CN117277977B - 射频功率放大器及射频芯片模组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频技术领域,本发明公开了一种射频功率放大器及射频芯片模组,射频功率放大器包括信号输入端、输入匹配电路、功率放大器、偏置电路以及信号输出端;信号输入端、输入匹配电路、功率放大器和信号输出端依次电连接,偏置电路的输入端连接基准电压源,偏置电路的输出端连接至输入匹配电路与功率放大器之间;偏置电路包括第一电阻、第一三极管、第二三极管、第二电阻、第三三极管、第三电阻、第一电容和第二电容;第三三极管的集电极还连接第二电容的第一端,第三三极管的发射极连接第二电容的第二端。本发明的射频功率放大器能够提高输出功率,还能有效地降低功耗,提升效率。
Description
技术领域
本发明涉及射频技术领域,尤其是涉及一种射频功率放大器。
背景技术
随着国内外5G移动通信技术的发展和5G手机市场的普及,对5G信号质量要求逐年提高,这对5G芯片的设计提出了较大的挑战。其中对移动通信最影响的模块为射频前端,包括低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、滤波器、开关、天线等,功率放大器是其中至关重要的模组。PA可将微弱的输出信号进行放大后发出,PA的优劣可直接决定信号的好坏,输出功率、效率、增益、线性度、工作带宽、反射系数等各项性能指标均由PA决定。因此如何提升5G信号质量的问题,可转变为如何提高PA的性能。
5G信号质量的提升需要PA输出功率的失真更少,PA的输出功率1dB压缩点(P1dB)越大,信号的失真才越小。P1dB越大将导致PA的功耗越大,在维持原效率的情况下这两者之间的矛盾是无法调和的。目前国内外市场对于PA的设计要求是同时兼顾输出功率和功耗,于是对效率的提升显得格外重要。
相关技术的射频功率放大器中,其包括信号输入端、输入匹配、偏置电路网络、末级放大器及信号输出端;该偏置电路可在末级放大器工作在高功率状态下时,对末级放大器的电压Vbe进行补偿,并且可以将末级放大器泄露到偏置电路网络的射频信号通过电容进行滤除。然该偏置电路网络泄露的射频信号经过了相应的三极管的发射极和基极,对三极管的集电极上的阻抗将会产生较大影响,三极管上集电极的电压摆幅是由该点的阻抗大小决定的,而三极管的发射极的电流大小将受到三极管上集电极电压摆幅的影响,电流的波动将导致末级放大器的输出功率即射频功率放大器的输出功率下降,特别对高频的输出功率下降更多。在频率相对较高的5G射频功率放大器的设计中,高频的输出功率下降是十分严重的问题,将直接导致信号质量下降或功耗增大,从而导致效率下降。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种射频功率放大器,在偏置电路中增加了相应的第二电容,以解决现有的射频功率放大器输出的射频信号功耗大,效率低的问题。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种射频功率放大器,所述射频功率放大器包括信号输入端、输入匹配电路、功率放大器、偏置电路以及信号输出端;所述信号输入端、所述输入匹配电路、所述功率放大器和所述信号输出端依次电连接,所述偏置电路的输入端连接基准电压源,所述偏置电路的输出端连接至所述输入匹配电路与所述功率放大器之间;
所述偏置电路包括第一电阻、第一三极管、第二三极管、第二电阻、第三三极管、第三电阻、第一电容和第二电容;所述第一三极管的发射极通过串联所述第一电阻后接地,所述第一三极管的基极与所述第一三极管的集电极连接并共同连接至所述第二三极管的发射极;
所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极连接,所述第二三极管的集电极连接所述第二电阻的第一端,所述第二电阻的第二端作为所述偏置电路的输入端;所述第二三极管的基极还分别连接所述第一电容的第一端和所述第三三极管的基极,所述第一电容的第二端接地;
所述第三三极管的集电极用于连接电池电压源,所述第三三极管的发射极连接所述第三电阻的第一端,所述第三电阻的第二端作为所述偏置电路的输出端,所述第三三极管的集电极还连接所述第二电容的第一端,所述第三三极管的发射极连接所述第二电容的第二端。
