一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了射頻功率放大器領(lǐng)域的一種多模可配置Class?AB功率放大器，用以解決目前射頻功率放大器研究中存在的問題。該功率放大器可自動調(diào)節(jié)工作模式，包括低功耗工作模式、中等功耗工作模式和高功耗工作模式三種工作模式。該功率放大器由可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分以及功率檢測和控制部分組成；其中，功率檢測和控制部分分別與可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分相連接，可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分與功率檢測和控制部分、功率放大部分相連接，可配置功率驅(qū)動部分和可配置功率放大部分相連接。本發(fā)明提出的一種多?？膳渲肅lass?AB功率放大器，能夠有效地提高效率，降低功耗，且覆蓋頻帶寬。
【專利說明】-種多?？膳渲肅lass AB功率放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及射頻功率放大器領(lǐng)域，特別涉及一種雙帶多模可配置Class AB功率放 大器裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前Wi-Fi (Wireless Fidelity)在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、無線醫(yī)療、智能家居和物聯(lián)網(wǎng) 等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。與ZigBee(全新無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)）、藍(lán)牙相比，Wi-Fi在傳 輸數(shù)據(jù)率和傳輸距離方面都具有很大優(yōu)勢，可以在半徑l〇〇m范圍內(nèi)進(jìn)行視頻及其他多媒 體業(yè)務(wù)，但是低功耗一直是制約Wi-Fi手持設(shè)備應(yīng)用的主要難題。
[0003] 面對無線收發(fā)機(jī)的復(fù)雜工作環(huán)境，如帶外和臨道的強(qiáng)干擾信號、信號信道的劇烈 衰減等，傳統(tǒng)的無線收發(fā)機(jī)設(shè)計必須針對最惡劣的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，因而會付出大功耗。 由于Wi-Fi的應(yīng)用場景十分廣泛，如果仍按傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計，大多數(shù)情況下Wi-Fi收發(fā) 機(jī)將處于過剩的工作狀態(tài)；并且Wi-Fi協(xié)議采用了復(fù)雜的正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調(diào)制方式，實際應(yīng)用中功率放大器（power amplifier, PA)的功率回退也會急劇增加芯片的功耗。
[0004] 目前無線通信系統(tǒng)向著低功率，高效率，高可靠性等方向發(fā)展，為了降低功耗和 減小形狀，高集成度是必需的。因此，用一種較為廉價的技術(shù)將無線收發(fā)機(jī)上更多的元件集 成在片上是大勢所趨。所以，目前越來越多的關(guān)注集中到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體功率放大 器（Complementary Metal Oxide Semiconductor Power Amplifier，CMOS PA)上。盡管目 前有一些技術(shù)上的進(jìn)步使得全集成的CMOS PA成為可能，但是實現(xiàn)全集成的CMOS PA仍然 是用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)實現(xiàn)一 個完整的射頻芯片系統(tǒng)所面臨的主要困難之一。主要原因有：1)CM0S技術(shù)尺寸縮小所導(dǎo)致 的電源電壓和晶體管柵氧擊穿電壓的減小2)片上無源元器件和襯底的損耗。
