一种多模功率放大器及其应用
一种多模功率放大器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，具体的说是一种高效率高线性度的兼容3G及4G应用的宽窄带可调多模功率放大器及其应用。
【背景技术】
[0002]射频发射前端模块是射频终端器件实现信号传输的关键元器件。当前随着全球无线通信用户的快速增长及用户对无线通信的更高端的体验需求，市场对无线通信的带宽的需求快速增长。为了解决这种市场需求，全球开放出来的专用无线通信频段越来越多并且越来越拥挤。频段利用率高的调制解调方式，例如:3G的宽带码分多址(Wideband CodeDivis1n Multiple Access，WCDMA)，带码分多址(Code Divis1n Multiple Access ,CDMA)，时分同步码分多址(Time Divis1n Synchronous Code Divis1n MultipleAccess,TD-SCDMA)，以及逐渐取代3G技术成为市场主流的4G技术的Long term evolut1n,LTE包括成对频谱模式(Frequency domain duplexing，FDD)及非成对频谱模式(Timedomain dupleXing，TDD)。这些频段利用率高的各种调制解调方式都对无线通信终端提出更高的要求，例如:高质量的语音通话，减少数据通信中的错误，快速的语音数据传输的切换，等等。对于射频发射前端的主力元器件射频功率放大器及其模块来说，就意味着在新的频段利用率高的调制解调方式下，功率放大器必须具有较高的线性度来保障射频信号能够放大传输并且能够尽量少信号失真。一般功率放大器的高线性度意味着降低其输出功率来减少输出晶体管器件的非线性谐波的产生，这导致了功率放大器不能工作在其高输出功率以及最高效率区间。此外由于无线移动终端与基站的距离远近变化会导致基站对接收信号强度需求变化，一般在远距离需要高功率时射频功率放大器效率较高，在较近距离需要较低功率时功率放大器效率较低。较低的放大器效率会导致手机发热，严重影响手机续航时间。因此，多模功率放大器需要为射频功率放大器的偏置电路设计至少两种或两种以上的模式使得在不同输出功率下，射频功率放大器都有较高的效率。
[0003]市场现有的射频多模功率放大器以及包含该多模功率放大器的射频前端模块主要有以下两种。图1显示的三路功率放大器102/106/109分别代表高功率/中功率/低功率的射频放大通路中的放大器单元，104/108/111分别代表三路各自的射频开关。高功率输出时，102/104开通，射频信号能经过102放大并且通过输出匹配电路103最优化的传输到射频开关104后传输到天线。中功率输出时，106/108开通，射频信号能经过106放大并且通过输出匹配电路107最优化的传输到射频开关108后传输到天线。低功率输出时，109/111开通，射频信号能经过109放大并且通过输出匹配电路110最优化的传输到射频开关111后传输到天线。三种输出通路各自独立，所以可以各自优化以达到在不同输出功率下的最佳性能。三种通路其中优化的参数包括功率放大器102/106/109以及射频开关104/108/111均可采用不同设计，输出匹配电路103/107/110均可以分别为不同功率输出设计优化到不同的匹配阻抗。在既定输出功率时，功率模式控制电路提供偏置电压开通一路通路，其中包括功率放大器PA及相应通路的射频开关SW，同时关闭另外两路通路。但是该方案因为采用三个功率放大器以及三个射频开关芯片，大大增加了模块的面积以及产品的成本。这种电路的集成性能较低，不能满足手机部件小型化的需求，已经逐渐被市场淘汰。
[0004]图2显示的是市场常见的无射频开关高低双模功率放大器及其模块，202及203代表高功率射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，204及205代表低功率的射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，206/207/208分别代表阻抗匹配单元。高功率输出时，202/203开通，射频信号能经过202/203级联放大并且通过输出匹配电路206/207及输出匹配电路209最优化的传输到天线。低功率输出时，204/205开通，射频信号能经过204/205级联放大并且通过输出匹配电路206/208及输出匹配电路209最优化的传输到天线。这高低两种功率输出通路并非各自独立，所以不能如同图1的方案能够可以各自功率通路优化以达到在不同输出功率下的最佳性能，设计中不但要考虑到开通路的负载优化，还需要考虑到关闭路电路的存在对开通路的负载影响。第二种方案是种无射频开关的设计，相比于第一种方案，其优势是芯片面积小，成本低，已经成为市场同类产品的主流。但是由于采用了至少两个一级放大器和至少两个二级放大器来实现多功率的控制，放大器芯片没有得到较好的重复利用。此外负载匹配电路不能兼容宽带和窄带的应用。
[0005]以上两种方案的功率放大器一般采用GaAsHBT的工艺，功率模式控制电路通常是CMOS工艺，输出匹配电路可以采用无源分立元件或半导体无源器件。第一种方案中的射频开关通常是采用GaAs pHEMT工艺或是SOI技术。
[0006]输出匹配电路设计一般采用一级电感电容连接如图3所示。302是电路中的电源电压VCC，305是电路中的地GND，301是电感用于RF Choke,301/303/304组成Pi型输出匹配电路，阻抗由功率放大器的低阻抗变换到天线端的高阻抗，这是常用的窄带射频放大器输出匹配电路设计。但是该窄带负载匹配电路在带宽要求稍高的环境下只能在部分带宽频率下工作。
[0007]宽带射频放大器可以采用两级或多级电感电容连接如图4所示，由于多级电感电容级联所以可以逐级逐渐变换阻抗，所以每级匹配对Q值要求不高，最终达到宽带的输出匹配。但是这种负载匹配损耗较大，在仅需要窄带工作的环境下功率放大器的效率较低。
【发明内容】
[0008]本发明为解决上述现有技术中存在的不足之处，提供了一种集成度更高、更灵活、可调节功率及工作带宽的多模功率放大器及其应用，以期能简化多功率多模射频放大器及其模块的结构设计，从而实现功率放大器的功率模式及工作带宽模式的调节来满足多种通信制式的需求。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明一种多模功率放大器的特点是包括:M级级联放大电路和输出匹配电路;所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元；1 < i <Μ且 Μ > 2 ；
[0011]射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过化个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；
[0012]所述输出匹配电路对所述级联放大信号进 行负载优化匹配后输出至天线。
[0013]本发明所述的多模功率放大器的特点也在于:
[0014]所述输出匹配电路是由第一阻抗、第二射阻抗、第三阻抗、第四阻抗、第五阻抗、第一射频开关和第二射频开关组成；