优选的,所述射频功率放大器还包括第四电阻,所述第四电阻的第一端连接所述第三三极管的发射极,所述第四电阻的第二端连接所述第三电阻的第一端。
优选的,所述射频功率放大器还包括第三电容,所述第三电容的第一端连接在所述第三电阻与所述第四电阻之间,所述第三电容的第二端接地。
优选的,所述射频功率放大器还包括第四电容,所述第四电容的第一端连接所述第三三极管的集电极,所述第四电容的第二端接地。
优选的,所述功率放大器为第四三极管,所述第四三极管的基极连接所述偏置电路的输出端,所述偏置电路的输出端用于为所述第四三极管提供基极偏置电流,所述第四三极管的集电极用于连接供电电压源,所述供电电压源用于为所述第四三极管提供集电极电流,所述第四三极管的发射极接地,所述第四三极管的集电极还连接至所述信号输出端。
优选的,所述射频功率放大器还包括第一电感,所述第一电感的第一端连接所述供电电压源,所述第一电感的第二端连接所述第四三极管的集电极。
优选的,所述输入匹配电路为第五电容,所述第五电容的第一端连接所述信号输入端,所述第五电容的第二端连接所述第四三极管的基极。
优选的,所述射频功率放大器还包括输出匹配电路,所述输出匹配电路的第一端连接所述第四三极管的集电极,所述输出匹配电路的第二端连接所述信号输出端。
优选的,所述输出匹配电路为第六电容,所述第六电容的第一端连接所述第四三极管的集电极,所述第六电容的第二端连接所述信号输出端。
第二方面,本发明实施例提供一种射频芯片模组,所述射频芯片模组包括如上述的射频功率放大器。
与现有技术相比,本发明中的射频功率放大器,通过将信号输入端、输入匹配电路、功率放大器和信号输出端依次电连接,偏置电路的输入端连接基准电压源,偏置电路的输出端连接至输入匹配电路与功率放大器之间;第一三极管的发射极通过串联第一电阻后接地,第一三极管的基极与第一三极管的集电极连接并共同连接至第二三极管的发射极;第二三极管的基极与第二三极管的集电极连接,第二三极管的集电极连接第二电阻的第一端,第二电阻的第二端作为偏置电路的输入端;第二三极管的基极还分别连接第一电容的第一端和第三三极管的基极,第一电容的第二端接地;第三三极管的集电极用于连接电池电压源,第三三极管的发射极连接第三电阻的第一端,第三电阻的第二端作为偏置电路的输出端,第三三极管的集电极还连接第二电容的第一端,第三三极管的发射极连接第二电容的第二端;通过第二电容将功率放大器泄漏到第三三极管的射频信号进行滤除,还能起到提高射频功率放大器的输出功率;同时,有效地降低功耗,提升效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图,其中:
图1为本发明实施列提供的射频功率放大器的电路图;
图2为现有的射频功率放大器的输出功率曲线图;
图3为图2的增益压缩时插值图表;
图4a为图2的输出功率下插值图表一;
图4b为图2的输出功率下插值图表二;
图5为本发明实施列提供的射频功率放大器中无第四电阻的输出功率曲线图;
图6为图5的增益压缩时插值图表;
图7a为图5的输出功率下插值图表一;
图7b为图5的输出功率下插值图表二;
图8为本发明实施列提供的射频功率放大器的输出功率曲线图;
图9为图8的增益压缩时插值图表;
图10a为图8的输出功率下插值图表一;
图10b为图8的输出功率下插值图表二。
图中,100、射频功率放大器,1、信号输入端,2、输入匹配电路,3、功率放大器,4、偏置电路,5、输出匹配电路,6、信号输出端。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅附图1-图10b所示,本发明实施例提供了一种射频功率放大器100,所述射频功率放大器100包括信号输入端1(RFin)、输入匹配电路2、功率放大器3、偏置电路4以及信号输出端6(RFout);所述信号输入端1、所述输入匹配电路2、所述功率放大器3和所述信号输出端6依次电连接,所述偏置电路4的输入端连接基准电压源Vreg,所述偏置电路4的输出端连接至所述输入匹配电路2与所述功率放大器3之间。通过输入匹配电路2将信号输入端1输出的射频信号进行级间匹配后,输出至功率放大器3上进行功率放大,并通过信号输出端6输出至相应的负载。其中,偏置电路4用于输出相应的偏置电流至功率放大器3上,同时,有效的将功率放大器3泄漏的射频信号进行滤除。进一步的,整体的射频功率放大器100的电路设计简单,不占用版图面积。
