專利名稱：使用傳輸線變壓器的功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種功率放大器，更具體地涉及一種在無線通訊系統(tǒng)中使用的功率放大器，所述功率放大器能在沒有任何附加開關的情況下在整個輸出功率范圍內提高效率和擴展動態(tài)范圍，所述功率放大器包括連接到匹配電路的驅動放大單元和功率放大單元，以及包括在傳輸線變壓器中的功率耦合器，從而驅動放大單元驅動所述功率放大單元，或通過傳輸線變壓器直接將功率輸出到輸出端，即，通過打開/關閉功率放大單元和驅動放大單元而將驅動放大單元的輸出功率輸出到負載。
背景技術：
為了在整個輸出功率范圍內提高效率，無線通訊系統(tǒng)的功率放大器主要使用打開/關閉部分電路的方法。即，當需要高功率時，打開所有電路；當需要低功率時，關閉部分電路，從而提高整個范圍內的效率。
這種功率放大器是在無線通訊系統(tǒng)的發(fā)射機通過天線傳輸高功率時使用的。
圖1是表示具有極性結構的普通功率放大器的構造的示意圖，它是一種無線通訊系統(tǒng)。
如圖所示，在具有極性結構的功率放大器中，相位信息和包絡信息被提供作為輸入信號，這與普通的線性功率放大器不同。
電平一致而相位變化的相位信息被輸入到驅動放大器的射頻(RF)輸入部分，這類似于普通的線性功率放大器。
包絡信息作為源電壓通過DC-DC轉換器而輸入功率放大器。當源電壓增大時，輸出高的輸出功率；當源電壓減小時，輸出低輸出功率。
由于具有極性結構的功率放大器與現有的線性功率放大器相比可以進一步簡化發(fā)射機的結構，并且具有高效率的非線性功率放大器可以用于提高整個系統(tǒng)效率。
因此，對于全球移動電話系統(tǒng)(GSM)和增強數據型GSM環(huán)境(EDGE)，具有極性結構的功率放大器作為下一代發(fā)射機正在引起關注。
一般地，由于應用于功率放大器的RF信號在驅動功率放大單元時非常弱，因此通過初級驅動放大單元和次級驅動放大單元放大的信號驅動功率放大單元輸出RF輸出信號，如圖1所示。
由于普通功率放大器的設計是，在輸出功率處于最大值時得到最大效率，因此在低輸出功率范圍功率放大器的效率減小。
在低輸出功率范圍，不利的是次級驅動放大單元輸出的信號電平可能變得大于功率放大單元的輸出功率的信號電平。
因此，為了解決這種問題，加入了多個功率放大單元，如圖2所示。當輸出高輸出功率時，打開所有功率放大單元；當輸出低輸出功率時，打開部分功率放大單元，從而在功率放大器的整個輸出功率范圍內得到高的效率，并且擴展功率放大器的動態(tài)范圍。
但是，即使在這種結構中仍然具有缺點，次級驅動放大單元輸出的信號電平可以變得大于功率放大單元的輸出功率的信號電平，這類似于圖1所示的普通功率放大器。
因此，為了解決這個問題，提出圖3所示的使用開關的功率放大器。
在這種結構中，當輸出中間輸出功率時，通過關閉此功率放大單元并打開第二開關，將次級驅動放大單元的輸出功率作為功率放大器的輸出功率而輸出。當輸出低輸出功率時，通過關閉功率放大單元和次級驅動放大單元并打開第一和第二開關，將初級驅動放大單元的輸出功率作為功率放大器的輸出功率而輸出。
通過使用開關，將初級驅動放大單元或者次級驅動放大單元的輸出功率作為功率放大器的最終輸出功率而輸出，從而解決上述問題。
由于功率放大單元和次級驅動放大單元在低輸出功率范圍內關閉，因此可以防止DC功率消耗在功率放大單元和次級驅動放大單元中，從而提高功率放大器的整個效率并擴展動態(tài)范圍。
但是，這種情況下的缺點是需要附加的開關來在功率放大單元或次級驅動放大單元關閉時輸出作為功率放大器的輸出功率的驅動放大單元的輸出功率。
在附加的開關中的寄生電阻成分導致功率放大器的輸出功率損失以及性能下降。為了防止功率放大器的輸出功率損失以及性能下降，必須大大增大開關尺寸。在這種情況下，電路尺寸增大而且功率放大器的制造成本提高。