[0015]所述第一阻抗的一端与电源相连，另一端接收所述级联放大信号并与第二射阻抗的一端连接;所述第二射阻抗的另一端分别与第三阻抗和第四阻抗相连;所述第三阻抗经过所述第一射频开关后接地;所述第二射频开关并联在所述第四阻抗的两端;所述第四阻抗的另一端与天线相连，且经过第五阻抗后接地；
[0016]当第一射频开关闭合且第二射频开关开启时，所述输出匹配电路为宽带工作模式，从而实现宽带负载匹配。
[0017]当第一射频开关开启且第二射频开关闭合时，所述输出匹配电路为窄带工作模式，从而实现窄带负载匹配。
[0018]本发明一种多模功率放大器的应用的特点是，所述多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块；
[0019]所述功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制Κ个并联连接的单位放大单元，从而实现对所述多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化；
[0020]所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制所述第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的负载优化匹配。
[0021 ]本发明多模功率放大器的应用的特点也在于:
[0022]所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对所述多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是高低两种输出功率的输出模式。
[0023]所述多模功率放大器的多模切换方法为:
[0024]所述多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由所述功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0025]本发明一种移动终端的特点是:所述移动终端具有如上所述的多模功率放大器。
[0026]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0027]1、市场上述方案每级放大电路均采用多个放大器来达到对不同输出功率的控制，例如高功率输出时使用高功率放大器，低功率输出时使用低功率放大器，同时在既定输出功率时，采用同一偏置电压或电流来控制该级放大电路中的多个基本放大单元。相比市场上述两个方案而言，本发明的多模功率放大器中的Μ级级联放大电路中的每一级放大电路都是仅用一个放大器的设计，从而保证了该多模功率放大器芯片的面积更小，集成度更高，成本更低。
[0028]2、市场上述负载匹配电路方案为不可配置，既定的宽带负载匹配电路在窄带应用中由于损耗大，导致功率放大器效率低。既定的窄带负载匹配电路在宽带应用中不能满足带宽的需求，导致功率放大器只能在部分频段下工作；因此宽带射频放大器与窄带射频放大器分别采用独立设计的放大器芯片以及负载匹配电路。而本发明中的功率放大器采用可配置的负载输出匹配电路来达到对宽窄带的不同负载匹配优化，因此仅用一个功率放大器芯片和一个负载输出匹配电路即可实现上述两个放大器芯片和两个负载输出匹配电路的功能;这样的设计增加了对放大器的重复利用，增加了对负载匹配电路的重复利用，从而减少了放大器产品的成本。
[0029]3、市场上述方案中的放大电路对不同输出功率的控制是通过使用开通不同的功率放大器实现的，同时在既定输出功率时，采用同一偏置电压或电流来控制该级放大电路中的多个基本放大单元。而本发明使每级中这唯一的放大器电路能够在不同输出功率下达到可配置;这种放大器对功率的调节是在各级的放大器电路的内部，所以对不同的输出功率并不需要多余的放大器电路;从而保证了该多模功率放大器芯片的面积较小，集成度更高，成本更低。
[0030]4、本发明的功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制负载匹配电路中的第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的宽窄带的负载优化匹配;结合对功率的模式调节和对负载的调节，本发明能实现更多种模式，以高功率低功率两功率模式为例，本发明能够实现高功率宽带，高功率窄带，低功率宽带，低功率窄带的四种输出模式。
[0031]5、市场上述方案中的放大器设计可能是高低功率双模，或是高中低功率三模，一种产品只能选择其中一个模式，即高低双模的放大器不能实现高中低功率三模。而本发明的功率放大器的应用，功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对多模功率放大器的功率进行控制，可以涵盖高低功率双模以及高中低功率三种功率的输出模，甚至可以涵盖更多输出功率的模式均可优化。
[0032]6、市场上述方案中的放大器设计可能是针对3G电路，例如宽带码分多址、带码分多址、时分同步码分多址;或是4G网路，例如Long term evolut1n,LTE包括成对频谱模式及非成对频谱模式;但是既定设计无法在其它模式下实现高性能，例如针对TD-SCDMA的设计无法在WCDMA或是4G LTE的电路中实现高性能，比如在TD-SCDMA中效率优良线性度较好，但在WCDMA或是4G LTE的电路中效率低，线性度差。而本发明的多模功率放大器的应用及其多模切换方法优异，可以通过功率模式控制电路单独控制放大电路的各级中各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流，因此不但能优化该功率放大器在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能，而且一个功率放大器的设计可以代替现有的多个针对不同通信制式的功率放大器的设计，从而能来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0033]7、市场上使用现有方案中的移动终端，每级需要多个功率放大器电路来实现模式的转换，需要多个负载匹配电路实现带宽的调节。本发明的多功率可调带宽功率放大器，可以使移动终端减少面积/体积，可以节省移动终端的成本。
【附图说明】
[0034]图1为现有技术中高中低三路功率放大器原理图；
[0035]图2为现有技术中高低双功率两级放大器原理图；
[0036]图3为现有技术中窄带负载输出匹配电路示意图；
[0037]图4为现有技术中宽带负载输出匹配电路示意图；
[0038]图5为本发明多功率两级放大器原理图；
[0039]图6为本发明多功率三级放大器原理图；
[0040]图7为本发明可调节负载输出匹配电路示意图；
[0041 ]图8为本发明可调节宽带负载输出匹配电路示意图；
[0042]图9为本发明可调节窄带负载输出匹配电路示意图。
【具体实施方式】
[0043]本实施例中，一种多模功率放大器，是利用至少两级的放大电路以级联方式连接，通过灵活配置各级放大电路中的各个单位放大单元的 偏置电压或偏置电流可以在不同功率输出要求下实现功率放大器的射频增益，线性度以及效率的优化，同时该功率放大器由于采用了负载匹配电路可调节的设计技术，从而实现了一个设计方案涵盖了宽带工作模式和窄带工作模式。此外这种灵活而高效的功率放大器可以兼容3G/4G信号并且能在多种通信制式下实现高性能。具体的说，该多模功率放大器包括:Μ级级联放大电路和输出匹配电路；其中的Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含仏个并联连接的单位放大单7Π；1 < i <MiM> 2;