所述偏置电路4包括第一电阻R1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第二电阻R2、第三三极管Q3、第三电阻R3、第一电容C1和第二电容C2;所述第一三极管Q1的发射极通过串联所述第一电阻R1后接地,所述第一三极管Q1的基极与所述第一三极管Q1的集电极连接并共同连接至所述第二三极管Q2的发射极;所述第二三极管Q2的基极与所述第二三极管Q2的集电极连接,所述第二三极管Q2的集电极连接所述第二电阻R2的第一端,所述第二电阻R2的第二端作为所述偏置电路4的输入端;所述第二三极管Q2的基极还分别连接所述第一电容C1的第一端和所述第三三极管Q3的基极,所述第一电容C1的第二端接地;所述第三三极管Q3的集电极用于连接电池电压源Vbat,所述第三三极管Q3的发射极连接所述第三电阻R3的第一端,所述第三电阻R3的第二端作为所述偏置电路4的输出端,所述第三三极管Q3的集电极还连接所述第二电容C2的第一端,所述第三三极管Q3的发射极连接所述第二电容C2的第二端。
具体的,通过第三电阻R3连接第三三极管Q3,能够对输出的偏置电流起到镇流电阻的作用,能保证偏置电流的输出稳定。该偏置电路4可在功率放大器3工作在高功率状态下时,对功率放大器3的Vbe进行补偿,并且可以将功率放大器3泄露到第三三极管Q3的射频信号通过第一电容C1滤除。通过在第三三极管Q3的基极和集电极之间连接第二电容C2,能够进一步射频信号进行滤除,提高射频信号的滤除效果。同时,在第三三极管Q3上设置的第二电容C2还能起到提高P1dB的作用,是整个电路中最重要的电容。一般电容值越大输出功率曲线上升越快,并且P1dB越大,到10pF左右时再继续增加电容值,效果不明显。同时,增加第二电容C2还能有效地降低功耗,提升效率。
本实施例中,所述射频功率放大器100还包括第四电阻R4,所述第四电阻R4的第一端连接所述第三三极管Q3的发射极,所述第四电阻R4的第二端连接所述第三电阻R3的第一端。由于输出功率增加将导致功耗增大,从而使得效率无法提升,通过增加第四电阻R4,将第四电阻R4连接在第三三极管Q3的发射极和第三电阻R3之间,利用第四电阻R4和第三电阻R3的镇流作用相似,在第四电阻R4增大时,输出功率曲线下降越快,并且P1dB越小,功耗越小。
本实施例中,所述射频功率放大器100还包括第三电容C3,所述第三电容C3的第一端连接在所述第三电阻R3与所述第四电阻R4之间,所述第三电容C3的第二端接地。
本实施例中,所述射频功率放大器100还包括第四电容C4,所述第四电容C4的第一端连接所述第三三极管Q3的集电极,所述第四电容C4的第二端接地。
具体的,通过在偏置电路4中增加第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4,使得从功率放大器3泄漏到第三三极管Q3的射频信号首先被第三电容C3滤除一部分,在经过第二电容C2到第四电容C4被滤除其余部分,剩余的射频信号经过第三三极管Q3被第一电容C1滤除。其中,第三电容C3一般容值较小,可以滤除低频的射频信号;第四电容C4一般容值较大,可以滤除高频的射频信号,第二电容C2除过滤信号外,还可以起到提高P1dB的作用。因此在偏置电路4中,先引入第三电容C3、第二电容C2和第四电容C4这三个电容使得P1dB增大,再引入第四电阻R4使得P1dB略微减小,此时功耗可以迅速下降至原功耗或更小。
本实施例中,所述功率放大器3为第四三极管Q4,所述第四三极管Q4的基极连接所述偏置电路4的输出端,所述偏置电路4的输出端用于为所述第四三极管Q4提供基极偏置电流,所述第四三极管Q4的集电极用于连接供电电压源VCC,所述供电电压源VCC用于为所述第四三极管Q4提供集电极电流,所述第四三极管Q4的发射极接地,所述第四三极管Q4的集电极还连接至所述信号输出端6。
