CN109379053B - 可切换负载线的匹配电路、负载线切换方法及功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可切换负载线的匹配电路、负载线切换方法及功率放大器，该匹配电路对放大输入信号并输出放大信号的功率放大器的输出阻抗进行匹配，该匹配电路的特征在于：包括滤波电路和用于负载线选择的开关组，所述滤波电路的输出端连接至所述开关组；所述开关组包括至少两个独立的开关构成，每个开关独立构成一路信号线，每个开关上被配置外部控制信号控制通断。本发明提供的匹配电路利用由至少两个独立开关构成的开关组，每个独立开关构成一路信号线连接负载，可同时连接多个负载。此外，通过外部控制信号控制开关组中的一个或几个独立开关的通断，实现了负载线的切换；整个匹配电路利用开关组实现信号线的选择控制，结构简单，控制方式方便。

Description

可切换负载线的匹配电路、负载线切换方法及功率放大器
技术领域
本发明涉及一种可切换负载线的匹配电路、负载线切换方法及功率放大器。
背景技术
在移动电话等移动通信设备中，使用对发送给基站的射频信号进行放大的功率放大模块，为了保证射频信号的稳定性，现有的功率放大模块一般配合匹配电路对功率放大模块输出的射频信号进行阻抗匹配。
但现有的匹配电路仅具有一个输出，仅具有一个输出负载线，无法同时连接多个负载或信号接收器，且现有的匹配电路无法根据实际情况选择具体的信号线以作为信号输入线、负载输出线。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明在此的目的之一在于提供一种可根据负载连接关系选择不同的负载线的可切换负载线的匹配电路。
为了实现本发明的目的，在此所提供的可切换负载线的匹配电路对放大输入信号并输出放大信号的功率放大器的输入、输出阻抗进行匹配，该匹配电路包括滤波电路和用于负载线选择的开关组，所述滤波电路的输出端连接至所述开关组；所述开关组包括至少两个独立的开关构成，每个开关独立构成一路信号线，每个开关上被配置外部控制信号控制通断。
进一步的，所述滤波电路为以下结构中的一种：
1）所述滤波电路包括低通滤波器A和低通滤波器B，所述低通滤波器A的接地与所述低通滤波器B的接地相分离；
2）所述滤波电路包括低通滤波器和高通滤波器，所述低通滤波器的接地与所述高通滤波器的接地相分离；
3）所述滤波电路包括低通陷波器A和低通陷波器B，所述低通陷波器A的接地与所述低通陷波器B的接地相分离；
4）所述滤波电路包括高通滤波器和低通陷波器，所述高通滤波器的接地与所述低通陷波器的接地相分离。
进一步的，所述开关组包括两组或两组子开关组，每组子开关组包括至少一个独立开关。在不增加串联开关损耗的情况下，实现了匹配电路切换。
进一步的，所述子开关组中的独立开关集成在一个独立的芯片上，或者所有子开关组中的独立开关集成在一个独立的芯片上。
进一步的，所述开关组中的独立开关两个或两个以上构成一组集成在一个独立的芯片上。
本发明的目的之二在于提供一种负载线切换方法，该切换方法利用外部控制信号控制本发明所提供的可切换负载线的匹配电路中的开关组中至少一个独立开关的通断从而使该独立开关所处的负载线上具有信号。
本发明的目的之三在于提供一种由本发明所提供的可切换负载线的匹配电路构成的功率放大器，包括：
功率放大电路，被配置为放大输入信号；
输出匹配电路，对功率放大电路的输出阻抗进行匹配，该输出匹配电路为本发明所提供的可切换负载线的匹配电路。
该功率放大器可同时连接多个负载。此外，通过外部控制信号控制开关组中的一个或几个独立开关的通断，实现了负载线的切换。
进一步的，所述功率放大电路包括：
输入变压器，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器，包括与所述输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
中间开关和功率放大管，所述输入变压器的多个输出抽头分别经所述中间开关和所述功率放大管与所述输出变压器的输入抽头连接，所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的一路或一路以上与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号；以及
第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间。
进一步的，所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头与所述第一匹配电容之间连接有转换开关。利用转换开关控制匹配电容的容值，对输出变压器的输入线圈上的电电压进行调整，从而实现了负载线进行调整，更进一步地保证了本发明所提供的功率放大器的性能。