[0044]射频信号从Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过仏个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路；
[0045]输出匹配电路对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0046]市场现有方案中高功率输出时使用Μ级级联放大电路，高功率输出时使用Μ级级联放大电路，其中第i个级联放大器包含了化个并联连接的单位放大单元;低功率输出时使用Μ级级联放大电路，其中第i个级联放大器包含了Nj个并联连接的单位放大单元。其中Ni和Nj分别属于不同放大器电路。
[0047]而本发明的多模功率放大器中的Μ级级联放大电路中的每一级放大电路都是仅用一个放大器的设计，该放大器包含了 Κ个并联连接的单位放大单元。高功率输出时，使用全部化个并联连接的单位放大单元;射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过化个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i + Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路。中功率或低功率输出时，选取Κ个并联连接的单位放大单元中的Κ个单位放大单元，即射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过Ni个并联连接的单位放大单元的一部分(例如Ni/2，Ni/3，Ni/4......等等)放大后，再输出至第i + Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路。由于射频信号仅经过化个并联连接的单位放大单元的一部分(例如Ni/2，Ni/3，Ni/4......等等)放大，Ni个并联连接的单位放大单元的其余部分均关闭，从而能达到对本发明功率放大器的输出功率的可调节。从而保证了该多模功率放大器芯片的面积更小，集成度更高，成本更低。
[0048]图5为本发明的一种多模功率放大器在M=2时，即两级级联放大电路的示意图。其中的2级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元;1 < i<2。射频信号从这2级级联放大电路的第1个级联的放大电路的输入端进入并经过犯个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第2个级联的放大电路的输入端进行放大，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路;本发明的多模功率放大器的输出匹配电路504对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0049]图6为本发明的一种多模功率放大器在M=3时，即三级级联放大电路的示意图。其中的3级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元;1 < i<3。射频信号从这3级级联放大电路的第1个级联的放大电路的输入端进入并经过犯个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第2个级联的放大电路的输入端并经过N2个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第3个级联的放大电路的输入端进行放大，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路;本发明的多模功率放大器的输出匹配电路605对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0050]以此类推，本发明的一种多模功率放大器在任意整数Μ2 2均可实现。
[0051]本实施例中，输出匹配电路如图7所示，是由第一阻抗701、第二射阻抗703、第三阻抗704、第四阻抗708、第五阻抗709、第一射频开关705和第二射频开关707组成；
[0052]第一阻抗701的一端与电源702相连，另一端接收级联放大信号并与第二射阻抗703的一端连接;第二射阻抗703的另一端分别与第三阻抗704和第四阻抗708相连;第三阻抗704经过第一射频开关705后接地;第二射频开关707并联在第四阻抗708的两端;第四阻抗708的另一端与天线711相连，且经过第五阻抗709后接地。
[0053]如图8所示，当第一射频开关705闭合接地且第二射频开关707开启时，输出匹配电路为宽带工作模式。第三阻抗704通过第一射频开关705连接到地。同时第二射频开关707开启后形成开路，实际的负载输出匹配电路由701/703/704/705/708/709组成，这是多级电感电容的匹配设计，达到工作频率带宽的增大，从而实现宽带负载匹配。
[0054]如图9所示，当第一射频开关705开启且第二射频开关707闭合时，输出匹配电路为窄带工作模式。第三阻抗704通过第一射频开关705断开形成开路，所以第三阻抗704悬空不参与负载匹配。同时第二射频开关707闭合，由于其并联连接第四阻抗708，第四阻抗708实际上不参与负载匹配，实际的负载输出匹配电路由701/703/708/709组成，这是窄带负载匹配设计中的pi型负载匹配电路设计，从而实现窄带负载匹配。
[0055]本实施例中，一种多模功率放大器的应用，主要由多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块；
[0056]其中的功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化个并联连接的单位放大单元;各级放大电路中各个基本放大单元阵列的偏置电压或是偏置电流由功率模式控制电路分别独立控制。当多模功率放大器处于高功率输出模式时，各级放大电路的各个基本放大单元通过偏置电压或偏置电流均设为导通状态；当多模功率放大器处于中功率或是低功率输出模式时，各级放大电路的部分基本放大单元通过偏置电压或偏置电流设为导通状态，其余部分基本放大单元通过偏置电压或偏置电流均设为关闭状态;从而实现对多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化。
[0057]这种设计方案能达到在任意功率下对功率放大器的性能通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化中全部或是部分的单位放大单元来对射频信号进行相应的放大并进行其它射频放大器性能的优化，从而达到多功率的可调节。
