
4.如权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述谐波抑制单元为多个LC串联谐振电路并联组成的LC阵列，每个LC串联谐振电路由电容与电感串联组成。
5.如权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述杂散抑制单元由多个负载级联组成，每一级负载通过隔离电感与下一级负载连接，实现对杂散的隔离。
6.如权利要求5所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述每一级负载包括负载电感与LC阵列，所述LC阵列的一端分别与所述负载电感和所述隔离电感连接，另一端接地；
所述负载电感的另一端与放大单元中对应的晶体管的集电极或漏极连接，所述晶体管的发射极或源极接地；
通过所述每一级负载产生低于工作频率的多个谐振点以及与所述谐振点对应的谐振频率，抑制所述晶体管在所述谐振频率处的杂散。
7.如权利要求6所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述每一级负载中产生的谐振点的数目以及谐振频率相互独立，通过灵活配置以抑制所述晶体管在不同频率处的杂散。
8.如权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述低通匹配网络为多个匹配网络级联组成的多级匹配网络，每一级匹配网络由第一电感、第一电容、第二电感、第二电容组成；
所述第一电感与所述第一电容并联组成LC并联谐振电路，所述第二电感与所述第二电容串联组成LC串联谐振电路；
所述LC串联谐振电路的一端分别与本级匹配网络的所述LC并联谐振电路以及下一级匹配网络的所述LC并联谐振电路连接，所述LC串联谐振电路的另一端接地。
9.如权利要求8所述的射频功率放大器，其特征在于：
在所述每一级匹配网络中，所述LC并联谐振电路的谐振频率高于工作频率，所述LC串联谐振电路的谐振频率高于工作频率，通过电压分压作用、电流分流作用抑制射频信号在所述谐振频率处的谐波与杂散。
10.如权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述放大单元由至少一级放大电路级联组成；
每一级放大电路由晶体管组成，各级放大电路之间通过电容连接；
所述每一级放大电路分别与所述杂散抑制单元连接。
11.一种芯片，其特征在于包括有权利要求1～10中任意一项所述的射频功率放大器。
12.一种通信终端，其特征在于包括有权利要求1～10中任意一项所述的射频功率放大器。
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