[0005] 效率是PA設(shè)計最重要的指標(biāo)之一，傳統(tǒng)的設(shè)計僅僅在飽和輸出功率達(dá)到最大效 率。隨著輸出功率從飽和輸出功率開始回退，PA的效率會急劇下降。但是在現(xiàn)在的無線通 信系統(tǒng)中，功率回退是不可避免的。首先，考慮到節(jié)省電源功耗和減輕對其他用戶的干擾， 功率傳輸?shù)牧考夁h(yuǎn)小于最大輸出功率。發(fā)射機(jī)只在極其個別的情況下才會工作在最大功率 輸出狀態(tài)。在大多數(shù)場合，PA要從最大輸出功率處回退10-20dB。其次，為了更有效利用 日益擁擠的頻譜資源以及高數(shù)據(jù)率的要求，同時運(yùn)用幅度調(diào)制和幅度調(diào)制技術(shù)成為一種必 需。更進(jìn)一步地是，在寬帶系統(tǒng)中，在一個比較寬的帶寬里，對多通道的抗干擾能力和SNR 優(yōu)化需要在較低的數(shù)據(jù)率有大量子載波。比如，IEEE802. lla/g使用了在最大數(shù)據(jù)率時用 了 52個子載波的正交頻分復(fù)用（0FDM)技術(shù)。結(jié)果是使信號具有很大的峰均比。綜合上面 所提到的原因，可以得出，在無線通信系統(tǒng)中PA需要具有多種工作模式并且在低輸出功 率時有很好的效率。
[0006] 為了支持更高的功率輸出，2-5GHZ Wi-Fi發(fā)射機(jī)的功耗也在持續(xù)增加，這對Wi-Fi 手持設(shè)備造成了越來越大的困擾。在采用了 OFDM調(diào)制方式的情況下，發(fā)射機(jī)不僅要在峰值 功率處具有商效率也要在功率回退具有商效率以提商電源壽命。最近有很多關(guān)于提商PA 功率回退效率的研究，但是在這些研究中，卻很少涉及到將這些技術(shù)集成到一個完整的發(fā) 射機(jī)系統(tǒng)中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提出一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，用于解決目前功率 放大器僅僅在最大輸出功率時才能達(dá)到最大效率的問題。
[0008] 為解決上述目的，本發(fā)明提出了一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在 于，所述功率放大器根據(jù)峰均比的變化，自動調(diào)節(jié)所述功率放大器的工作模式，
[0009] 其中，所述功率放大器有低功耗工作模式、中等功耗工作模式和高功耗工作模式 三種工作模式；
[0010] 所述功率放大器由可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換 部分以及功率檢測和控制部分組成；
[0011] 所述功率檢測和控制部分分別與所述可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部 分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分相連接，用于檢測輸入功率的大小，并和兩個固定電平相比較，決 定功率放大器處于何種工作模式；
[0012] 所述可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分與所述功率檢測和控制部分、功率放大部分相連接，用 于切換功率放大器的工作模式；
[0013] 所述可配置功率驅(qū)動部分和可配置功率放大部分相連接，其中所述可配置功率驅(qū) 動部分用于對信號的功率預(yù)放大，所述可配置功率放大部分用于對信號的最終放大。
[0014] 所述可配置功率驅(qū)動部分，由1M-22M晶體管和1R-6R電阻組成，它采用基于 Cherry-Hopper的寬帶放大器結(jié)構(gòu)，包含跨導(dǎo)放大級和跨阻放大級；
[0015] 所述跨導(dǎo)放大級由所述1M-18M晶體管、所述1R-4R電阻組成；所述1M-12M晶體管 構(gòu)成差分cascode結(jié)構(gòu)，其中，所述1M-6M晶體管為共源放大晶體管，所述7M-12M晶體管為 共柵晶體管，所述3R-4R電阻為負(fù)載電阻，所述13M-18M晶體管為負(fù)載電流源，所述1M-6M 晶體管經(jīng)所述柵極1R-2R電阻后接偏置電壓VB端，并且所述1M-18M晶體管尺寸可調(diào)節(jié)，實 現(xiàn)跨導(dǎo)放大級跨導(dǎo)的可配置；