[0058]功率模式控制电路同时能够通过偏置电压或偏置电流控制第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对输出匹配电路的负载优化匹配。
[0059]已有的设计方案采用单独的放大器芯片 和单独的负载输出匹配电路来实现宽带和窄带的功率放大器的功能，因为负载匹配电路不能兼容宽带和窄带的应用，因此放大器芯片以及负载输出匹配电路没有得到较好的重复利用。而本发明的功率放大器仅用一个功率放大器芯片和一个负载输出匹配电路即可实现上述两个功率放大器芯片和两个独立负载输出匹配电路的功能。具体的输出匹配电路504的设计细节如图6所示，负载输出匹配电路可以用射频开关来调节，射频开关的控制由功率模式控制电路501提供;相比于图4所示的宽带负载匹配电路设计，本发明加入了两个射频开关电路605/607。其中射频开关605—端连接输出匹配电路中的阻抗604，另一端连接到地。其中射频开关607并联连接到输出匹配电路中的阻抗元件608两端。通过对射频开关605/607的控制可以达到对负载匹配电路的工作带宽的控制，从而达到整体功率放大器及其模块的工作带宽可调节。
[0060]功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是高低两种输出功率的输出模式。
[0061 ]多模功率放大器的多模切换方法为:
[0062]多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0063]本发明提供了一种射频放大器及其模块通路中核心元件均可调节的方案，其中功率放大器的每级均可调节来参与最终输出功率可调，其中负载输出匹配电路可调节来实现工作带宽的调节。其中功率模式控制电路可以由CMOS或是SOI技术的芯片，多级级联功率放大器的设计可以是任何适合放大器的半导体技术，例如可以包括且不局限于CMOS的技术，SOI的技术，GaAs HBT的技术，GaAs pHEMT的技术，GaN HEMT的技术，LDM0S的技术，甚至可以是多种半导体技术的组合，例如放大器的第一级放大电路由CMOS或SOI技术设计，第二级放大电路由GaAs HBT技术设计。其中负载输出匹配电路中的阻抗元件可以是无源分立元件，或者基于半导体集成技术的无源元件，或者是基于基板工艺，但不局限于上述实现方式，也可以是上述的多种技术的组合。其中负载输出匹配网咯中的射频开关可以是基于S0I技术的独立芯片，可以是基于CMOS技术的独立芯片，也可以是基于GaAs pHEMT技术的独立芯片，也可以是上述的多种技术的地组合。此外其中负载输出匹配网咯中的射频开关可以是非独立芯片，它可以是基于CMOS技术或是S0I技术的设计并且和模拟数字控制电路集成在同一个功率模式控制电路芯片上。
[0064]本发明提供的一种多模且工作带宽可控功率放大器及包含该放大器及其模块的方案，其主要应用可以在射频终端设备包括并不局限于移动电话，平板电脑，笔记本电脑，车载电子的无线通信设备，物联网的无线通信设备等等。此外本发明的多模放大器及其模块也可以应用在其它无线通信设备之中，包括并不局限于通信基站，卫星无线通信，军用无线通信设备等等。因此本发明所提出的技术方案，可以应用于需要多功率模式且工作带宽可调的任何无线通信终端，并且不受具体通信频段的限制。任何在具体电路或芯片布局实现形式上的变化，都包括在本专利的涵盖范围之内。
【主权项】
1.一种多模功率放大器，其特征是包括:Μ级级联放大电路和输出匹配电路;所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含Ni个并联连接的单位放大单元；1 <2； 射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过K个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；所述输出匹配电路对所述级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。2.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征是，所述输出匹配电路是由第一阻抗、第二射阻抗、第三阻抗、第四阻抗、第五阻抗、第一射频开关和第二射频开关组成； 所述第一阻抗的一端与电源相连，另一端接收所述级联放大信号并与第二射阻抗的一端连接;所述第二射阻抗的另一端分别与第三阻抗和第四阻抗相连;所述第三阻抗经过所述第一射频开关后接地;所述第二射频开关并联在所述第四阻抗的两端;所述第四阻抗的另一端与天线相连，且经过第五阻抗后接地； 当第一射频开关闭合且第二射频开关开启时，所述输出匹配电路为宽带工作模式，从而实现宽带负载匹配； 当第一射频开关开启且第二射频开关闭合时，所述输出匹配电路为窄带工作模式，从而实现窄带负载匹配。3.—种多模功率放大器的应用，其特征是，所述多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块； 所述功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化个并联连接的单位放大单元，从而实现对所述多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化； 所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制所述第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的负载优化匹配。4.根据权利要求3所述的多模功率放大器的应用，其特征是，所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对所述多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是尚低两种输出功率的输出模式。5.根据权利要求3所述的多模功率放大器的应用，其特征是，所述多模功率放大器的多模切换方法为: 所述多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由所述功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。6.一种移动终端，其特征是:所述移动终端具有如权利要求1或2所述的多模功率放大器。
【专利摘要】本发明公开了一种集成度更高、更灵活、可调节功率及工作带宽的多模功率放大器及其应用，是利用至少两级的放大电路以级联方式连接，通过灵活配置各级放大电路中的各个单位放大单元的偏置电压或偏置电流可以在不同功率输出要求下实现功率放大器的射频增益，线性度以及效率的优化，同时由于采用了负载匹配电路可调节的设计技术，从而实现了一个设计方案涵盖了宽带工作模式和窄带工作模式。此外这种灵活而高效的功率放大器可以兼容3G/4G信号并且能在多种通信制式下实现高性能。本发明期能简化多功率多模射频放大器及其模块的结构设计，从而实现功率放大器的功率模式及工作带宽模式的调节来满足多种通信制式的需求。
【IPC分类】H03F1/02, H03F3/19, H03F3/24, H03F3/21
【公开号】CN105490648
【申请号】CN201610019677
【发明人】马雷, 彭小滔, 蔡志强
