射頻功率放大器及其移動終端的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種射頻功率放大器，同時還涉及使用該射頻功率放大器的移動終端。該射頻功率放大器包括至少兩級放大電路，其中后級放大電路的晶體管集電極與前一級放大電路的晶體管集電極之間具有反饋電感，以便后級放大電路的晶體管從前一級放大電路的晶體管集電極獲得所需的集電極偏置電壓；最后一級放大電路的晶體管集電極連接饋電電感。該射頻功率放大器在工作時，可將各級放大電路按需要關閉，實現高中低等多種工作模式，提高在不同輸出功率下的效率。
【專利說明】射頻功率放大器及其移動終端
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種功率放大器，尤其涉及一種具有高中低等多種工作模式的射頻功率放大器(RF Power Amplifier),同時還涉及使用該射頻功率放大器的移動終端,屬于功率放大器【技術領域】
【背景技術】
[0002]在移動終端中，功率放大器是一個必不可少的功能模塊。它的主要作用是放大移動終端的發射功率，使其達到基站時仍然保持足夠的信號強度，達到通信所需的最低信噪t匕，從而完成整個通信鏈路的信號收發工作。如圖1所示，通常在移動終端的通信鏈路中，信號由基帶芯片產生并輸入給收發芯片。收發芯片輸出射頻信號，提供給功率放大器芯片。射頻信號由功率放大器放大后再經濾波器實現濾波，最后由天線對外發射。
[0003]在移動通信網絡中，功率放大器的功耗在整機系統中占有相當大的比例，降低功率放大器的功耗可以明顯提高整機系統的工作時間。另一方面，功率放大器的性能好壞直接決定了射頻電路的整體性能。一個高性能的功率放大器，要求在滿足一定的增益要求和最大輸出功率的條件下，同時獲得盡可能高的效率。
[0004]要達到一定的增益要求，功率放大器一般采用兩級或者三級放大。參見圖2所示的典型功率放大器電路，包括雙極型晶體管(簡稱為晶體管)201,202和203、直流饋電電感204、205和206與隔直電容207、208、209和210。其中，射頻輸入信號輸入第一級晶體管201，晶體管201將信號放大15dB左右輸入給第二級晶體管202，晶體管202放大信號IOdB左右后將驅動信號輸入到第三級晶體管203，由晶體管203最后輸出整機系統所需的最大功率。需要說明的是，功率放大器中還包括輸入輸出匹配電路和級間匹配電路，但因與本發明無關，在圖2中予以省略。
[0005]射頻功率放大器的小型化設計是整個功率放大器的設計趨勢。在圖2所示的典型功率放大器電路中，直流饋電電感204、205和206提供功率放大器必需的靜態工作電流，同時在射頻頻段具有高阻抗的特性，防止外圍的其他器件通過直流饋電電感影響功率放大器的正常工作。由于移動終端的射頻頻段通常為300MHz?3000MHz，所需的直流饋電電感值通常需要大于5nH。無論是使用SMD (表面貼裝器件)封裝方式的電感，還是使用分布方式的金屬走線電感，都會占用較大的面積并增加額外的成本，不利于實現射頻功率放大器的小型化。
[0006]另一方面，移動通信網絡中的相關技術標準對移動設備的發射功率有嚴格要求，例如最大發射功率需達到24dBm，最小的發射功率為一 50dBm，動態范圍在75dB左右，增益一般在25dB?30dB等。參見圖3所示，射頻功率放大器需要覆蓋75dB左右的動態范圍，其中最大概率發射點在OdBm左右。雖然射頻功率放大器工作在一 50dBm和24dBm的時間非常少，但在設計時必需考慮到覆蓋這么大的發射功率范圍。當射頻功率放大器輸出最大功率時，對應的靜態工作電流通常在80mA以上。如果保持該靜態工作電流不變，當射頻功率放大器輸出最小發射功率時，該狀態下的效率較差。[0007]為了在不同輸出功率下兼顧射頻功率放大器在效率、體積等方面的要求，人們進行了多方面的技術研究。例如美國專利US 11/385，948公開了一種多模式RF (射頻)放大器，其具有由兩個功率路徑組成的高和低輸出功率模式。當多模式RF放大器被偏置到高功率HP模式時，經由兩個(第一和第二)路徑來傳遞實際功率。而在低功率LP模式下，僅經由第二路徑來傳遞功率，所述第二路徑被設計為在低功率(回退)工作下降低電流消耗并改善效率。在一個實施例中，多模式RF放大器具有功率放大器，但沒有機械或電子開關。多模式放大器利用其中阻抗在不同功率放大器偏置條件下改變的阻抗匹配電路以便優化兩種工作模式下的電流消耗，并且對于便攜式應用，功率效率高。
【發明內容】