[0016] 所述跨阻放大級由所述19M-22M晶體管以及所述5R-6R電阻構(gòu)成自偏置反相器結(jié) 構(gòu)，并且所述19M-22M晶體管尺寸1:2可配置，實現(xiàn)功率驅(qū)動級增益和帶寬的靈活配置；
[0017] 所述可配置功率放大部分，由23M-34M晶體管和7R-8R電阻構(gòu)成，電路為差分 cascode 結(jié)構(gòu)；
[0018] 其中，所述23M-28M晶體管采用薄柵晶體管，實現(xiàn)較高跨導(dǎo)效率，所述29M-34M晶 體管采用厚柵晶體管，具有較高的耐壓性能和良好的輸入-輸出隔離度，所述23M-28M晶 體管經(jīng)柵極7R-8R電阻后接偏置電壓V cs端，所述29R-34R晶體管接偏置電壓Va端。
[0019] 所述可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分，采用抽頭電容諧振器作為匹配網(wǎng)絡(luò)，由0L電感，1C-6C 電容陣列以及巴倫（Baiun)組成；
[0020] 所述可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分通過所述0L電感和所述1C-6C電容陣列實現(xiàn)阻抗匹配， 完成50歐姆負(fù)載到功率放大器最優(yōu)阻抗的變換；
[0021] 其中，所述0L電感為差分抽頭電感，接在所述29M-34M晶體管漏極，節(jié)約兩個片外 Choke電感；
[0022] 所述1C-2C電容陣列接在所述29M-34M晶體管漏極，調(diào)節(jié)頻率的變化；
[0023] 所述3C-4C電容陣列的一端分別與所述0L電感的差分兩端相連接，另一端分別與 所述5C-6C電容陣列相連接；
[0024] 所述Baiun從所述3C-4C和5C-6C電容陣列中間抽頭連接，實現(xiàn)輸出差分到單端 的轉(zhuǎn)換；
[0025] 所述多模Class AB功率放大器在不同工作模式之間切換時，所述3C-6C電容陣列 的大小也隨之改變以實現(xiàn)匹配阻抗的改變。
[0026] 所述功率檢測和控制部分，分為功率檢測部分和控制部分；
[0027] 其中，所述功率檢測部分與所述功率控制部分相連；
[0028] 所述功率檢測部分由平均功率檢測電路1、平均功率檢測電路2、放大器、比較器 1、比較器2、比較器3和比較器4組成；
[0029] 所述功率控制部分由譯碼單元組成，所述譯碼單元由數(shù)字邏輯門組成，用于實現(xiàn) 控制信號的改變；
[0030] 所述平均功率檢測電路1的輸入連接到功率放大部分的輸入上，其輸出Vpoutl 連接到所述比較器1和比較器2的輸入上，與不同的參考電平VKP1和VKP2進(jìn)行比較；
[0031] 所述比較器1和比較器2的輸出分別連接到所述比較器3和比較器4的輸入上；
[0032] 所述比較器3、比較器4將所述比較器1、比較器2的輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字邏輯信號；
[0033] 所述平均功率檢測電路2沒有輸入信號，其輸出Vpout2連接到所述放大器的輸 入；
[0034] 所述放大器差分輸入的另一端連接到一個固定的參考電平，所述放大器的 輸出反饋到所述49M晶體管和55M晶體管的柵端，保證了在有工藝偏差時，平均功率檢測 電路1的輸出信號在輸入信號為零時保持不變；
[0035] 所述比較器3和比較器4的輸出連接到譯碼單元的輸入，譯碼單元根據(jù)其輸入的 邏輯值來控制功率放大器工作模式的改變。
[0036] 所述平均功率檢測電路1由44M-49M晶體管、9R-12R電阻和7C電容組成；信號輸 入端差分電壓Vip、Vin同時也分別通過隔直電容接在所述44M-45M晶體管的柵極，同時偏 置電壓V B1通過9R-10R電阻與所述44M-45M晶體管柵極相連接，所述46M晶體管構(gòu)成的電 流源負(fù)載，和所述47Μ晶體管共同作為所述44Μ-45Μ晶體管的負(fù)載；所述11R電阻和7C電 容構(gòu)成的低通濾波器連接在所述44Μ-45Μ晶體管的漏級后面；所述48Μ晶體管根據(jù)一定的 比例將電流從所述47Μ晶體管拷貝到所在支路上，該電流與從所述49Μ晶體管注入的電流 一起通過所述12R電阻，在12R電阻上形成了輸出電壓Vpoutl ;