【申请人】合肥雷诚微电子有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月8日
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，具体的说是一种高效率高线性度的兼容3G及4G应用的宽窄带可调多模功率放大器及其应用。
【背景技术】
[0002]射频发射前端模块是射频终端器件实现信号传输的关键元器件。当前随着全球无线通信用户的快速增长及用户对无线通信的更高端的体验需求，市场对无线通信的带宽的需求快速增长。为了解决这种市场需求，全球开放出来的专用无线通信频段越来越多并且越来越拥挤。频段利用率高的调制解调方式，例如:3G的宽带码分多址(Wideband CodeDivis1n Multiple Access，WCDMA)，带码分多址(Code Divis1n Multiple Access ,CDMA)，时分同步码分多址(Time Divis1n Synchronous Code Divis1n MultipleAccess,TD-SCDMA)，以及逐渐取代3G技术成为市场主流的4G技术的Long term evolut1n,LTE包括成对频谱模式(Frequency domain duplexing，FDD)及非成对频谱模式(Timedomain dupleXing，TDD)。这些频段利用率高的各种调制解调方式都对无线通信终端提出更高的要求，例如:高质量的语音通话，减少数据通信中的错误，快速的语音数据传输的切换，等等。对于射频发射前端的主力元器件射频功率放大器及其模块来说，就意味着在新的频段利用率高的调制解调方式下，功率放大器必须具有较高的线性度来保障射频信号能够放大传输并且能够尽量少信号失真。一般功率放大器的高线性度意味着降低其输出功率来减少输出晶体管器件的非线性谐波的产生，这导致了功率放大器不能工作在其高输出功率以及最高效率区间。此外由于无线移动终端与基站的距离远近变化会导致基站对接收信号强度需求变化，一般在远距离需要高功率时射频功率放大器效率较高，在较近距离需要较低功率时功率放大器效率较低。较低的放大器效率会导致手机发热，严重影响手机续航时间。因此，多模功率放大器需要为射频功率放大器的偏置电路设计至少两种或两种以上的模式使得在不同输出功率下，射频功率放大器都有较高的效率。
[0003]市场现有的射频多模功率放大器以及包含该多模功率放大器的射频前端模块主要有以下两种。图1显示的三路功率放大器102/106/109分别代表高功率/中功率/低功率的射频放大通路中的放大器单元，104/108/111分别代表三路各自的射频开关。高功率输出时，102/104开通，射频信号能经过102放大并且通过输出匹配电路103最优化的传输到射频开关104后传输到天线。中功率输出时，106/108开通，射频信号能经过106放大并且通过输出匹配电路107最优化的传输到射频开关108后传输到天线。低功率输出时，109/111开通，射频信号能经过109放大并且通过输出匹配电路110最优化的传输到射频开关111后传输到天线。三种输出通路各自独立，所以可以各自优化以达到在不同输出功率下的最佳性能。三种通路其中优化的参数包括功率放大器102/106/109以及射频开关104/108/111均可采用不同设计，输出匹配电路103/107/110均可以分别为不同功率输出设计优化到不同的匹配阻抗。在既定输出功率时，功率模式控制电路提供偏置电压开通一路通路，其中包括功率放大器PA及相应通路的射频开关SW，同时关闭另外两路通路。但是该方案因为采用三个功率放大器以及三个射频开关芯片，大大增加了模块的面积以及产品的成本。这种电路的集成性能较低，不能满足手机部件小型化的需求，已经逐渐被市场淘汰。
[0004]图2显示的是市场常见的无射频开关高低双模功率放大器及其模块，202及203代表高功率射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，204及205代表低功率的射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，206/207/208分别代表阻抗匹配单元。高功率输出时，202/203开通，射频信号能经过202/203级联放大并且通过输出匹配电路206/207及输出匹配电路209最优化的传输到天线。低功率输出时，204/205开通，射频信号能经过204/205级联放大并且通过输出匹配电路206/208及输出匹配电路209最优化的传输到天线。这高低两种功率输出通路并非各自独立，所以不能如同图1的方案能够可以各自功率通路优化以达到在不同输出功率下的最佳性能，设计中不但要考虑到开通路的负载优化，还需要考虑到关闭路电路的存在对开通路的负载影响。第二种方案是种无射频开关的设计，相比于第一种方案，其优势是芯片面积小，成本低，已经成为市场同类产品的主流。但是由于采用了至少两个一级放大器和至少两个二级放大器来实现多功率的控制，放大器芯片没有得到较好的重复利用。此外负载匹配电路不能兼容宽带和窄带的应用。
[0005]以上两种方案的功率放大器一般采用GaAsHBT的工艺，功率模式控制电路通常是CMOS工艺，输出匹配电路可以采用无源分立元件或半导体无源器件。第一种方案中的射频开关通常是采用GaAs pHEMT工艺或是SOI技术。
[0006]输出匹配电路设计一般采用一级电感电容连接如图3所示。302是电路中的电源电压VCC，305是电路中的地GND，301是电感用于RF Choke,301/303/304组成Pi型输出匹配电路，阻抗由功率放大器的低阻抗变换到天线端的高阻抗，这是常用的窄带射频放大器输出匹配电路设计。但是该窄带负载匹配电路在带宽要求稍高的环境下只能在部分带宽频率下工作。
[0007]宽带射频放大器可以采用两级或多级电感电容连接如图4所示，由于多级电感电容级联所以可以逐级逐渐变换阻抗，所以每级匹配对Q值要求不高，最终达到宽带的输出匹配。但是这种负载匹配损耗较大，在仅需要窄带工作的环境下功率放大器的效率较低。
【发明内容】
[0008]本发明为解决上述现有技术中存在的不足之处，提供了一种集成度更高、更灵活、可调节功率及工作带宽的多模功率放大器及其应用，以期能简化多功率多模射频放大器及其模块的结构设计，从而实现功率放大器的功率模式及工作带宽模式的调节来满足多种通信制式的需求。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明一种多模功率放大器的特点是包括:M级级联放大电路和输出匹配电路;所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元；1 < i <Μ且 Μ > 2 ；
[0011]射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过化个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；
[0012]所述输出匹配电路对所述级联放大信号进 行负载优化匹配后输出至天线。
[0013]本发明所述的多模功率放大器的特点也在于:
[0014]所述输出匹配电路是由第一阻抗、第二射阻抗、第三阻抗、第四阻抗、第五阻抗、第一射频开关和第二射频开关组成；
