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    功率放大器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110084367.2

    申请日:

    2011.03.31

    公开号:

    CN102208899A

    公开日:

    2011.10.05

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H03F 3/213申请日:20110331|||公开
    IPC分类号: H03F3/213 主分类号: H03F3/213
    申请人: 索尼欧洲有限公司
    发明人: 约翰·克里斯多佛·克利夫顿
    地址: 英国萨里郡
    优先权: 2010.03.31 GB 1005496.3
    专利代理机构: 北京东方亿思知识产权代理有限责任公司 11258 代理人: 宋鹤
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110084367.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.06.22|||2013.04.03|||2011.10.05

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种功率放大器,其包括功率放大器装置的串联堆,功率放大器装置并联连接到用于接收RF输入信号的放大器输入端,并且功率放大器的输出端子串联连接到放大器输出端。中间耦合电容器在功率放大器装置的串联堆中连接在每个相邻功率放大器装置对之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离。这降低了所需的DC电源电压,并且允许响应于DC电源电压中的变化,将单独的功率放大器装置短路。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种功率放大器,用于放大RF输入信号,所述功率放大器包括:
    放大器输入端,其用于接收所述RF输入信号,以及放大器输出端,其用于输出放大的RF输出信号;
    功率放大器装置的串联堆,每个功率放大器装置布置为将提供给其输入端子的信号放大,并在其两个输出端子之间产生放大的信号,每个功率放大器的所述输入端子并联连接到用于接收所述RF输入信号的所述放大器输入端,并且所述功率放大器装置的输出端子串联连接到所述放大器输出端;以及
    各个中间耦合电容器,其在所述功率放大器装置的串联堆中,连接在每个相邻功率放大器装置对的所述输出端子之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离,每个功率放大器装置的所述输出端子连接到各个DC偏置电压源线路,以及
    其中,关于至少一个所述功率放大器装置,所述输出端子连接的所述各个DC偏置电压源线路包括能断开所述DC偏置电压的开关部件,并且所述输入端子连接的所述各个DC偏置电压源线路自身连接到可变DC偏置电压源,能控制所述可变DC偏置电压源以提供正常DC偏置电压或高DC偏置电压。

    2.  根据权利要求1所述的功率放大器,其中,所述功率放大器装置是场效应晶体管。

    3.  根据权利要求2所述的功率放大器,其中,所述功率放大器装置是采用III-V材料的场效应晶体管。

    4.  根据权利要求3所述的功率放大器,其中,所述功率放大器装置是高电子迁移率晶体管。

    5.  根据权利要求1所述的功率放大器,其中,所述功率放大器进一步包括多个放大器输出信道和传输多通道开关部件,所述放大器输出信道用于向各个阻抗匹配电路输出不同RF频率的放大的信号,所述传输多通道开关部件连接在所述放大器输出端与所述多个放大器输出信道之间,用于根据所述放大的信号的RF频率,向一个所述放大器输出信道提供所述放大的信号。

    6.  根据权利要求5所述的功率放大器,其中,包括所述传输多通道开关部件的所述功率放大器形成在集成电路芯片中。

    7.  根据权利要求1所述的功率放大器,进一步包括各个输入耦合电容器,所述输入耦合电容器连接在所述放大器输入端与每个功率放大器装置的所述输入端子之间,用于减少环绕通过所述串联堆中的功率放大器装置与它们的输入端子形成的回路的回路振荡,每个功率放大器装置的所述输入端子连接到各个DC偏置电压源线路。

    8.  根据权利要求1所述的功率放大器,其中,所述可变DC偏置电压源是运算放大器。

    9.  一种功率放大器???,能与提供可变DC电源电压的电源一起使用,所述功率放大器??榘ǎ?BR>根据前述权利要求任一项所述的功率放大器;以及
    控制电路,布置为控制所述开关部件和所述可变DC偏置电压源,所述控制电路布置为通过控制所述开关部件断开提供给所述输出端子的所述DC偏置电压,选择性地将所述至少一个功率放大器装置短路,并且布置为控制所述可变DC偏置电压源,以提供高DC偏置电压。

    10.  根据权利要求9所述的功率放大器???,其中,所述控制电路布置为监测所述电源的所述DC电源电压,并响应于所监测的DC电源电压,选择性地将所述至少一个功率放大器装置短路。