發(fā)明內容
因此，考慮到上述問題提出本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種無線通訊系統(tǒng)中使用的功率放大器，所述功率放大器能在沒有任何附加開關的情況下提高整個輸出功率范圍的效率和擴展動態(tài)范圍，所述功率放大器包括連接到匹配電路的驅動放大單元和功率放大單元，以及包括在傳輸線變壓器中的功率耦合器，驅動放大單元驅動所述功率放大單元，或通過傳輸線變壓器直接將功率輸出到輸出端，即，通過打開/關閉功率放大單元和驅動放大單元而將驅動放大單元的輸出功率輸出到負載。
根據本發(fā)明的一個方面，上述和其它目的是通過提供一種使用傳輸線變壓器的功率放大器而實現的，包括驅動放大單元；以及功率放大單元，其中驅動放大單元和功率放大單元連接到匹配電路和功率耦合器，以使得驅動放大單元通過匹配電路和功率耦合器驅動功率放大單元并且將輸出信號輸出到輸出端，并且其中匹配電路和功率耦合器配置有傳輸線變壓器，傳輸線變壓器包括連接到輸出端的次級傳輸線以及相應的位于次級傳輸線兩側并具有不同寄生成分的多根初級傳輸線，一根初級傳輸線連接到驅動放大單元，另一根連接到功率放大單元。
優(yōu)選地，可以選擇性打開/關閉驅動放大單元和功率放大單元的任何一者。
優(yōu)選地，可以根據高功率模式或者低功率模式而選擇性打開/關閉驅動放大單元和功率放大單元的任何一者。
優(yōu)選地，匹配電路可以包括傳輸線變壓器以及在驅動放大單元和功率放大單元中的晶體管的寄生電容成分。
優(yōu)選地，多根初級傳輸線可以具有不同的橫截面積。
優(yōu)選地，多根初級傳輸線和次級傳輸線可以按不同的耦合因子彼此耦合。
優(yōu)選地，多根初級傳輸線可以具有不同長度。
根據本發(fā)明，由于驅動放大單元驅動功率放大單元并且當功率放大單元在低輸出功率范圍關閉時驅動放大單元通過匹配電路自動輸出功率，因此可以提高功率放大器的效率和動態(tài)范圍。


結合附圖，從以下詳細說明中將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和其它優(yōu)點。在附圖中圖1表示普通功率放大器的結構；圖2表示具有三個功率放大單元的功率放大器的結構；圖3表示使用開關的功率放大器的結構；圖4表示根據本發(fā)明一個實施例的使用傳輸線變壓器的功率放大器的結構；
圖5是表示根據本發(fā)明實施例的使用傳輸線變壓器的功率放大器的結構的電路圖；圖6是更詳細地表示圖5所示的功率放大器使用CMOS的結構的電路圖；圖7表示在根據本發(fā)明實施例的使用傳輸線變壓器的功率放大器中的包括匹配電路的傳輸線變壓器的結構；圖8是表示通過圖7所示包括在傳輸線變壓器中的匹配電路改變阻抗的方法的Smith圖；圖9是使用0.18μmCMOS工藝實現的、根據本發(fā)明的具有傳輸線變壓器的功率放大器的實際集成電路照片；以及圖10是表示根據本發(fā)明的使用傳輸線變壓器的功率放大器的實際測量結果的曲線圖。
具體實施例方式
在參考優(yōu)選實施例圖示和說明本發(fā)明的同時，本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發(fā)明范圍和精神的情況下可以做出不同的變化和修改。因此，本發(fā)明的范圍不受本發(fā)明實施例的限制。
圖4表示根據本發(fā)明一個實施例的使用傳輸線變壓器的功率放大器的結構。
如圖所示，功率放大器包括驅動放大單元和功率放大單元，二者連接到匹配電路和功率耦合器。當需要高輸出功率時，兩個放大單元都打開，以使得在高輸出功率范圍獲得高效率，并且當需要低輸出功率時，關閉功率放大單元，以使得驅動放大單元的輸出功率通過匹配電路和功率耦合器輸出到負載。