[0015]所述第一阻抗的一端与电源相连，另一端接收所述级联放大信号并与第二射阻抗的一端连接;所述第二射阻抗的另一端分别与第三阻抗和第四阻抗相连;所述第三阻抗经过所述第一射频开关后接地;所述第二射频开关并联在所述第四阻抗的两端;所述第四阻抗的另一端与天线相连，且经过第五阻抗后接地；
[0016]当第一射频开关闭合且第二射频开关开启时，所述输出匹配电路为宽带工作模式，从而实现宽带负载匹配。
[0017]当第一射频开关开启且第二射频开关闭合时，所述输出匹配电路为窄带工作模式，从而实现窄带负载匹配。
[0018]本发明一种多模功率放大器的应用的特点是，所述多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块；
[0019]所述功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制Κ个并联连接的单位放大单元，从而实现对所述多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化；
[0020]所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制所述第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的负载优化匹配。
[0021 ]本发明多模功率放大器的应用的特点也在于:
[0022]所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对所述多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是高低两种输出功率的输出模式。
[0023]所述多模功率放大器的多模切换方法为:
[0024]所述多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由所述功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0025]本发明一种移动终端的特点是:所述移动终端具有如上所述的多模功率放大器。
[0026]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0027]1、市场上述方案每级放大电路均采用多个放大器来达到对不同输出功率的控制，例如高功率输出时使用高功率放大器，低功率输出时使用低功率放大器，同时在既定输出功率时，采用同一偏置电压或电流来控制该级放大电路中的多个基本放大单元。相比市场上述两个方案而言，本发明的多模功率放大器中的Μ级级联放大电路中的每一级放大电路都是仅用一个放大器的设计，从而保证了该多模功率放大器芯片的面积更小，集成度更高，成本更低。
[0028]2、市场上述负载匹配电路方案为不可配置，既定的宽带负载匹配电路在窄带应用中由于损耗大，导致功率放大器效率低。既定的窄带负载匹配电路在宽带应用中不能满足带宽的需求，导致功率放大器只能在部分频段下工作；因此宽带射频放大器与窄带射频放大器分别采用独立设计的放大器芯片以及负载匹配电路。而本发明中的功率放大器采用可配置的负载输出匹配电路来达到对宽窄带的不同负载匹配优化，因此仅用一个功率放大器芯片和一个负载输出匹配电路即可实现上述两个放大器芯片和两个负载输出匹配电路的功能;这样的设计增加了对放大器的重复利用，增加了对负载匹配电路的重复利用，从而减少了放大器产品的成本。
[0029]3、市场上述方案中的放大电路对不同输出功率的控制是通过使用开通不同的功率放大器实现的，同时在既定输出功率时，采用同一偏置电压或电流来控制该级放大电路中的多个基本放大单元。而本发明使每级中这唯一的放大器电路能够在不同输出功率下达到可配置;这种放大器对功率的调节是在各级的放大器电路的内部，所以对不同的输出功率并不需要多余的放大器电路;从而保证了该多模功率放大器芯片的面积较小，集成度更高，成本更低。
[0030]4、本发明的功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制负载匹配电路中的第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的宽窄带的负载优化匹配;结合对功率的模式调节和对负载的调节，本发明能实现更多种模式，以高功率低功率两功率模式为例，本发明能够实现高功率宽带，高功率窄带，低功率宽带，低功率窄带的四种输出模式。
[0031]5、市场上述方案中的放大器设计可能是高低功率双模，或是高中低功率三模，一种产品只能选择其中一个模式，即高低双模的放大器不能实现高中低功率三模。而本发明的功率放大器的应用，功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对多模功率放大器的功率进行控制，可以涵盖高低功率双模以及高中低功率三种功率的输出模，甚至可以涵盖更多输出功率的模式均可优化。
[0032]6、市场上述方案中的放大器设计可能是针对3G电路，例如宽带码分多址、带码分多址、时分同步码分多址;或是4G网路，例如Long term evolut1n,LTE包括成对频谱模式及非成对频谱模式;但是既定设计无法在其它模式下实现高性能，例如针对TD-SCDMA的设计无法在WCDMA或是4G LTE的电路中实现高性能，比如在TD-SCDMA中效率优良线性度较好，但在WCDMA或是4G LTE的电路中效率低，线性度差。而本发明的多模功率放大器的应用及其多模切换方法优异，可以通过功率模式控制电路单独控制放大电路的各级中各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流，因此不但能优化该功率放大器在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能，而且一个功率放大器的设计可以代替现有的多个针对不同通信制式的功率放大器的设计，从而能来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0033]7、市场上使用现有方案中的移动终端，每级需要多个功率放大器电路来实现模式的转换，需要多个负载匹配电路实现带宽的调节。本发明的多功率可调带宽功率放大器，可以使移动终端减少面积/体积，可以节省移动终端的成本。
【附图说明】
[0034]图1为现有技术中高中低三路功率放大器原理图；
[0035]图2为现有技术中高低双功率两级放大器原理图；
[0036]图3为现有技术中窄带负载输出匹配电路示意图；
[0037]图4为现有技术中宽带负载输出匹配电路示意图；
[0038]图5为本发明多功率两级放大器原理图；
[0039]图6为本发明多功率三级放大器原理图；
[0040]图7为本发明可调节负载输出匹配电路示意图；
[0041 ]图8为本发明可调节宽带负载输出匹配电路示意图；
[0042]图9为本发明可调节窄带负载输出匹配电路示意图。
【具体实施方式】