[0037] 所述平均功率檢測電路2由50M-55M晶體管、13R-16R電阻和8C電容組成；所述 50M-51M晶體管沒有輸入信號，偏置電壓V B2通過所述13R-14R電阻與50M-51M晶體管的柵 極相連接，所述52M晶體管構(gòu)成的電流源負(fù)載，和所述53M晶體管共同作為所述50M-51M 晶體管的負(fù)載；所述15R電阻和8C電容構(gòu)成的低通濾波器連接在所述50M-51M晶體管的漏 級后面，所述54M晶體管根據(jù)一定的比例將電流從所述53M晶體管拷貝到所在支路上，該電 流與從所述55M晶體管注入的電流一起通過16R電阻，在所述16R電阻上形成了輸出電壓 Vpout2。
[0038] 所述放大器由35M-43M晶體管組成；所述輸出電壓Vpout2連接到所述放大器差分 輸入的一端，所述放大器差分輸入的另一端接到固定的參考電平％"上；在所述放大器中， 所述37M晶體管為兩個輸入35M-36M晶體管提供偏置電流，所述35M晶體管、36M晶體管、 40M晶體管和41M晶體管構(gòu)成折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，其中所述35M晶體管、36M晶體管為差分 共源晶體管，所述40M晶體管、41M晶體管為差分共柵晶體管，流過所述35M晶體管、36M晶 體管的電流和流過所述40M晶體管、41M晶體管的電流之和等于流過所述38M晶體管、39M 晶體管的電流，所述42M晶體管、43M晶體管構(gòu)成共源共柵電流源負(fù)載；所述放大器的輸出 連接到所述49M晶體管和55M晶體管的柵端。
[0039] 所述比較器1由56M-62M晶體管組成；所述比較器1差分輸入的兩端分別接所述 輸出電壓Vpoutl和固定參考電平V KP1，所述56M-57M晶體管作為差分輸入管，38M晶體管 作為尾電流源提供靜態(tài)電流偏置，所述59M-60M晶體管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù) 載，與采用正向二極管連接的所述61M-62M晶體管共同作為所述比較器1的負(fù)載；所述比較 器1的差分輸出連接到所述比較器3的差分輸入上；
[0040] 所述比較器2由74M-80M晶體管組成；所述比較器2差分輸入的兩端分別接所述 輸出電壓Vpout2和固定參考電平V KP2，所述74M-75M晶體管作為差分輸入管，76M晶體管 作為尾電流源提供靜態(tài)電流偏置，所述79M-80M晶體管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù) 載，與采用正向二極管連接的所述81M-82M晶體管共同作為所述比較器2的負(fù)載；所述比較 器2的差分輸出連接到所述比較器4的差分輸入上；
[0041] 所述比較器3由63M-73M晶體管組成，所述比較器3為一個兩級比較器，第一級的 差分輸入管是所述63M-64M晶體管，所述65M晶體管提供靜態(tài)電流偏置，所述66M-67M晶體 管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的所述68M-69M晶體管共 同作為第一級的負(fù)載；第二級差分輸入、單端輸出，所述70M-71M晶體管作為輸入管，由所 述72M-73M晶體管組成的電流鏡作為第二級的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出；
[0042] 所述比較器4由81M-91M晶體管組成；所述比較器4是個兩級比較器，第一級的 差分輸入管是所述81M-82M晶體管，所述83M晶體管提供靜態(tài)電流偏置，所述84M-85M晶體 管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的所述86M-87M晶體管共 同作為第一級的負(fù)載；第二級差分輸入、單端輸出，所述88M-89M晶體管作為輸入管，由所 述90M-91M晶體管組成的電流鏡作為第二級的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出。
[0043] 所述譯碼單元由數(shù)字邏輯門電路組成，所述譯碼單元的輸入連接到所述比較3和 比較器4的輸出上，其輸出連接到所述可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分和可配 置阻抗轉(zhuǎn)換部分相應(yīng)的控制開關(guān)上。