    11.  根据权利要求9所述的功率放大器???,其中,所述控制电路布置为响应于传输的输出功率,选择性地将所述至少一个功率放大器装置短路。

    12.  一种便携式电信装置,包括根据权利要求1至8中任一项所述的功率放大器。

    13.  一种便携式电信装置,包括根据权利要求9所述的功率放大器。

    14.  一种控制功率放大器的方法,所述功率放大器包括:
    放大器输入端,其用于接收所述RF输入信号,以及放大器输出端,其用于输出放大的RF输出信号;
    功率放大器装置的串联堆,每个功率放大器装置布置为将提供给其输入端子的信号放大,并在其两个输出端子之间产生放大的信号,每个功率放大器的所述输入端子并联连接到用于接收所述RF输入信号的所述放大器输入端,并且所述功率放大器装置的所述输出端子串联连接到所述放大器输出端;以及
    各个中间耦合电容器,其在所述功率放大器装置的串联堆中,连接在每个相邻功率放大器装置对的所述输出端子之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离,每个功率放大器装置的所述输出端子连接到各个DC偏置电压源线路,
    所述方法包括响应于提供给所述功率放大器的所述DC电源电压,或者响应于传输的输出功率,选择性地将至少一个所述功率放大器装置短路。

    15.  一种功率放大器,用于放大RF输入信号,所述功率放大器包括:
    放大器输入端,其用于接收所述RF输入信号,以及放大器输出端,其用于输出放大的RF输出信号;
    功率放大器装置的串联堆,每个功率放大器装置布置为将提供给其输入端子的信号放大,并在其两个输出端子之间产生放大的信号,每个功率放大器的所述输入端子并联连接到用于接收所述RF输入信号的所述放大器输入端,并且所述功率放大器装置的所述输出端子串联连接到所述放大器输出端;
    各个中间耦合电容器,其在所述功率放大器装置的串联堆中,连接在每个相邻功率放大器装置对的所述输出端子之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离,每个功率放大器装置的所述输出端子连接到各个DC偏置电压源线路;以及
    多个放大器输出信道和传输多通道开关部件,所述放大器输出信道用于向各个阻抗匹配电路输出不同RF频率的放大的信号,所述传输多通道开关部件连接在所述放大器输出端与所述多个放大器输出信道之间,用于根据所述放大的信号的RF频率,向一个所述放大器输出信道提供所述放大的信号。