[0043]本实施例中，一种多模功率放大器，是利用至少两级的放大电路以级联方式连接，通过灵活配置各级放大电路中的各个单位放大单元的 偏置电压或偏置电流可以在不同功率输出要求下实现功率放大器的射频增益，线性度以及效率的优化，同时该功率放大器由于采用了负载匹配电路可调节的设计技术，从而实现了一个设计方案涵盖了宽带工作模式和窄带工作模式。此外这种灵活而高效的功率放大器可以兼容3G/4G信号并且能在多种通信制式下实现高性能。具体的说，该多模功率放大器包括:Μ级级联放大电路和输出匹配电路；其中的Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含仏个并联连接的单位放大单7Π；1 < i <MiM> 2;
[0044]射频信号从Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过仏个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路；
[0045]输出匹配电路对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0046]市场现有方案中高功率输出时使用Μ级级联放大电路，高功率输出时使用Μ级级联放大电路，其中第i个级联放大器包含了化个并联连接的单位放大单元;低功率输出时使用Μ级级联放大电路，其中第i个级联放大器包含了Nj个并联连接的单位放大单元。其中Ni和Nj分别属于不同放大器电路。
[0047]而本发明的多模功率放大器中的Μ级级联放大电路中的每一级放大电路都是仅用一个放大器的设计，该放大器包含了 Κ个并联连接的单位放大单元。高功率输出时，使用全部化个并联连接的单位放大单元;射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过化个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i + Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路。中功率或低功率输出时，选取Κ个并联连接的单位放大单元中的Κ个单位放大单元，即射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过Ni个并联连接的单位放大单元的一部分(例如Ni/2，Ni/3，Ni/4......等等)放大后，再输出至第i + Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路。由于射频信号仅经过化个并联连接的单位放大单元的一部分(例如Ni/2，Ni/3，Ni/4......等等)放大，Ni个并联连接的单位放大单元的其余部分均关闭，从而能达到对本发明功率放大器的输出功率的可调节。从而保证了该多模功率放大器芯片的面积更小，集成度更高，成本更低。
[0048]图5为本发明的一种多模功率放大器在M=2时，即两级级联放大电路的示意图。其中的2级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元;1 < i<2。射频信号从这2级级联放大电路的第1个级联的放大电路的输入端进入并经过犯个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第2个级联的放大电路的输入端进行放大，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路;本发明的多模功率放大器的输出匹配电路504对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0049]图6为本发明的一种多模功率放大器在M=3时，即三级级联放大电路的示意图。其中的3级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元;1 < i<3。射频信号从这3级级联放大电路的第1个级联的放大电路的输入端进入并经过犯个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第2个级联的放大电路的输入端并经过N2个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第3个级联的放大电路的输入端进行放大，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路;本发明的多模功率放大器的输出匹配电路605对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
[0050]以此类推，本发明的一种多模功率放大器在任意整数Μ2 2均可实现。
[0051]本实施例中，输出匹配电路如图7所示，是由第一阻抗701、第二射阻抗703、第三阻抗704、第四阻抗708、第五阻抗709、第一射频开关705和第二射频开关707组成；
[0052]第一阻抗701的一端与电源702相连，另一端接收级联放大信号并与第二射阻抗703的一端连接;第二射阻抗703的另一端分别与第三阻抗704和第四阻抗708相连;第三阻抗704经过第一射频开关705后接地;第二射频开关707并联在第四阻抗708的两端;第四阻抗708的另一端与天线711相连，且经过第五阻抗709后接地。
[0053]如图8所示，当第一射频开关705闭合接地且第二射频开关707开启时，输出匹配电路为宽带工作模式。第三阻抗704通过第一射频开关705连接到地。同时第二射频开关707开启后形成开路，实际的负载输出匹配电路由701/703/704/705/708/709组成，这是多级电感电容的匹配设计，达到工作频率带宽的增大，从而实现宽带负载匹配。
[0054]如图9所示，当第一射频开关705开启且第二射频开关707闭合时，输出匹配电路为窄带工作模式。第三阻抗704通过第一射频开关705断开形成开路，所以第三阻抗704悬空不参与负载匹配。同时第二射频开关707闭合，由于其并联连接第四阻抗708，第四阻抗708实际上不参与负载匹配，实际的负载输出匹配电路由701/703/708/709组成，这是窄带负载匹配设计中的pi型负载匹配电路设计，从而实现窄带负载匹配。
[0055]本实施例中，一种多模功率放大器的应用，主要由多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块；
[0056]其中的功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化个并联连接的单位放大单元;各级放大电路中各个基本放大单元阵列的偏置电压或是偏置电流由功率模式控制电路分别独立控制。当多模功率放大器处于高功率输出模式时，各级放大电路的各个基本放大单元通过偏置电压或偏置电流均设为导通状态；当多模功率放大器处于中功率或是低功率输出模式时，各级放大电路的部分基本放大单元通过偏置电压或偏置电流设为导通状态，其余部分基本放大单元通过偏置电压或偏置电流均设为关闭状态;从而实现对多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化。
[0057]这种设计方案能达到在任意功率下对功率放大器的性能通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化中全部或是部分的单位放大单元来对射频信号进行相应的放大并进行其它射频放大器性能的优化，从而达到多功率的可调节。