[0008]針對現有技術所存在的不足，本發明所要解決的首要技術問題在于提供一種射頻功率放大器。該射頻功率放大器具有高中低等多種工作模式，可以實現不同輸出功率下的功率放大器的優化工作狀態。
[0009]本發明所要解決的另一技術問題在于提供使用上述射頻功率放大器的移動終端。
[0010]為解決上述的問題，本發明采用下述的技術方案:
[0011]一種射頻功率放大器,其特征在于:
[0012]所述射頻功率放大器包括至少兩級放大電路，其中后級放大電路的晶體管集電極與前一級放大電路的晶體管集電極之間具有反饋電感，以便后級放大電路的晶體管從前一級放大電路的晶體管集電極獲得所需的集電極偏置電壓；最后一級放大電路的晶體管集電極連接饋電電感。
[0013]其中較優地，所述射頻功率放大器通過調整各級放大電路的基極偏置電壓改變相應的增益模式。
[0014]其中較優地，所述放大電路為三級，其中第一級放大電路的晶體管集電極與第二級放大電路的晶體管集電極之間具有第一反饋電感，第一級放大電路的晶體管集電極與第二級放大電路的晶體管基極之間具有第一隔直電容，第二級放大電路的晶體管集電極與第三級放大電路的晶體管集電極之間具有第二反饋電感，第二級放大電路的晶體管集電極與第三級放大電路的晶體管基極之間具有第二隔直電容。
[0015]在所述射頻功率放大器處于高增益模式工作時，各級放大電路的晶體管均加載正常工作電壓。
[0016]在所述射頻功率放大器處于中增益模式工作時，第三級放大電路的晶體管基極偏置電壓為零，其余各級放大電路的晶體管處于正常工作狀態。
[0017]在所述射頻功率放大器處于低增益模式工作時，第三級放大電路和第二級放大電路的晶體管基極偏置電壓均為零，其余各級放大電路的晶體管處于正常工作狀態。
[0018]其中較優地，第一級放大電路的晶體管基極與地之間設置輸入匹配電感。
[0019]其中較優地，第三級放大電路的晶體管集電極連接輸出匹配電路，所述輸出匹配電路由電容和電感串聯組成。
[0020]一種移動終端，具有上述的射頻功率放大器。
[0021]本發明提出了一種采用級間反饋電感饋電的射頻功率放大器。通過晶體管偏置電壓的調整，它可以實現高、中、低等不同增益模式，并且各個增益模式的靜態工作電流可控，從而實現了不同輸出功率下的功率放大器的優化工作狀態。采用該射頻功率放大器的移動終端可以兼顧小體積和低成本的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為現有移動終端的功能|吳塊不意圖；
[0023]圖2為一種典型功率放大器的電路原理圖；
[0024]圖3為移動設備工作所需的發射功率分布意圖；
[0025]圖4為晶體管的器件1-V曲線示意圖；
[0026]圖5為本發明所提供的射頻功率放大器的電路原理圖；
[0027]圖6為射頻功率放大器工作在中增益模式時的電路原理圖；
[0028]圖7為射頻功率放大器工作在小增益模式時的電路原理圖；
[0029]圖8為用于TD-LTE移動終端的射頻功率放大器的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0030]綜合考慮效率和線性度等因素，射頻功率放大器通常工作在AB類狀態。在射頻功率放大器中，晶體管的集電極和基極電壓決定了晶體管的偏置狀態。例如在圖2所示的典型功率放大器中，晶體管在集電極具有集電極偏置電壓VDD1、VDD2和VDD3，在基極具有基極偏置電壓Vbl、Vb2和Vb3。圖4為晶體管的器件1-V曲線示意圖，其中顯示了基極電壓、集電極電壓與集電極電流之間的對應關系。
[0031]如圖5所示，本發明在此基礎上提出了一種全新的射頻功率放大器電路拓撲結構。該射頻功率放大器包括晶體管501、502和503，反饋電感504和505，最后一級的直流饋電電感506，輸入隔直電容507，第一級晶體管501與第二級晶體管502的隔直電容508，第二級晶體管502與第三級晶體管503的隔直電容509，最后一級晶體管503的輸出隔直電容510。其中，晶體管501的基極連接輸入隔直電容507，該基極具有基極偏置電壓Vbl。晶體管501的集電極與晶體管502的集電極之間具有反饋電感504。晶體管501的集電極與晶體管502的基極之間具有隔直電容508。晶體管502的基極具有基極偏置電壓Vb2。類似地，晶體管502的集電極與晶體管503的集電極之間具有反饋電感505。晶體管502的集電極與晶體管503的基極之間具有隔直電容509。晶體管503的基極具有基極偏置電壓Vb3。晶體管503的集電極分別連接直流饋電電感506和輸出隔直電容510。