    16.  根据权利要求15所述的功率放大器,其中,包括所述传输多通道开关部件的所述功率放大器形成在集成电路芯片中。

    说明书

    说明书功率放大器
    技术领域
    本发明涉及便携式电信装置中的射频(RF)传输,尤其涉及用于将RF信号放大以用于传输的功率放大器。
    背景技术
    随着便携式电信装置的发展,使用的频带的数量正在迅速增加。已经发展了很多3G标准,这些标准的特点是频带的数量不断增加。随着4G标准的发展和实施,频带的数量正在进一步增加。
    通常,将便携式电信装置的元件设计为能够在多个不同频带下操作。这是为了允许不管在世界上什么地方都能在适合的频带下操作,也是为了通过利用通用设计来实现设计和制造中的节约。
    这种装置的前端包括功率放大器,该功率放大器用于将RF信号放大以便为传输提供足够的功率。这种功率放大器本质上是窄带装置。因为需要通过提供较小DC电压的电源(例如电池)来产生电力,所以使用较大电容的半导体装置。因为小电源电压与大电容的这种组合,所以功率放大器阻抗低且Q值高,因而限制了带宽。本发明涉及功率放大器的设计,该设计将功率放大器的带宽最大化。
    功率放大器的另一个问题是效率,因为功率放大器导致了移动电信装置功耗的重要部分。对于3G/4G标准中为了提高数据传输率而使用的复合调制方案,尤其是这种情况。这种方案要求损害总体系统效率的线性功率放大,例如要求通过饱和最大功率来补偿功率放大器。
    为了改善功率放大器的带宽性能,一种方法是提高用于驱动功率放大器的DC电压。由于高电压会引起击穿,所以加在单个半导体装置上的电压受半导体的物理材料特性限制。
    《IEEE微波理论与技术汇刊》2005年6月第6期第53卷Clifton等人的“Novel Multimode JpHEMT Front-end Architecture With Power-Control Scheme For Maximum Effeciency”公开了一种通过独立JPHEMT装置的串联堆实现的功率放大器。相同的RF输入信号被并行地提供给每个JPHEMT装置的输入端子,并且JPHEMT装置的输出端子串联连接,以提供放大的RF输出信号。由于串联堆中JPHEMT装置的布置,每个JPHEMT装置都承受全部DC偏置电压的一小部分。因此,避免了各个JPHEMT装置中半导体材料的击穿。
    但是,可通过较高的总DC电源电压来操作功率放大器,较高的总DC电源电压提供如下的多个优点。与使用单个JPHEMT装置相比,增加的电压改善了功率放大器的带宽。在实际系统中,这允许单个功率放大器覆盖更多数量的RF频带,从而减少多频带电信装置中所需功率放大器的数量。此外,该设计通过提供更高的增益和允许进一步从膝处电压开始操作,提高了效率。此外,可以在更小面积的半导体中实施功率放大器,因为更高的电压操作改善了半导体每单位几何面积的输出功率。例如,与用于传统的3V功率放大器的18mm的栅极宽度相比,Clifton等人公开的功率放大器的总栅极宽度为7.2mm。
    通常,便携式电信装置通过电池操作,电池的输出电压受电池技术限制。此外,输出电压具有输出电压随着电池的放电而降低的放电特性??悸堑秸庑┫拗?,便携式电信装置中的额定DC电源电压可以是3V的量级。为了提供相比从电池得到的电压更高的电压,Clifton等人公开了使用DC-DC转换器来提供更高的DC偏置电压源以用于功率放大器。
    便携式电信装置中的另一个问题是通常用作电源的电池的放电特性。特别地,随着电池的放电,电池的输出电压非线性地降低,例如沿着特性曲线从4.2V降至2.5V。在固定DC偏置电压的情况下,可通过将元件设计为在额定偏置电压(例如3.0V)下操作来处理该问题。当电池的实际输出电压超过额定输出电压时,元件的效率受损,因为从超过额定输出电压的实际DC偏置电压得到的功率被严重浪费。这影响了功耗。相反,当输出电压下降到低于额定偏置电压时,由于认为电池会放电,所以对电池寿命有影响。因此,通常将额定偏置电压设定为在这两种因素之间形成折衷,例如为3.0V或3.5V。
    发明内容
    根据本发明的第一方面,提供了一种用于放大RF输入信号的功率放大器,所述功率放大器包括:
    放大器输入端,其用于接收RF输入信号,以及放大器输出端,其用于输出放大的RF输出信号;
    功率放大器装置的串联堆,每个功率放大器装置布置为将提供给其输入端子的信号放大,并在其两个输出端子之间产生放大的信号,每个功率放大器的输入端子并联连接到用于接收所述RF输入信号的所述放大器输入端,所述功率放大器装置的输出端子串联连接到所述放大器输出端;以及