所述中间开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的芯片上；或者所述中间开关和所述转换开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的芯片上。
本发明的有益效果是：本发明提供的匹配电路利用由至少两个独立开关构成的开关组，每个独立开关构成一路信号线连接负载，可同时连接多个负载。此外，通过外部控制信号控制开关组中的一个或几个独立开关的通断，实现了负载线的切换；整个匹配电路利用开关组实现信号线的选择控制，结构简单，控制方式方便。
本发明所提供的功率放大器采用多抽头输入变压器，通过控制与抽头连接的中间开关的开启/关断，实现了中间级负载线切换，使功率放大器构成不同的工作状态，以达到不同最大输出功率下的最佳性能。
本发明将中间开关、转换开关利用CMOS/phemt/bihemt/SeGe/SOI等工艺集成于一个独立的芯片上，或利用CMOS/phemt/bihemt/SeGe/SOI等工艺集成于功率放大器芯片上，易于实现。
附图说明
图1为本发明所提供的匹配电路的原理框图；
图2为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之一；
图3为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之二；
图4为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之三；
图5为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之四；
图6为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之五；
图7为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之六；
图8为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之七；
图9为本发明所提供的匹配电路的电路原理图之八；
图10为利用本发明所提供的匹配电路构成的功率放大器的原理框图；
图11为利用本发明所提供的匹配电路构成的功率放大器的电路原理图；
图12为本发明所记载的偏置电路的电路原理图。
具体实施方式
在此结合附图和具体实施方式对本申请所要求保护的技术方案作进一步的详细说明。
本发明在此要求保护的技术方案是一种可切换负载线的匹配电路，其中，该匹配电路的原理框图如图1所示，该匹配电路对放大输入信号并输出放大信号的功率放大器的输入、输出阻抗进行匹配，该匹配电路包括滤波电路和用于负载线选择的开关组，滤波电路的输出端连接至开关组；开关组包括至少两个独立的开关构成，每个开关独立构成一路信号线，每个开关上被配置外部控制信号控制通断。该匹配电路连接至功率放大器的输出端或输入端，用于对其输入阻抗、输出阻抗进行匹配，保证了信号的稳定性。
利用外部控制信号控制以上可切换负载线的匹配电路中的开关组中至少一个独立开关的通断从而使该独立开关所处的负载线上具有信号，使信号从接通开关的一路输出。
其中滤波电路可以采用以下结构中的任何一种或者现有技术中的任何一种：
1、包括低通滤波器A和低通滤波器B，其电路连接关系如图2所示，包括了电容C11、电容C12、电感L2和电感L3，电感L2的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L3连接至开关组；电感L2与电感L3相连接的一端还通过电容C11接地，电感L3与开关组连接的一端通过电容C12接地；电感L2和电容C11构成低通滤波器A，电感L3和电容C12构成低通滤波器B。
2、包括高通滤波器和低通滤波器，其电路连接关系如图3所示，包括了电容C13、电感L4、电感L5和电容C14，电容C13的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，第二极板经电感L5连接至开关组；电容C13的第二极板还通过电感L4接地，电感L5与开关组连接的一端通过电容C14接地；其中电容C13和电感L4构成高通滤波器，电感L5和电容C14构成低通滤波器。
3、低通陷波器A和低通陷波器B，其电路连接关系如图4所示，包括了电容C15、电容C16、电感L6、电感L7、电感L8和电感L9，电感L6的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L7连接至开关组；电感L6与电感L7相连接的一端还通过电容C15和电感L8接地，电感L7与开关组连接的一端通过电容C16和电感L9接地；其中电感L6、电容C15和电感L8构成低通陷波器A，电感L7、电容C16和电感L9构成低通陷波器B。