[0032]在圖5所示的射頻功率放大器中，除了最后一級之外，其他級的晶體管均采用反饋電感504或505的反饋饋電方式。具體說明如下:在射頻功率放大器工作時，三級晶體管501、502和503都由一個饋電點VDD饋電，第三級晶體管503采用傳統的直流饋電電感506。而第二級晶體管502由反饋電感505從第三級晶體管503集電極處饋電，該反饋電感505同時起到饋電和反饋作用。第一級晶體管501與第二級晶體管502類似，由反饋電感504從第二級晶體管502的集電極處饋電,該反饋電感504同時起到饋電和反饋作用。在射頻功率放大器處于高增益模式工作時，三級晶體管501、502和503均加載正常工作電壓；處于中增益模式工作時，最后一級晶體管503的基極偏置電壓Vb3關閉，晶體管503不工作，此時第一級晶體管501和第二級晶體管502處于正常工作狀態；處于低增益模式工作時，第二級晶體管502和第三級晶體管503的基極偏置電壓Vb2和Vb3關閉，此時第一級晶體管501處于正常工作狀態。
[0033]上述三級晶體管501、502和503的放大工作狀態均由獨立的基極偏置電壓控制:
[0034]當射頻功率放大器工作在最大增益模式時，三級晶體管501、502和503均處于正常工作狀態，級間的反饋電感504和505均起反饋作用。
[0035]如圖6所示，當射頻功率放大器工作在中增益模式時，第三級晶體管503的基極偏置電壓Vb3設為0V,此時第三級晶體管503處于關斷狀態。第一級晶體管501和第二級晶體管502處于正常工作狀態，級間的反饋電感505此時僅作為第二級晶體管502的饋電電感，同時起到阻抗匹配的作用，將原先第三級晶體管503處的阻抗經反饋電感505轉換成第二級晶體管502所需的阻抗。
[0036]如圖7所示，當射頻功率放大器工作在小增益模式時，第二級晶體管502的基極偏置電壓Vb2和第三級晶體管503的基極偏置電壓Vb 3設為0V，此時第二級晶體管502和第三級晶體管503均處于關斷狀態，而第一級晶體管501處于正常工作狀態，級間的反饋電感504和505僅作為第一級晶體管501的饋電電感，同時起到阻抗匹配的作用，將原先第三級晶體管503處的阻抗經反饋電感504和505轉換成第一級晶體管501所需的阻抗。
[0037]圖8進一步顯示了用于TD-LTE移動終端的本射頻功率放大器的一個實施例。在TD-LTE移動終端中，工作頻段為2300MHz?2400MHz，最大增益為28dB，最大輸出功率28dBm。相應地，用在TD-LTE移動終端的射頻功率放大器采用三級放大，其中晶體管801、802和803為GaAs HBT器件，集電極偏置電壓Vdd為3.4V，基極偏置電壓Vbl、Vb2和Vb3為1.35V，第三級晶體管803的集電極偏置電壓由饋電電感806提供，第一級晶體管801和第二級晶體管802的集電極偏置電壓分別由反饋電感804和805提供，三級晶體管的基極偏置電壓由Vbl、Vb2和Vb3經過電阻814、815和816分別提供。其中電感807為輸入匹配電感，電感811和電容812串聯組成輸出匹配電路。電容808、809、810和813為輸入輸出和級間隔直電容。
[0038]上述射頻功率放大器一共有三個增益模式，可以依照發射功率的需求，選擇對應的工作模式，最大程度地降低靜態工作電流和整體平均工作電流。在高增益模式下，三級晶體管均處于正常偏置狀態，Vdd電壓為3.4V，VbU Vb2和Vb3電壓為1.35V。其中第一級晶體管801的靜態工作電流約為5mA，第二級晶體管802的靜態工作電流約為15mA，第三級晶體管803的靜態工作電流約為80mA，高增益模式下射頻功率放大器總的靜態工作電流100mA，功率放大器在工作頻段內的增益約為28dB，最大線性輸出功率為28dBm，飽和輸出功率約為31dBm。在中增益模式下，Vdd保持3.4V，偏置電壓Vb3設為0V，此時第三級晶體管803關閉。Vbl和Vb2工作電壓為1.35V，第一級晶體管801的靜態工作電流為5mA，第二級晶體管802的靜態工作電流為15mA。此時輸入信號經第一級晶體管801和第二級晶體管802放大器后，經過第二級和第三級級間的反饋電感805輸出，此時射頻功率放大器在工作頻段內增益約為22dB，中增益模式下靜態工作電流為20mA，最大線性輸出功率約為18dBm。在低增益模式工作模式下，Vdd保持3.4V，偏置電壓Vb2和Vb3設置為0V，此時第二級晶體管802和第三級晶體管803關閉。Vbl工作電壓為1.35V，第一級晶體管801的靜態工作電流為5mA。