    各个中间耦合电容器,其在所述功率放大器装置的串联堆中,连接在每个相邻功率放大器装置对的所述输出端子之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离,每个功率放大器装置的所述输出端子连接到各个DC偏置电压源线路,
    其中,关于至少一个功率放大器装置,所述输出端子连接的各个DC偏置电压源线路包括能断开DC偏置电压的开关部件,所述输入端子连接的各个DC偏置电压源线路自身连接到可变DC偏置电压源,能控制所述可变DC偏置电压源以提供正常DC偏置电压或高DC偏置电压。
    因此,功率放大器装置的串联堆被设置在功率放大器中。每个功率放大器的输入端子并联连接到放大器输入端,从而接收相同的RF输入信号。功率放大器装置的输出端子串联连接到放大器输出端,以便共同提供放大的RF输出信号。因此,根据本发明的功率放大器装置提供与上述参照Clifton等人所公开的装置类似的优点。
    此外,中间耦合电容器连接在串联堆中每个相邻功率放大器装置对的输出端子之间。这是为了提供功率放大器装置的DC隔离。因此,每个功率放大器装置的输出端子连接到各个DC电压源线路。通过中间耦合电容器提供的DC隔离允许为每个功率放大器装置提供独立的DC偏置电压源。这意味着与没有中间耦合电容器的串联堆(如同在Clifton等人的文献中)相比,所需的DC偏置电压电平更低。这种对于DC偏置电压的低要求是有利的。在很多实际实施例中,这允许通过电池来操作功率放大器,不需要DC-DC转换器,从而降低了功率放大器的成本和复杂性,同时,通过利用功率放大器装置的串联堆,仍然提供操作上的优点。
    此外,本发明的中间耦合电容器允许将各个功率放大器装置选择性地短路,特别是通过控制向其提供的DC偏置电压。关于至少一个功率放大器装置,可以通过输出端子连接的各个DC偏置电压源线路包括能够断开DC偏置电压的开关部件,并且输入端子连接的各个DC偏置电压源线路自身连接到能够受控以提供正常DC偏置电压或高DC偏置电压的可变DC偏置电压源来实现这一点??梢酝ü刂频缏防刺峁┛夭考涂杀銬C电压的控制,控制电路与功率放大器一起形成功率放大器??榈囊徊糠?。
    一个或多个功率放大器装置的这种选择性短路允许功率放大器适应电源(例如电池)的输出电压中的变化,特别是电池放电过程中的放电特性。特别地,当电压高时,短路的功率放大器装置的数量更多,当DC电源电压下降时,短路的功率放大器装置的数量可被减少,以引入更多的功率放大器装置。作为实例,为了在由三个晶体管的串联堆构成的功率放大器中提供7V的总额定电压,如果电源电压大于3.5V,则将单个功率放大器装置短路,如果电源的输出电压下降到3.5V以下,则没有功率放大器装置被短路。
    功率放大器装置的这种短路允许提高总效率,因为可以通过通常更小的过剩偏置电压来操作各个功率放大器装置。也可以在认为电池放电之前,沿着放电特性的较大部分到较低的最终电压使用电源(例如电池)。这提高了有效电池寿命。
    可以响应于提供给功率放大器的DC电源电压或者传输的输出功率来进行至少一个功率放大器装置的选择性短路。因此,根据本发明的第一方面,进一步提供了一种控制功率放大器的类似方法。
    根据本发明的第二方面,提供了一种用于放大RF输入信号的功率放大器,所述功率放大器包括:
    放大器输入端,其用于接收RF输入信号,以及放大器输出端,其用于输出放大的RF输出信号;
    功率放大器装置的串联堆,每个功率放大器装置布置为将提供给其输入端子的信号放大,并在其两个输出端子之间产生放大的信号,每个功率放大器的输入端子并联连接到用于接收所述RF输入信号的所述放大器输入端,所述功率放大器装置的输出端子串联连接到所述放大器输出端;以及
    各个中间耦合电容器,其在所述功率放大器装置的串联堆中,连接在每个相邻功率放大器装置对的所述输出端子之间,以用于所述功率放大器装置的DC隔离,每个功率放大器装置的所述输出端子连接到各个DC偏置电压源线路。
    因此,功率放大器装置的串联堆被设置在功率放大器中。每个功率放大器的输入端子并联连接到放大器输入端,从而接收相同的RF输入信号。功率放大器装置的输出端子串联连接到放大器输出端,以共同提供放大的RF输出信号。因此,根据本发明的功率放大器装置提供与上述参照Clifton等人所公开的装置类似的优点。