4、高通滤波器和低通陷波器，其电路连接关系如图7所示，包括了电感L10、电感L11、电感L12、电容C17和电容C18；电容C17的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端通过电感L11连接至开关组；电容C17与电感L11相连接的一端还通过电感L10接地，电感L11与开关组连接的一端通过电感L12和电容C18接地；其中电容C17和电感L10构成高通滤波器，电感L11、电感L12和电容C18构成低通陷波器。
以上四种滤波电路中所记载的开关组可以由4个、6个、8个或其它个数的按键构成，在此采用的由开关S7～S11构成，每个开关作为一路输出，其通断受外部控制信号控制；构成开关组的开关可以集成于一个单独的芯片上，其工艺可选择SOI/CMOS/PHEMT/BIHEMT/SeGe等。
此外，本申请所记载的匹配电路除以上几种结构外，还可以采用以下几种结构中的一种：
A、如图6所示，匹配电路包括电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电容C19、电容C20、电容C21、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电感L13的一端作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端分别通过电感L15和电感L16接开关组A和开关组B；电感L13接电感L15和电感L16的一端还通过电容C19和电感L14接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C20和电感L17接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C21和电感L18接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
B、如图7所示，匹配电路包括电容C29、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电容C20、电容C21、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电容C29的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，第二极板分别通过电感L15和电感L16接开关组A和开关组B；电容C29的第二极板还通过电感L14接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C20和电感L17接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C21和电感L18接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
C、如图8所示，包括电容C22～电容C26,、电感L19、开关组A、开关组B、独立开关S12和独立开关S13，电容C12的第一极板作为输入端连接至输出变压器T2的输出线圈，另一端分别通过电容C23和电容C24接开关组A和开关组B；电容C22接电容C23和电容C24的一端还通过电感L19接地；开关组A还通过独立开关S12、电容C25接地，开关组B还通过独立开关S13、电容C26接地。其中开关组A和开关组B由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出，独立开关S12和独立开关S13受外部控制信号控制。
D、如图9所示，包括电容C27、电容C28、电感L20、开关组C、独立开关S14和独立开关S15，输出变压器T2的输出端经独立开关S14和电容C27接地，输出变压器T2的输出端还经电感L20接开关组C，电感L20接开关组C的一端还通过独立开关S15和电容C28接地。开关组C包括由若干受外部控制信号控制的开关组成，每个开关作为一路输出；构成开关组C的若干开关、独立开关S14和独立开关S15可以独立设置，也可以集成在一个独立的SOI芯片上。其中，电容C27和电容C28构成陷波电路，除了采用由本申请所记载的电容C27和电容C28构成外，还可以采用现有的任何一种陷波电路，如将电容C27和电容C28更换为电感，或分别在电容C27和电容C28所处支路上串联电感，构成电容+电感串联电路。
以上A、B和C中所记载的构成开关组A和开关组B的若干开关、独立开关S12和独立开关S13可以独立设置，也可以集成在一个独立的SOI芯片上。
本发明所提供的匹配电路可以与任何一种功率放大电路配合使用，如图10所示，由本发明所提供的匹配电路构成的功率放大器，其包括了功率放大电路，被配置为放大输入信号；输出匹配电路，对功率放大电路的输出阻抗进行匹配，该输出匹配电路为本发明所提供的任何一种可切换负载线的匹配电路。
该功率放大器中的功率放大电路可以采用现有的任何一种功率放大电路，在此采用的功率放大电路如图11所示，其包括了：