本实施例中,所述射频功率放大器100还包括第一电感L1,所述第一电感L1的第一端连接所述供电电压源VCC,所述第一电感L1的第二端连接所述第四三极管Q4的集电极。供电电压源VCC通过第一电感L1给第四三极管Q4提供集电极电流。
本实施例中,所述输入匹配电路2为第五电容C5,所述第五电容C5的第一端连接所述信号输入端1,所述第五电容C5的第二端连接所述第四三极管Q4的基极。
本实施例中,所述射频功率放大器100还包括输出匹配电路5,所述输出匹配电路5的第一端连接所述第四三极管Q4的集电极,所述输出匹配电路5的第二端连接所述信号输出端6。
本实施例中,所述输出匹配电路5为第六电容C6,所述第六电容C6的第一端连接所述第四三极管Q4的集电极,所述第六电容C6的第二端连接所述信号输出端6。
本实施例中,射频功率放大器100相应的仿真参数包括:Gain Compression(增益压缩),Fundamental Output Power(基波输出功率),Transducer Power Gain(转换功率增益),Power-Added Efficiency(功率附加效率),DC Power Consumpt(直流功耗),HighSupply Current(高压电流),Thermal Dissipation(热耗散),second harmonic(二次谐波),Third Harmonic(三次谐波),Fourth Harmonic(四次谐波),Fifth Harmonic(五次谐波),Input Return Loss (输入反射损耗),Ooutput Return Loss(输出反射损耗)。
请参考附图2-图4b所示,现有技术中,没有增加第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第四电容R4;此时工作在5G n79频段(4.4-5.0GHz)的射频功率放大器100的P1dB为30.1到30.7dB,输出线性功率29dBm处的ICC(工作电流)为883.5到919.6mA。
请参考附图5-图7b所示,当偏置电路4中,没有增加第四电阻R4时,射频功率放大器100的输出功率曲线图如图2所示。此时工作在5G n79频段(4.4-5.0GHz)的射频功率放大器100的P1dB为30.3到31.2dB,输出线性功率29dBm处的ICC(工作电流)为930.8到983.0mA。与现有技术相比,现有技术中没有增加第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4,因此,射频功率放大器100的P1dB在4.4、4.7、5.0 GHz处分别增加1.1、0.5、0.1dB,但ICC最大增加了63.4mA,功耗增大。
请参考附图8-图10b所示,当增加第四电阻R4时,此时工作在5G n79频段(4.4-5.0GHz)的射频功率放大器100的P1dB为30.4到31.4dB,输出线性功率29dBm处的ICC(工作电流)为847.6到874.1mA。与现有技术相比,射频功率放大器100的P1dB在4.4、4.7、5.0 GHz处分别增加0.2、0.7、0.9dB,但ICC最大值减小了45.5mA,功耗降低。即使用图1的偏置电路4后,P1dB增大的同时功耗降低,提升了效率。因此,该射频功率放大器100设计简单不占用版图面积,且可同时提升P1dB并降低功耗,有效的提升效率。
实施例二
本发明实施例提供一种射频芯片模组,所述射频芯片模组包括如上述实施例一的射频功率放大器100。射频芯片模组能起到提高输出功率的效果;同时,还能有效地降低功耗,提升效率。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种射频功率放大器,所述射频功率放大器包括信号输入端、输入匹配电路、功率放大器、偏置电路以及信号输出端;所述信号输入端、所述输入匹配电路、所述功率放大器和所述信号输出端依次电连接,所述偏置电路的输入端连接基准电压源,所述偏置电路的输出端连接至所述输入匹配电路与所述功率放大器之间;其特征在于,