    此外,中间耦合电容器连接在串联堆中每个相邻功率放大器装置对的输出端子之间。这是为了提供功率放大器装置的DC隔离。因此,每个功率放大器装置的输出端子连接到各个DC电压源线路。通过中间耦合电容器提供的DC隔离允许为每个功率放大器装置提供独立的DC偏置电压源。这意味着与没有中间耦合电容器的串联堆(如同在Clifton等人的文献中)相比,所需的DC偏置电压电平更低。这种对于DC偏置电压的低要求是有利的。在很多实际实施例中,这允许通过电池来操作功率放大器,不需要DC-DC转换器,从而降低了功率放大器的成本和复杂性,同时,通过利用功率放大器装置的串联堆,仍然提供操作上的优点。
    本发明的第二方面进一步涉及在多个频带中功率放大器的操作,通过增加功率放大器的带宽,有助于其操作。在这种情况下,必须根据RF频率,选择性地提供功率放大器输出的放大的RF信号,以便将放大的RF信号选择性地提供给不同频道的后续电路(通常是双工器)。
    通常,还需要在功率放大器(具有较小的输出阻抗)与后续电路(具有较大的输入阻抗)之间提供阻抗匹配电路。这种阻抗匹配电路通常需要设置在实施功率放大器的集成电路芯片的外部,因为高Q值要求通过分离的元件来实施实际意义上的电容器。
    在功率放大器中,可通过传输多通道开关部件来提供不同频道的转换,但是传输多通道开关部件通常具有较大的阻抗,这个阻抗大于通过单个功率放大器装置形成的功率放大器的输出阻抗。为此,通常在阻抗匹配电路的下游侧设置传输多通道开关部件,并且同样是在与实施功率放大器的集成电路芯片不同的元件中。
    但是,已经认识到,根据本发明的包括功率放大器装置串联堆的功率放大器的较大输出阻抗允许将传输多通道开关部件连接在放大器输出端与多个放大器输出端信道之间,设置多个放大器输出端信道是用于向各个阻抗匹配电路提供不同频率的放大的RF输出信号?;谎灾?,功率放大器的设计允许将传输多通道开关部件连接在功率放大器装置的上游。
    这样做的一个优点是允许将包括传输多通道开关部件的功率放大器形成在单个集成电路芯片中,不需要在独立元件中设置传输多通道开关部件。这降低了电路的复杂性。
    附图说明
    为了能够更好地理解,现在参照附图通过非限制性实例描述本发明的实施例,附图中:
    图1是功率放大器的示意图;
    图2是功率放大器的输出功率相对于频率的关系曲线图;
    图3是包括多通道传输开关部件的功率放大器的示意图;
    图4是功率放大器的晶体管的示意图,功率放大器具有可控的DC偏置电压,用于将晶体管短路;
    图5是包括功率放大器和控制电路的功率放大器??榈氖疽馔?;
    图6是电池放电特性的曲线图;以及
    图7是便携式电信装置的收发器电路的系统方框图。
    具体实施方式
    图1示出的功率放大器1在集成电路芯片10中实施其元件。
    功率放大器1包括构成功率放大器装置的晶体管2的串联堆。在图1所示的实例中,功率放大器1包括3个晶体管2。然而,这仅仅是作为实例,一般功率放大器1可包括任意多数量的晶体管2。在本实例中,晶体管2是结型伪高电子迁移率晶体管(JPHEMT)。与替代功率放大器装置相比,这种技术表现出一些有吸引力的特性,例如在导通时具有高Gm以及具有线性Gm/偏置特性。
    功率放大器1还具有放大器输入端3,用于接收射频(RF)输入信号。各个晶体管2充当其输入端子的栅极并联连接到放大器输入端3,因此晶体管2都接收RF输入信号。在操作中,每个晶体管2将提供给它的RF输入信号放大,并在充当晶体管2输出端子的漏极和源极之间产生放大的RF信号。
    晶体管2布置为串联堆,每个晶体管2的栅极和源极串联连接在功率放大器1的接地端子4与放大器输出端5之间。由于这种串联布置,每个单独晶体管2产生的放大的RF信号叠加,从而在放大器输出端5提供功率放大器1的放大的RF输出信号。与单个晶体管2形成的功率放大器相比,这提供如下的多个优点。较高的总驱动电压增加了功率放大器1的带宽。在便携式电信装置的实际应用中,这可以增加功率放大器1能提供放大的频带的数量。此外,通过提供高增益和允许在相比单个晶体管更高的电压下,进一步从膝处电压开始操作(是装置的I/V特性从陡峭梯度移动到平缓梯度的漏极或集电极电压,并且该电压实际上是为了获得有限输出功率,可以操作功率放大器的最小可用电压),晶体管1的串联堆提高了效率。也可以在集成电路芯片的更小的半导体区域中实施功率放大器1,因为更高的电压操作提供晶体管2的每单位几何面积的更高输出功率。
    功率放大器1包括连接在放大器输入端3与每个晶体管2栅极之间的各个输入耦合电容器6。经由到放大器输入端3的公共连接,放大器输入端3与每个晶体管2栅极的并联连接导致回路,通过串联堆中的晶体管2和它们的输入端子形成该回路。在操作中存在危险:环绕这种回路的这种回路振荡会恶化功率放大器1的频率响应。输入耦合电容器6的目的是减少这种回路振荡。