在這種情況下，當功率放大單元關閉時，防止了功率放大單元中的功率消耗，從而在功率放大器的低輸出功率范圍得到高效率。
另外，由于未使用圖3所示的附加開關，因此未產生由于開關導致的輸出功率損失引起的功率放大器性能下降。
圖5是表示根據本發(fā)明實施例的功率放大器的結構的電路圖。
如圖所示，功率放大器具有差分放大器結構，并包括用于輸出高輸出功率的功率放大單元502和用于驅動功率放大單元502的驅動放大單元503，且驅動放大單元503通過包括在傳輸線變壓器501中的匹配電路連接到負載阻抗。
此時，包括匹配電路的傳輸線變壓器501，包括連接到輸出端的次級傳輸線以及相應的位于次級傳輸線的兩側并具有不同的寄生成分的多根初級傳輸線。一根初級傳輸線連接到驅動放大單元503，另一根初級傳輸線連接到功率放大單元502。
因此，與普通功率放大器不同，驅動放大單元503驅動功率放大單元502并通過傳輸線變壓器501輸出功率作為輸出功率。
由于驅動放大單元503產生的功率作為功率放大器的輸出功率，因此功率放大器的驅動放大單元503可以用作功率放大單元502的一部分。因此，用于輸出相同輸出功率的功率放大器的功率放大單元的尺寸可以小于現有功率放大器的尺寸。
當輸出高輸出功率時，驅動放大單元503和功率放大單元502都打開，以使得功率放大單元502和驅動放大單元503產生的輸出功率作為功率放大器的輸出功率而輸出。
當輸出低輸出功率時，功率放大單元502關閉，以使得驅動放大單元503產生的輸出功率作為輸出功率通過傳輸線變壓器501輸出。
在此實施例中，傳輸線變壓器501位于驅動放大單元503和功率放大單元502之間，以使得包括在驅動放大單元503和功率放大單元502以及傳輸線變壓器501中的晶體管的寄生電容成分自動成為匹配電路。
如果匹配電路的寄生電容值小，則可以為匹配電路提供附加的電容。
圖6是更詳細地表示圖5所示功率放大器使用CMOS的的結構的電路圖。
如圖所示，使用CMOS來配置驅動放大單元和功率放大單元，低功率晶體管用作驅動放大單元，并且低功率晶體管的漏極連接到高功率晶體管的柵極。
包括匹配電路的傳輸線變壓器601的次級傳輸線連接到RF輸出端。多根初級傳輸線中的一根連接到高功率晶體管的柵極并且另一根連接到低功率晶體管的柵極。
這里所用的傳輸線變壓器的結構具有寄生成分不同的多根初級傳輸線，從而在所需電路中獲得并使用多個負載阻抗。
傳輸線變壓器的初級傳輸線可以具有不同長度、橫截面積和耦合因子，從而可以改變負載阻抗值。
圖8是表示通過圖7所示包括在傳輸線變壓器中的匹配電路改變阻抗的方法的Smith圖。
如圖所示，參考數字701表示從連接到次級側的50Ω的負載阻抗到在傳輸線變壓器的初級側的低負載阻抗的變化，參考數字702表示從連接到次級側的50Ω的負載阻抗到在傳輸線變壓器的另一初級側的高負載阻抗的變化，這是計算機模擬的結果。
為了輸出高輸出功率，功率放大器必須減小負載阻抗值。但是，在輸出低輸出功率時低負載阻抗值是降低功率放大器效率的主要因素。
因此，為了解決這個問題，使用如圖7所示的具有多個負載阻抗的傳輸線變壓器。即，當輸出低輸出功率時，只有連接到初級側并具有高負載阻抗的晶體管工作，從而在保持高效率的同時輸出低輸出功率。當輸出高輸出功率時，連接到初級側并具有低負載阻抗的晶體管也工作，從而輸出高輸出功率。
在一般的源電壓條件下，功率放大器的輸出功率隨負載阻抗值的增大而減小。因此，由于根據本發(fā)明的功率放大器使用具有多個負載阻抗值的傳輸線變壓器，則功率放大器的動態(tài)范圍擴展并且甚至在低輸出功率范圍得到高效率。
圖9是使用0.18μmCMOS工藝實現的、根據本發(fā)明的具有傳輸線變壓器的功率放大器的實際集成電路照片。