[0044] 本發(fā)明提出的一種多模可配置Class AB功率放大器，其有益效果在于，與目前的 多模多帶功率放大器相比，能夠檢測出輸入信號峰均比的變化下，自動調(diào)節(jié)功率放大器切 換到不同的工作模式下，有效提高了功率回退時功率放大器的效率，并且能夠覆蓋較寬頻 段的應(yīng)用。此外，在各個工作模式下，輸出功率可靈活調(diào)節(jié)，能夠有效地提高效率，降低功 耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045] 圖1是一種多模可配置Class AB功率放大器核心部分電路圖。
[0046] 圖2是一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分電路圖。
[0047] 圖3是一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器功率檢測和控制部分電路圖。
[0048] 圖4是功率放大器的效率隨輸出功率的變化曲線。圖4(a)是傳統(tǒng)的功率放大器 的效率隨輸出功率的變化曲線。圖4(b)是本發(fā)明功率放大器的效率隨輸出功率的變化曲 線。

【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性 的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0050] 本發(fā)明解決問題的思路是將功率放大器根據(jù)輸出功率的大小分為多種模式，在每 種模式下分別優(yōu)化功率放大器的效率，從而使功率放大器在較寬的輸出功率范圍均可以保 持較高的效率。
[0051] 圖1是一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器核心部分電路圖。可以看出，本發(fā)明 提出的一種多模可配置Class AB功率放大器主要分為可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放 大部分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分和功率檢測和控制部分。圖中詳細(xì)表述可配置功率驅(qū)動部分 和可配置功率放大部分的電路圖，它們是本發(fā)明的核心部分。
[0052] 圖中的可配置功率驅(qū)動部分和可配置功率放大部分包括34個M0S晶體管 (M1-M34)和8個電阻（R1-R8)。它們之間的連接關(guān)系為：信號輸入端差分電壓Vip、Vin分別 通過隔直電容接1M-3M晶體管、4M-6M晶體管的柵極，同時偏置電壓V B通過1R-2R電阻分別 與1M-3M晶體管、4M-6M晶體管的柵極相連接，1M-12M晶體管構(gòu)成cascode結(jié)構(gòu)，其中1M-3M 晶體管、4M-6M晶體管為差分共源晶體管,7M-9M晶體管、10M-12M晶體管為差分共柵晶體 管，13M-18M晶體管構(gòu)成cascode電流源負(fù)載，與并聯(lián)3R-4R電阻一起作為跨導(dǎo)放大級的負(fù) 載，1M-18M晶體管的尺寸可調(diào)節(jié)；跨阻放大級由19M-22M晶體管和5R-6R電阻構(gòu)成自偏置 的反相器結(jié)構(gòu)，其中5R-6R電阻跨接在反相器結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端之間，19M-22M晶體管的 尺寸1:2可配置；可配置功率驅(qū)動部分的差分輸出端分別通過隔直電容接23M-25M晶體管、 26M-28M晶體管的柵極，同時偏置電壓V cs通過7R、8R電阻連接到23M-25M晶體管、26M-28M 晶體管的柵極，29M-31M晶體管、32M-34M晶體管為可配置功率放大部分的共柵晶體管，它 們的柵極接偏置電壓端，漏極接可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分，23M-34M晶體管的尺寸1:1:2可 配置。
[0053] 圖2是一種多?？膳渲肅lass ΑΒ功率放大器可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分電路圖。