    同样地,将输入耦合电容器6的电容选择为相比环绕回路的增益,提供对RF信号足够高的阻抗。特别地,将电容选择为使得输入耦合电容器6的总阻抗和晶体管在其栅极与源极之间的联接电容超过晶体管的增益。但是,如果回路振荡被充分抑制,就将输入耦合电容器6的电容选择为尽可能高,以优化功率放大器1的RF性质。这是因为低电容降低了功率放大器1的Q值,因此电容应当足够高,使得Q值足够低,以限制增益损失。此外,低电容增加功率放大器的输入阻抗,因此电容应当尽可能高,以降低RF输入信号的阻抗匹配要求。例如,如果晶体管2是面积为4mm(10x400μm)的JPHEMT,那么输入耦合电容器6可通常具有大约1pF的电容。
    此外,各个DC偏置电压源线路7连接到每个晶体管2的栅极,用于在操作中提供DC偏置电压。因此DC偏置电压源线路7直接连接到晶体管的栅极,即输入耦合电容器6与晶体管2的栅极之间。
    此外,各个中间耦合电容器8连接在串联堆中每对晶体管2中间,即连接在一个晶体管2的漏极与相邻晶体管2的源极之间。中间耦合电容器8的目的是提供晶体管2之间的DC隔离。因此,每个晶体管2的漏极和源极连接到各个DC偏置电压源线路9,DC偏置电压源线路9用于向每个晶体管2提供独立的DC偏置电压。
    因此,中间耦合电容器8允许并行地将晶体管2偏置,即使晶体管2被布置为串联堆以增加放大的RF输出信号的电压。这提供了降低所要求的DC偏置电压大小的显著优点。例如,这可以避免需要DC-DC转换器以提高电源(例如电池)提供的电压。例如,在便携式电信装置中,通常通过电池来提供电力,电池的电压受使用的电池技术所限,通常约为3-4V??山骞?配置为通过可从电池得到的偏置电压操作。通过这种方式,可实现功率放大器1中晶体管2的串联堆的优点,不需要DC-DC转换来在整个堆上提供高电压。避免DC-DC转换器降低了功率放大器1的复杂性。
    将中间耦合电容器8的电容选择为尽可能高,以降低它们对晶体管2的串联堆上产生的RF信号的阻抗。将电容选择为比晶体管2的放大器输出阻抗的输出阻抗高,优选地,至少按照大小量级更小。但是,对于集成电路芯片10中的中间耦合电容器8的电容有实际限制。一个实际限制是集成电路芯片10的最终物理尺寸,它不能太大。另一个实际限制是,为了避免干涉效应,希望中间耦合电容器8的尺度小于RF信号波长的大约十分之一。在将晶体管2形成为4mm(10x400μm)尺寸的JPHEMT的情况下,通常,中间耦合电容器8具有大约50pF的电容。
    图2是对于图1所示的功率放大器1的实例,输出功率相对于频率的关系曲线图,但是只有两个晶体管2。在该实例中,漏极电压为4.6V,输入功率为20.2dBm。此外,不考虑印刷电路板损耗,在没有输入阻抗匹配,只有低频、低Q值元件用于输出阻抗匹配的条件下操作功率放大器1。虽然如此,曲线图显示了功率放大器1的良好性能。
    如上所述,功率放大器1中晶体管2的串联堆的一个优点是,与使用单个晶体管相比,功率放大器1的带宽增加。尽管便携式电信装置中的功率放大器经常被限制为使用单个频带,但是增加的带宽允许功率放大器1使用多个RF频带。因此,需要根据频率,对于不同的频带将放大的RF输出信号转换到不同的电路。图3示出为此对功率放大器1的变型。图3所示的功率放大器1与图1所示有两个晶体管2的功率放大器1相同,但是改变为包括以下附加元件。
    功率放大器1包括三个放大器输出信道11,放大器输出信道11通过传输多通道开关部件12连接到放大器输出端5。虽然在本实例中示出三个放大器输出信道11,但是一般可以有任意多数量的放大器输出信道11,该数量等于功率放大器1要在其中操作的频带的数量。传输多通道开关部件12关于每个放大器输出信道11包括一对开关装置13,开关装置13连接在放大器输出端5与放大器输出信道11之间。在本实例中,开关装置13是简单的场效应晶体管,例如具有2mm(5x400μm)的尺寸。关于每个放大器输出信道11的开关装置13对通过栅极电阻14(例如为2kΩ)连接到各个控制端子15。但是,可以使用任何其他合适的开关部件。
    通过向控制端子15提供适当的控制信号来转换开关装置13,可将传输多通道开关部件12转换为从放大器输出端5向选择的任何一个放大器输出信道11提供放大的RF输出信号。在操作中,根据RF输入信号的频率来进行转换,以向对应的放大器输出信道11提供放大器RF输出信号。
    因此,已经在包括功率放大器1其余部分的相同集成电路10中实施多通道开关部件12。这是可以实现的,因为功率放大器1设置为晶体管2的串联堆。特别地,功率放大器1具有较高的输出阻抗,使得传输多通道开关部件12能直接连接到放大器输出端5,不需要任何中间阻抗匹配电路。