输入变压器T1，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器T2，包括与输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
中间开关和功率放大管，输入变压器的多个输出抽头分别经中间开关和功率放大管与输出变压器的输入抽头连接，中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的一路或一路以上与输出变压器的输入抽头连通，经输出变压器变压后输出放大信号；以及
第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间。
该功率放大器中输入变压器输出抽头和输出变压器的输入抽头数量可以采用2、4、6或者其它；所记载的功率放大管可以采用场效应管，也可以采用晶体三极管。在此以输入、输出变压器为4抽头，功率放大管为晶体场效应管的为例更进一步地介绍本发明所公开的功率放大器，如图2所示。输入变压器T1的输出线圈上包括了抽头1、抽头2、抽头3和抽头4，与其相匹配的输出变压器T2的输入线圈上包括抽头5、抽头6、抽头7和抽头8。抽头1经中间开关S1和电容C1连接至功率放大管Q1的基极，功率放大管Q1的集电极接抽头5，发射极接地；抽头2经中间开关S2和电容C2连接至功率放大管Q2的基极，功率放大管Q2的集电极接抽头6，发射极接地；抽头3经中间开关S3和电容C3连接至功率放大管Q3的基极，功率放大管Q3的集电极接抽头7，发射极接地；抽头4经中间开关S4和电容C4连接至功率放大管Q4的基极，功率放大管Q4的集电极接抽头8，发射极接地；抽头5和抽头8分别经第一匹配电容C5和第二匹配电容C6接地，两者构成并联关系。
输入变压器T1输入线圈的一端分别接电源VCC1和经电容C9接地，另一端加载待放大信号，中间开关S1～S4的导通受外部控制信号的控制；输出变压器T2输出线圈的一端接地，另一端输出放大信号。
本发明所提供的功率放大器的工作状态分为 E类功率放大器工作状态和 F-1类功率放大器工作状态，在输入变压器T1的输入线圈上加载待放大信号，并加载控制信号于中间开关S1～S4上，使中间开关S1和中间开关S4导通或中间开关S2和中间开关S3导通；当中间开关S1和中间开关S4导通时，功率放大管Q1和功率放大管Q4导通，将待放大信号加载于输出变压器T2的输入线圈的抽头5和抽头8上，负载线由第一匹配电容C5和输出变压器T2组成，此时功率放大器处于E类功率放大器工作状态。
当加载的控制信号使中间开关S2和中间开关S3导通时，功率放大管Q2和功率放大管Q3导通，将待放大信号加载于输出变压器T2的输入线圈的抽头6和抽头7上，负载线由附图2中实线矩形框内的第二匹配电容C6、附图2中实线矩形框内的抽头5及抽头6之间的电感部分和附图2中实线矩形框内的抽头7及抽头8之间的电感部分形成3阶谐波阻抗，此时F-1类功率放大器工作状态。
为了能够更好地对功率放大器的负载线进行调整，在以上方案的基础上增加转换开关S5和转换开关S6，转换开关S5串联于抽头1和第一匹配电容C5之间，转换开关S6串联于抽头8和第一匹配电容C5之间。转换开关S5和转换开关S6的导通受外部控制信号控制，通过转换开关可以控制匹配电容的容值。
此外，本发明提供的双模式功率放大器还包括主要由选择开关S和电容C构成选择电路，所述选择电路串联于所述输出变压器输入线圈的两端抽头之间。
为了使功率放大管不失真地将信号电压放大，本发明所提供的功率放大器还包括偏置电路，该偏置电路的电路原理图如图12所示，其包括了与功率放大管数量相等的偏置支路，每路偏置支路包括一个输出端，输出的控制信号加载于功率放大管的控制端上。每路偏置支路均包括开关管T1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C7、二极管D1和二极管D2，开关管T1的电源端经电阻R1接外部控制信号（如电源），电阻R2接在开关管T1的输出端；开关管T1的控制端经电容C7接地，开关管T1的控制端还连接至二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极接地；开关管T1的控制端还经电阻R3接外部控制信号。其中，开关管T1可以采用晶体三极管或场效应管。
为了保证加载于输入变压器T1上的信号稳定性，该功率放大器还包括对待放大信号进行滤波的输入匹配电路和前级放大器Q5，该输入匹配电路的包括输入滤波电路，其中输入滤波电路可以采用现有的任何一种电容滤波电路，电感滤波电路，RC滤波电路和LC滤波电路中的任何一种。在此采用的输入滤波电路包括电容C8、电容C10和电感L1，电容C8的第一极板作为输入端，用于加载信号，第二极板经电容C10连接至前级放大器Q5的控制端，电容C8的第二极板还通过电感L1接地，前级放大器Q5的电源端接地，输出端接输入变压器T1的输入线圈。其中，前级放大器Q5可以采用晶体三极管或场效应管。