這里給出的照片表示實際使用0.18μmCMOS工藝、實現在微波單片集成電路(MMIC)中的根據本發(fā)明的功率放大器。電路的整個尺寸是1.3mm×1.7mm。由于使用了差分放大器的結構，因此在輸入單元使用變壓器以使得同相輸入信號轉換成差分信號。
圖10是表示根據本發(fā)明的、使用傳輸線變壓器的功率放大器的實際測量結果的曲線圖。
這里給出的曲線表示根據本發(fā)明的功率放大器的實際測量結果，其中在高功率模式下驅動放大單元和功率放大單元都打開，并且在低功率模式下功率放大單元關閉而僅有驅動放大單元打開從而驅動放大單元產生的輸出功率作為輸出功率通過傳輸線變壓器輸出。
此時，圖示表示了在高功率模式和低功率模式下功率放大器的源電壓從0.5變到3.3V時輸出功率和效率的測量結果。
當功率放大器在低功率模式下工作時，可以看出，效率在低輸出功率范圍中增大，并且通過使用低功率模式功率放大器的動態(tài)范圍提高了4dB。
從上述結果可以看出，在低輸出功率模式下效率增大并且動態(tài)范圍擴展。
如上所述，根據本發(fā)明，一種無線通訊系統(tǒng)中使用的功率放大器包括驅動放大單元和功率放大單元，這兩個放大單元連接到匹配電路和功率耦合器，驅動放大單元驅動功率放大單元并通過傳輸線變壓器直接輸出功率作為輸出功率。即，通過打開/關閉功率放大單元和驅動放大單元，可以將驅動放大單元的輸出功率輸出到負載。因此，在沒有附加開關的情況下，效率在整個輸出功率范圍內增大并且動態(tài)范圍擴展。
雖然披露了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域技術人員應該認識到，在不偏離權利要求限定的本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以做出不同的修改、增添和替代。
權利要求
1.一種使用傳輸線變壓器的功率放大器，所述功率放大器包括驅動放大單元；以及功率放大單元，其中驅動放大單元和功率放大單元連接到匹配電路和功率耦合器，以使得驅動放大單元驅動功率放大單元并通過匹配電路和功率耦合器將輸出信號輸出到輸出端，其中匹配電路和功率耦合器配置有傳輸線變壓器，傳輸線變壓器包括連接到輸出端的次級傳輸線以及相應的位于次級傳輸線兩側并具有不同寄生成分的多根初級傳輸線，初級傳輸線的一根連接到驅動放大單元并且其另一根連接到功率放大單元。
2.根據權利要求1所述的功率放大器，其中選擇性打開/關閉驅動放大單元和功率放大單元的任何一者。
3.根據權利要求2所述的功率變壓器，其中根據高功率模式或者低功率模式選擇性打開/關閉驅動放大單元和功率放大單元的任何一者。
4.根據權利要求1所述的功率放大器，其中匹配電路包括傳輸線變壓器以及在驅動放大單元和功率放大單元中的晶體管的寄生電容成分。
5.根據權利要求1所述的功率放大器，其中所述多根初級傳輸線具有不同的橫截面積。
6.根據權利要求1所述的功率放大器，其中所述多根初級傳輸線和次級傳輸線按不同的耦合因子彼此耦合。
7.根據權利要求1所述的功率放大器，其中所述多根初級傳輸線具有不同長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在無線通訊系統(tǒng)中使用的功率放大器，所述功率放大器能在沒有附加開關的情況下在整個輸出功率范圍內提高效率和擴展動態(tài)范圍，所述功率放大器包括連接到匹配電路的驅動放大單元和功率放大單元，以及包括在傳輸線變壓器中的功率耦合器，從而驅動放大單元驅動功率放大單元，或通過傳輸線變壓器直接將功率輸出到輸出端，即，通過打開/關閉功率放大單元和驅動放大單元而將驅動放大單元的輸出功率輸出到負載。
文檔編號H03F3/24GK101056091SQ20071009081
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2006年4月12日
發(fā)明者樸昌根, 洪圣喆 申請人:韓國科學技術院