    与之不同,在一些已有的功率放大器中,输出阻抗不允许这种情况,因此,为了功率放大器1与关于给定频带的后续电路之间的阻抗匹配,要求在阻抗匹配电路后面设置传输多通道开关部件。因为通常由于需要使用分离的电容器和电感器元件,需要在集成电路芯片10外部实施阻抗匹配电路,所以这种情况要求在独立的集成电路芯片中设置传输多通道开关部件。
    现在考虑DC偏置电压源。在简单布置中,可将每个晶体管2连接到公共DC偏置电压。在这种情况下,连接到晶体管的栅极的各个DC偏置电压源线路7连接到相同的DC偏置电压。例如,可以通过传统方式,从连接到每个DC偏置电压源线路7的偏置控制回路提供DC偏置电压。类似地,分别连接到晶体管2的源极和漏极的各个DC偏置电压源线路11连接在通过电源(例如电池)、或者通过包络跟踪/调制单元直接提供的公共DC偏置电压上。
    但是,在替代布置中,可将提供给至少一个晶体管的DC偏置电压控制为将有关的晶体管2短路。图4示出了具有这种替代布置的实例的单个晶体管2。这种布置可应用于功率放大器1中的任意一个或多个晶体管2。
    在本实例中,DC偏置电压源线路9包括能够断开通过DC偏置电压源线路9提供给晶体管2的DC偏置电压的开关部件16。特别地,开关部件16包括连接在晶体管2的源极与对应的一个DC偏置电压源线路9之间的开关装置17。在本实例中,通过简单的场效应晶体管形成开关装置17??刈爸?7的栅极连接到用于提供控制信号的控制端子18,该控制信号能够闭合和断开开关装置17,从而连接和断开通过DC偏置电压源线路9加在晶体管2的源极和漏极之间的DC偏置电压。
    此外,晶体管2的栅极连接到运算放大器19,运算放大器19操作为可变DC偏置电压源。向运算放大器19的一个输入端供以来自传统构造的偏置控制回路20的偏置控制电压。偏置控制回路19提供晶体管2所需的正常DC偏置电压,以正常操作。运算放大器19的另一个输入端连接到控制端子21,用于提供能够将运算放大器19在输出由偏置控制回路20提供的正常DC偏置电压的状态与输出高DC偏置电压的状态之间转换的控制信号。所述高DC偏置电压足够高,以便当通过DC偏置电压源线路9加在源极和漏极之间的偏置电压被断开时,将晶体管2短路。
    在操作中,开关部件16和运算放大器19受提供给控制端子18和21的控制信号控制,以选择性地正常操作晶体管2或者将晶体管2短路??衫猛?所示的电路进行这种控制,图5示出的功率放大器???0包括在集成电路芯片10中实施的功率放大器1。
    功率放大器???0包括控制电路31,控制电路31向集成电路芯片10提供控制信号,以用于控制功率放大器1。功率放大器???0由电池32供电,电池32构成功率放大器???0的功率放大器1以及其他元件的电源。通过传感器电路33来监测电池32提供的电压。传感器电路33的输出(表示被监测的电压)被提供给控制电路31,控制电路31响应传感器电路33的输出,控制开关部件16和运算放大器19。
    控制电路31关于将描述的电池32的放电特性进行控制。放电特性的特征是,随着电池32的放电,电池32提供的电压下降。作为实例,图6是输出电压与容量的关系曲线图,示出了典型碳电极锂离子电池的放电特性34和例如最近研发的合金电极锂离子电池的放电特性37。放电特性34和35都显示电压在4.2V附近如何下降,首先稳定下降,当电池32接近完全放电时,电压急剧下降。通常将功率放大器1配置为在额定输出电压(例如3.5V或3V)下操作。但是,如果输出电压超过该额定电压,则对应于超过额定输出电压的实际输出电压的功率被浪费,损害效率。相反,如果输出电压下降到低于额定输出电压,则认为电池32已经耗尽电力,因此停止操作。通常,将额定输出电压设定为提高效率与增加电池寿命之间的折衷。
    但是,控制电路1可操作为允许通过将一个或多个晶体管2选择性短路,来实现更好的折衷。特别地,当电池32的电压高时,将一个或多个晶体管2短路,因此仅从剩余的晶体管2得到全部放大的RF输出信号。但是,由于电压高,所以仍然可以获得期望的输出功率。随后,当电池32的电压下降时,控制晶体管2,使得较少数量的晶体管2短路,直到所有晶体管2被使用。当电池的电压下降时,这向放大的RF输出信号提供额外功率。作为实例,当功率放大器1包括有三个晶体管2的串联堆时,为了提供7V的总额定电压,如果电源电压大于3.5V,则将单个晶体管2短路,留下两个晶体管2操作,但是如果电源的输出电压下降到3.5V以下,则没有晶体管2被短路,因此所有晶体管2都在操作。
    这种转换允许功率放大器1的效率与电池32的寿命之间更好的折衷,因为当电源电压较高时,通过简单地减少晶体管2的数量,就可以通过额定操作电压与实际电压之间的较小差数来操作单个晶体管2。相反,在认为电池32已经放电之前,可以沿着放电特性的较大部分到较低的最终电压来使用电池32。