本申请所记载的中间开关和转换开关可以独立设置，也可以两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，如将中间开关S1和中间开关S4作为一组，开关S2和中间开关S3作为一组，转换开关S5和转换开关S6作为一组，或者中间开关S1～S4作为一组，或者中间开关S1～S4、转换开关S5和转换开关S6作为一组，或者其他组合。
本发明所提供的双模式功率放大器可以为分布式电路结构，也可以将所有元器件采用bihemt/SOI/phemt/CMOS/SeGe等工艺集成于一个芯片上，构成集成电路；还可以是将其中一部分元器件集成于一个芯片上，另一部分元器件集成于一个芯片上，通过信号线连接各芯片，例如将中间开关两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，转换开关两两一组或两个以上一组或全部开关作为一组集成在一个独立的SOI芯片上，输出匹配电路，输入匹配电路、前级放大器、输入变压器和输出变压器集成在一个独立的SOI芯片上，各独立的SOI芯片通过信号线连接。
本发明所记载的输入变压器T1、输出变压器T2可以采用现有的任何一种变压器，在此采用的是平衡-不平衡变换器（Balun）。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括功率放大电路，被配置为放大输入信号；以及输出匹配电路，对功率放大电路的输出阻抗进行匹配；所述功率放大电路包括：
输入变压器，包括多个输出抽头，输入线圈上加载待放大信号；
输出变压器，包括与所述输入变压器输出抽头数量相匹配的输入抽头，输出线圈放大信号；
中间开关和功率放大管，所述输入变压器的多个输出抽头分别经所述中间开关和所述功率放大管与所述输出变压器的输入抽头连接，所述中间开关被配置控制信号以使与其串联的功率放大管导通从而使输入变压器多个输出抽头中的一路或一路以上与所述输出变压器的输入抽头连通，经所述输出变压器变压后输出放大信号；
以及第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容和所述第二匹配电容并联于所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头和地之间；
所述输出匹配电路对放大输入信号并输出放大信号的功率放大器的输入、输出阻抗进行匹配，包括滤波电路和用于负载线选择的开关组，所述滤波电路的输出端连接至所述开关组；所述开关组包括至少两个独立的开关构成，每个开关独立构成一路信号线，每个开关上被配置外部控制信号控制通断。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：所述滤波电路为以下结构中的一种：
所述滤波电路包括低通滤波器A和低通滤波器B，所述低通滤波器A的接地与所述低通滤波器B的接地相分离；
所述滤波电路包括低通滤波器和高通滤波器，所述低通滤波器的接地与所述高通滤波器的接地相分离；
所述滤波电路包括低通陷波器A和低通陷波器B，所述低通陷波器A的接地与所述低通陷波器B的接地相分离；
所述滤波电路包括高通滤波器和低通陷波器，所述高通滤波器的接地与所述低通陷波器的接地相分离。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：所述开关组包括两组或两组子开关组，每组子开关组包括至少一个独立开关。
4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于：所述子开关组中的独立开关集成在一个独立的芯片上，或者所有子开关组中的独立开关集成在一个独立的芯片上。
5.根据权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于：所述开关组中的独立开关两个或两个以上构成一组集成在一个独立的芯片上。
6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：所述输出变压器输入线圈上位于两端的抽头与所述第一匹配电容之间连接有转换开关。
7.根据权利要求6所述的功率放大器，其特征在于：所述中间开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的芯片上；或者所述中间开关和所述转换开关中的两个或两个以上为一组，集成于一个单独的芯片上。
8.一种负载线切换方法，其特征在于：该切换方法利用外部控制信号控制权利要求1-7任意一项所述的功率放大器的输出匹配电路中的开关组中至少一个独立开关的通断从而使该独立开关所处的负载线上具有信号。
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