此時輸入信號經第一級晶體管801放大后經過第一級與第二級級間的反饋電感804和第二級與第三極級間的反饋電感805輸出，此時射頻功率放大器在工作頻段內增益約為13dB，低增益模式下靜態工作電流為5mA，最大線性輸出功率約為8dBm。[0039]本發明所提供的射頻功率放大器采用獨特的電路拓撲結構，包括兩級或兩級以上放大電路，其中最后一級放大電路采用傳統饋電電感提供最后一級晶體管所需的靜態工作電流。其余放大電路中，后級放大電路通過反饋電感從前一級放大電路的晶體管集電級獲得所需的偏置電壓，并提供本級放大電路的靜態工作電流。利用該電路拓撲結構，可以實現多級功率放大器的獨立控制、逐級打開的多增益模式。并且，各個增益模式下的靜態工作電流可控，從而實現了不同輸出功率下的射頻功率放大器的優化工作狀態。
[0040]該電路拓撲結構尤其適用于兩級及兩級放大以上的射頻功率放大器，例如圖5或圖8所示采用三級放大的射頻功率放大器等。采用該電路拓撲結構進行集成電路芯片設計，則可以實現收發機的芯片面積與功耗的最優化設計。相應地，使用本發明所提供的射頻功率放大器的移動終端可以兼顧小體積和低成本的要求。
[0041]需要說明的是，本發明所提供的射頻功率放大器并不限于用在移動終端中，同時也適用于其他射頻功率放大器應用的領域，如基站功率放大器、驅動功率放大器和低噪聲放大器等。
[0042]上面對本發明所提供的射頻功率放大器及其移動終端進行了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
【權利要求】
1.一種射頻功率放大器，其特征在于: 所述射頻功率放大器包括至少兩級放大電路，其中后級放大電路的晶體管集電極與前一級放大電路的晶體管集電極之間具有反饋電感，以便后級放大電路的晶體管從前一級放大電路的晶體管集電極獲得所需的集電極偏置電壓；最后一級放大電路的晶體管集電極連接饋電電感。
2.如權利要求1所述的射頻功率放大器，其特征在于: 所述射頻功率放大器通過調整各級放大電路的基極偏置電壓改變相應的增益模式。
3.如權利要求1所述的射頻功率放大器，其特征在于: 所述放大電路為三級，其中第一級放大電路的晶體管集電極與第二級放大電路的晶體管集電極之間具有第一反饋電感，第一級放大電路的晶體管集電極與第二級放大電路的晶體管基極之間具有第一隔直電容，第二級放大電路的晶體管集電極與第三級放大電路的晶體管集電極之間具有第二反饋電感，第二級放大電路的晶體管集電極與第三級放大電路的晶體管基極之間具有第二隔直電容。
4.如權利要求3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 第一級放大電路的晶體管基極連接輸入隔直電容，第三級放大電路的晶體管集電極連接輸出隔直電容。
5.如權利要求2或3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 在所述射頻功率放大器處于高增益模式工作時，各級放大電路的晶體管均加載正常工作電壓。
6.如權利要求2或3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 在所述射頻功率放大器處于中增益模式工作時，第三級放大電路的晶體管基極偏置電壓為零，其余各級放大電路的晶體管處于正常工作狀態。
7.如權利要求2或3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 在所述射頻功率放大器處于低增益模式工作時，第三級放大電路和第二級放大電路的晶體管基極偏置電壓均為零，其余各級放大電路的晶體管處于正常工作狀態。
8.如權利要求3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 第一級放大電路的晶體管基極與地之間設置輸入匹配電感。
9.如權利要求3所述的射頻功率放大器，其特征在于: 第三級放大電路的晶體管集電極連接輸出匹配電路，所述輸出匹配電路由電容和電感串聯組成。
10.一種移動終端，其特征在于所述移動終端具有如權利要求1?3中任意一項所述的射頻功率放大器。
【文檔編號】H03F3/189GK103457550SQ201210172211
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月30日 優先權日:2012年5月30日
【發明者】林水洋, 錢曄, 熊勇 申請人:上海無線通信研究中心, 中國科學院上海微系統與信息技術研究所