    图5中的控制电路31也可以考虑要求进行传输时的输出功率。根据距离基站端子有多远来调节时间平均输出功率。因此,为了改变功率放大器的输出功率(即功率控制范围,根据通信标准,通常大约为30dB至80dB),经常调节功率放大器的输入功率或者与功率放大器相关联的控制电压(经由便携式电信装置的通信处理器的指令)。为了降低dc功耗从而提高效率,可以以低于最大输出功率的水平将晶体管2逐步短路。需要足够的晶体管在堆中操作以提供要求的输出功率,但是可将任何其他晶体管短路以降低dc功耗??衫玫髦瓢绲募词惫β仕揭酝耆嗤姆绞浇骞?逐步短路。包络跟踪的使用及其他方面会影响控制电路31的设计。
    图7是收发器电路的系统方框图,其中使用了上述功率放大器1,收发器电路合并在便携式电信装置60中,便携式电信装置60可以是任何类型,例如移动电话??山辗⑵鞯缏?0合并在便携式电信装置(例如移动电话)中,以提供四个GSM频带和五个WCDMA/LTE频带上的传输。收发器电路包括多路开关部件41,多路开关部件41连接到天线42并提供天线42与十一个端子中的被选择端子之间的开关。多路开关部件41的四个端子通过带通滤波器43连接到用于GSM频带的接收电路4。多路开关部件41的其余端子连接到用于WCDMA/LTE频带的五个信道45和用于GSM传输的两个信道46。用于WCDMA/LTE频带的信道45分别连接到各个双工器47,双工器47将所接收信号与所发送信号分离。特别地,通过双工器47将从天线42提供的所接收信号传输到各个WCDMA/LTE接收电路48,而发送信号通过双工器47沿着相反的方向传递到天线42。
    发送信号的产生如下。收发器电路40包括RF集成电路49,RF集成电路49以各种不同的频带产生RF信号并将它们提供给功率放大器???0,功率放大器???0包括两个功率放大器1,每个功率放大器1布置为如图3所示,并如上所述。
    每个功率放大器1具有足够的带宽,以在多个RF频带中放大信号。特别地,第一功率放大器1a被供以三个WCDMA/LTE频带(即3GPP频带7,2500-2570MHz;3GPP频带1,1920-1980MHz;以及3GPP频带2,1850-1900MHz)中的信号,以及GSM上频带(即GSM/EDGE,170-1910MHz)中的信号。类似地,第二功率放大器1b被供以两个WCDMA/LTE频带(即3GPP频带8,880-915MHz;以及3GPP频带5,824-849MHz)中的RF输入信号,以及GSM下频带(即GSM/EDGE,824-915MHz)中的信号。
    功率放大器1a和1b在各自的频带中放大RF输入信号并提供放大的RF输出信号。功率放大器???0包括包络跟踪电源控制电路51,包络跟踪电源控制电路51监测RF输入信号的包络,并作为响应动态地改变提供给正在操作的功率放大器1a或1b的电源电压。特别地,与RF输入信号的包络同步地调制提供的电源电压,以保证功率放大器1中的晶体管2停留在饱和状态。这提高了功率放大器1a和的功率效率,然而,可将传统的固定DC电源用作图7所示包络跟踪电源控制电路51的替代,尽管效率会较低。
    通过传输多通道开关部件2提供放大的RF输出信号,根据RF输入信号的RF频率来转换传输多通道开关部件2,以便沿着适当的信道传输放大的RF信号。特别地,将GPP频带中的放大的RF输出信号提供给适当的双工器47,以用于提供给GPP信道45,而将GSM频带中的放大的RF输出信号通过各个低通滤波器52提供给各个GSM信道46。
    因此,通过仅要求两个功率放大器1a和1b来实施图7所示的收发器电路40。与之不同,如果利用通过单个晶体管形成的功率放大器来实施收发器电路40,那么可能必须提供五个功率放大器来用于五个GPP频带和两个功率放大器来用于GSM频带。因此,简化了收发器电路40,并降低了电路成本。
    虽然上述功率放大器1使用JPHEMT晶体管,但是一般而言,在理论上可使用任何类型的功率放大器装置。优选地,功率放大器装置是场效应晶体管。这有助于提供控制,用于将上述功率放大器装置短路,因为可以通过控制向其提供的偏置电压,以低阻抗将场效应晶体管短路。但是,不坚持这一点,也可以将功率放大器1修改为使用双极晶体管。本发明特别适合应用于采用III-V材料的场效应晶体管,特别是高电子迁移率晶体管,例如PHEMPT或JPHEMPT装置。但是,利用采用硅技术的功率放大器装置同样可以实施本发明。

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