[0058]功率模式控制电路同时能够通过偏置电压或偏置电流控制第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对输出匹配电路的负载优化匹配。
[0059]已有的设计方案采用单独的放大器芯片 和单独的负载输出匹配电路来实现宽带和窄带的功率放大器的功能，因为负载匹配电路不能兼容宽带和窄带的应用，因此放大器芯片以及负载输出匹配电路没有得到较好的重复利用。而本发明的功率放大器仅用一个功率放大器芯片和一个负载输出匹配电路即可实现上述两个功率放大器芯片和两个独立负载输出匹配电路的功能。具体的输出匹配电路504的设计细节如图6所示，负载输出匹配电路可以用射频开关来调节，射频开关的控制由功率模式控制电路501提供;相比于图4所示的宽带负载匹配电路设计，本发明加入了两个射频开关电路605/607。其中射频开关605—端连接输出匹配电路中的阻抗604，另一端连接到地。其中射频开关607并联连接到输出匹配电路中的阻抗元件608两端。通过对射频开关605/607的控制可以达到对负载匹配电路的工作带宽的控制，从而达到整体功率放大器及其模块的工作带宽可调节。
[0060]功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是高低两种输出功率的输出模式。
[0061 ]多模功率放大器的多模切换方法为:
[0062]多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。
[0063]本发明提供了一种射频放大器及其模块通路中核心元件均可调节的方案，其中功率放大器的每级均可调节来参与最终输出功率可调，其中负载输出匹配电路可调节来实现工作带宽的调节。其中功率模式控制电路可以由CMOS或是SOI技术的芯片，多级级联功率放大器的设计可以是任何适合放大器的半导体技术，例如可以包括且不局限于CMOS的技术，SOI的技术，GaAs HBT的技术，GaAs pHEMT的技术，GaN HEMT的技术，LDM0S的技术，甚至可以是多种半导体技术的组合，例如放大器的第一级放大电路由CMOS或SOI技术设计，第二级放大电路由GaAs HBT技术设计。其中负载输出匹配电路中的阻抗元件可以是无源分立元件，或者基于半导体集成技术的无源元件，或者是基于基板工艺，但不局限于上述实现方式，也可以是上述的多种技术的组合。其中负载输出匹配网咯中的射频开关可以是基于S0I技术的独立芯片，可以是基于CMOS技术的独立芯片，也可以是基于GaAs pHEMT技术的独立芯片，也可以是上述的多种技术的地组合。此外其中负载输出匹配网咯中的射频开关可以是非独立芯片，它可以是基于CMOS技术或是S0I技术的设计并且和模拟数字控制电路集成在同一个功率模式控制电路芯片上。
[0064]本发明提供的一种多模且工作带宽可控功率放大器及包含该放大器及其模块的方案，其主要应用可以在射频终端设备包括并不局限于移动电话，平板电脑，笔记本电脑，车载电子的无线通信设备，物联网的无线通信设备等等。此外本发明的多模放大器及其模块也可以应用在其它无线通信设备之中，包括并不局限于通信基站，卫星无线通信，军用无线通信设备等等。因此本发明所提出的技术方案，可以应用于需要多功率模式且工作带宽可调的任何无线通信终端，并且不受具体通信频段的限制。任何在具体电路或芯片布局实现形式上的变化，都包括在本专利的涵盖范围之内。
【主权项】
1.一种多模功率放大器，其特征是包括:Μ级级联放大电路和输出匹配电路;所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含Ni个并联连接的单位放大单元；1 <2； 射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过K个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；所述输出匹配电路对所述级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。2.根据权利要求1所述的多模功率放大器，其特征是，所述输出匹配电路是由第一阻抗、第二射阻抗、第三阻抗、第四阻抗、第五阻抗、第一射频开关和第二射频开关组成； 所述第一阻抗的一端与电源相连，另一端接收所述级联放大信号并与第二射阻抗的一端连接;所述第二射阻抗的另一端分别与第三阻抗和第四阻抗相连;所述第三阻抗经过所述第一射频开关后接地;所述第二射频开关并联在所述第四阻抗的两端;所述第四阻抗的另一端与天线相连，且经过第五阻抗后接地； 当第一射频开关闭合且第二射频开关开启时，所述输出匹配电路为宽带工作模式，从而实现宽带负载匹配； 当第一射频开关开启且第二射频开关闭合时，所述输出匹配电路为窄带工作模式，从而实现窄带负载匹配。3.—种多模功率放大器的应用，其特征是，所述多模功率放大器与功率模式控制电路构成多模功率放大模块； 所述功率模式控制电路分别通过Μ组偏置电压或偏置电流来相应控制Μ级级联放大电路;第i组偏置电压或偏置电流包含Κ个偏置电压或偏置电流并相应控制化个并联连接的单位放大单元，从而实现对所述多模功率放大器的射频增益和不同输出功率的优化； 所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流控制所述第一射频开关和第二射频开关的开闭，从而实现对所述输出匹配电路的负载优化匹配。4.根据权利要求3所述的多模功率放大器的应用，其特征是，所述功率模式控制电路通过偏置电压或偏置电流能对所述多模功率放大器的功率进行控制，从而实现高中低三种功率的输出模式或是尚低两种输出功率的输出模式。5.根据权利要求3所述的多模功率放大器的应用，其特征是，所述多模功率放大器的多模切换方法为: 所述多模功率放大器中各个级联的放大电路的各个并联连接的单位放大单元的偏置电压或偏置电流是由所述功率模式控制电路的独立控制来优化在不同线性模式下和/或不同通信制式下的性能。6.一种移动终端，其特征是:所述移动终端具有如权利要求1或2所述的多模功率放大器。
【专利摘要】本发明公开了一种集成度更高、更灵活、可调节功率及工作带宽的多模功率放大器及其应用，是利用至少两级的放大电路以级联方式连接，通过灵活配置各级放大电路中的各个单位放大单元的偏置电压或偏置电流可以在不同功率输出要求下实现功率放大器的射频增益，线性度以及效率的优化，同时由于采用了负载匹配电路可调节的设计技术，从而实现了一个设计方案涵盖了宽带工作模式和窄带工作模式。此外这种灵活而高效的功率放大器可以兼容3G/4G信号并且能在多种通信制式下实现高性能。本发明期能简化多功率多模射频放大器及其模块的结构设计，从而实现功率放大器的功率模式及工作带宽模式的调节来满足多种通信制式的需求。
【IPC分类】H03F1/02, H03F3/19, H03F3/24, H03F3/21
【公开号】CN105490648
【申请号】CN201610019677
【发明人】马雷, 彭小滔, 蔡志强
【申请人】合肥雷诚微电子有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月8日
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