[0054] 可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分由6個電容陣列（C1-C6)、1個電感（L0)和Baiun組成。其 中，差分抽頭0L電感的兩端分別接在29M-31M晶體管和32M-34M晶體管的漏級；1C-2C電 容陣列接在29M-31M晶體管、32M-34M晶體管的漏級，用來調(diào)節(jié)頻率變化。3C-6C電容陣列 和0L電感完成阻抗匹配，最終通過Baiun實現(xiàn)輸出差分到單端的轉(zhuǎn)換。
[0055] 圖3是一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器功率檢測和控制部分電路圖。其 中功率檢測部分和功率控制部分由57個晶體管（M35-M91)、2個電容（C7-C8)、8個電阻 (R9-R16)組成。
[0056] 信號輸入端差分電壓Vip、Vin同時也分別通過隔直電容接44M-45M晶體管的柵 極，同時偏置電壓V B1通過9R-10R電阻與44M-45M晶體管的柵極相連接，46M晶體管構(gòu)成的 電流源負(fù)載，和采用二極管連接的47M晶體管共同作為44M-45M晶體管的負(fù)載。11R電阻 和7C電容構(gòu)成的低通濾波器連接在44M-45M晶體管的漏級后面。48M晶體管根據(jù)一定的 比例將電流從47M晶體管拷貝到所在支路上，該電流與從49M晶體管注入的電流一起通過 12R電阻，在12R電阻上形成了輸出電壓Vpoutl。由于12R電阻的阻值在有工藝偏差時存 在一定程度的偏差，為了保證在輸入信號為零時Vpoutl的值是固定的，因此，電路中引入 了平均功率檢測電路2和放大器組成的閉環(huán)。平均功率檢測電路2中50M-51M晶體管沒有 輸入信號，偏置電壓V B2通過13R-14R電阻與50M-51M晶體管的柵極相連接，52M晶體管構(gòu) 成的電流源負(fù)載，和采用二極管連接的53M晶體管共同作為50M-51M晶體管的負(fù)載。15R電 阻和8C電容構(gòu)成的低通濾波器連接在50M-51M晶體管的漏級后面，54M晶體管根據(jù)一定的 比例將電流從53M晶體管拷貝到所在支路上，該電流與從55M晶體管注入的電流一起通過 16R電阻，在16R電阻上形成了輸出電壓Vpout2。Vpout2連接到放大器差分輸入的一端， 放大器差分輸入的另一端接到固定的參考電平&"上。在該放大器中，37M晶體管為兩個輸 入35M-36M晶體管提供偏置電流，35M晶體管、36M晶體管、40M晶體管和41M晶體管構(gòu)成折 疊 cascode結(jié)構(gòu)，其中35M晶體管、36M晶體管為差分共源晶體管,40M晶體管、41M晶體管 為差分共柵晶體管，流過35M晶體管、36M晶體管的電流和流過40M晶體管、41M晶體管的電 流之和等于流過38M晶體管、39M晶體管的電流，42M-43M晶體管構(gòu)成cascode電流源負(fù)載。 放大器的輸出連接到49M晶體管和55M晶體管的柵端。比較器1差分輸入的兩端分別接 Vpoutl和固定參考電平VKP1，56M晶體管和57M晶體管作為差分輸入管，58M晶體管作為尾 電流源提供靜態(tài)電流偏置，59M-60M晶體管交叉耦合連接的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二 極管連接的61M-62M晶體管共同作為比較器1的負(fù)載。比較器1的差分輸出連接到比較器 3的差分輸入上，比較器3是個兩級比較器，第一級的差分輸入管是63M-64M晶體管，65M晶 體管提供靜態(tài)電流偏置，66M-67M晶體管交叉耦合連接的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二極 管連接的68M-69M晶體管共同作為第一級的負(fù)載。第二級差分輸入、單端輸出，70M-71M晶 體管作為輸入管，由72M-73M晶體管組成的電流鏡作為第二級的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出。 比較器2差分輸入的兩端分別接Vpout2和固定參考電平V KP2,74M-75M晶體管作為差分輸 入管，76M晶體管作為尾電流源提供靜態(tài)電流偏置，59M-60M晶體管交叉耦合連接的負(fù)向二 極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的61M-62M晶體管共同作為比較器2的負(fù)載。