所述偏置电路包括第一电阻、第一三极管、第二三极管、第二电阻、第三三极管、第三电阻、第一电容和第二电容;所述第一三极管的发射极通过串联所述第一电阻后接地,所述第一三极管的基极与所述第一三极管的集电极连接并共同连接至所述第二三极管的发射极;
所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极连接,所述第二三极管的集电极连接所述第二电阻的第一端,所述第二电阻的第二端作为所述偏置电路的输入端;所述第二三极管的基极还分别连接所述第一电容的第一端和所述第三三极管的基极,所述第一电容的第二端接地;
所述第三三极管的集电极用于连接电池电压源,所述第三三极管的发射极连接所述第三电阻的第一端,所述第三电阻的第二端作为所述偏置电路的输出端,所述第三三极管的集电极还连接所述第二电容的第一端,所述第三三极管的发射极连接所述第二电容的第二端;
所述射频功率放大器还包括第四电阻,所述第四电阻的第一端连接所述第三三极管的发射极,所述第四电阻的第二端连接所述第三电阻的第一端;
所述射频功率放大器还包括第三电容,所述第三电容的第一端连接在所述第三电阻与所述第四电阻之间,所述第三电容的第二端接地;
所述射频功率放大器还包括第四电容,所述第四电容的第一端连接所述第三三极管的集电极,所述第四电容的第二端接地。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器,其特征在于,所述功率放大器为第四三极管,所述第四三极管的基极连接所述偏置电路的输出端,所述偏置电路的输出端用于为所述第四三极管提供基极偏置电流,所述第四三极管的集电极用于连接供电电压源,所述供电电压源用于为所述第四三极管提供集电极电流,所述第四三极管的发射极接地,所述第四三极管的集电极还连接至所述信号输出端。
3.如权利要求2所述的射频功率放大器,其特征在于,所述射频功率放大器还包括第一电感,所述第一电感的第一端连接所述供电电压源,所述第一电感的第二端连接所述第四三极管的集电极。
4.如权利要求2所述的射频功率放大器,其特征在于,所述输入匹配电路为第五电容,所述第五电容的第一端连接所述信号输入端,所述第五电容的第二端连接所述第四三极管的基极。
5.如权利要求2所述的射频功率放大器,其特征在于,所述射频功率放大器还包括输出匹配电路,所述输出匹配电路的第一端连接所述第四三极管的集电极,所述输出匹配电路的第二端连接所述信号输出端。
6.如权利要求5所述的射频功率放大器,其特征在于,所述输出匹配电路为第六电容,所述第六电容的第一端连接所述第四三极管的集电极,所述第六电容的第二端连接所述信号输出端。
7.一种射频芯片模组,其特征在于,所述射频芯片模组包括如权利要求1-6任一项所述的射频功率放大器。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH05110379A (ja) * | 1991-10-17 | 1993-04-30 | Fujitsu Ltd | フイルタ回路及びフイルタ集積回路 |
CN103023440A (zh) * | 2012-12-20 | 2013-04-03 | 中国科学院微电子研究所 | 一种提高功率放大器线性度的电路 |
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CN114094950A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-02-25 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 射频功率放大器 |
CN219268824U (zh) * | 2023-03-06 | 2023-06-27 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 自适应线性功率放大器及射频芯片 |
-
2023
- 2023-11-22 CN CN202311565719.5A patent/CN117277977B/zh active Active
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