比較器2 的差分輸出連接到比較器4的差分輸入上，比較器4是個兩級比較器，第一級的差分輸入管 是81M-82M晶體管，83M晶體管提供靜態(tài)電流偏置，84M-85M晶體管交叉耦合連接的負(fù)向二 極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的86M-87M晶體管共同作為第一級的負(fù)載。第二級差分 輸入、單端輸出，88M-89M晶體管作為輸入管，由90M-91M晶體管組成的電流鏡作為第二級 的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出。比較3和比較器4的輸出連接到譯碼單元的輸入。譯碼單元 由數(shù)字邏輯門電路構(gòu)成，其輸出連接到可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可配置 阻抗轉(zhuǎn)換部分的控制開關(guān)上。
[0057] 該電路的工作原理可解釋如下：
[0058] 由功率檢測和控制部分檢測功率放大器輸入信號的強(qiáng)度，然后將該輸入信號與固 定的參考電平進(jìn)行比較，從而得到了控制信號，該控制信號決定了功率放大器處于何種工 作模式。對于輸出功率較大的工作模式，功率放大器的可配置功率放大器部分的晶體管會 切換到較大的尺寸，從而具有較大的工作電流以傳輸較大的功率。對于輸出功率較小的工 作模式，功率放大器的可配置功率放大器部分的晶體管會切換到較小的尺寸，減小了工作 電流，從而提高了效率。對于輸出功率較小的工作模式，由于此時可配置功率放大器部分的 晶體管尺寸較小，所以可配置功率放大器部分的晶體管跨導(dǎo)會減小，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)可配 置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電容的大小來提高功率放大器的輸出阻抗，并且通過增大可配置功率驅(qū) 動部分的晶體管尺寸來提高可配置功率驅(qū)動部分的增益，從而保證了各種工作模式下功率 放大器增益為一個恒定值。
[0059] 功率驅(qū)動級采用基于Cherry-Hopper的寬帶放大器結(jié)構(gòu)，由跨導(dǎo)放大級和跨阻放 大級構(gòu)成，由于該電路在跨阻放大器的輸入和輸出端的阻抗很低，因此形成了高頻極點從 而擴(kuò)展了放大器的帶寬?？鐚?dǎo)放大級負(fù)載3R、4R電阻與跨阻放大級19M-22M晶體管跨導(dǎo) S?19,20 ^ S?21,22 ?ζ (l) ·
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于，所述功率放大器根據(jù)峰均比的 變化，自動調(diào)節(jié)所述功率放大器的工作模式， 其中，所述功率放大器有低功耗工作模式、中等功耗工作模式和高功耗工作模式三種 工作模式； 所述功率放大器由可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分 以及功率檢測和控制部分組成； 所述功率檢測和控制部分分別與所述可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分、可 配置阻抗轉(zhuǎn)換部分相連接，用于檢測輸入功率的大小，并和兩個固定電平相比較，決定功率 放大器處于何種工作模式； 所述可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分與所述功率檢測和控制部分、功率放大部分相連接，用于切 換功率放大器的工作模式； 所述可配置功率驅(qū)動部分和可配置功率放大部分相連接，其中所述可配置功率驅(qū)動部 分用于對信號的功率預(yù)放大，所述可配置功率放大部分用于對信號的最終放大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于，所述可 配置功率驅(qū)動部分，由1M-22M晶體管和1R-6R電阻組成，它采用基于Cherry-Hopper的寬 帶放大器結(jié)構(gòu)，包含跨導(dǎo)放大級和跨阻放大級； 所述跨導(dǎo)放大級由所述1M-18M晶體管、所述1R-4R電阻組成；所述1M-12M晶體管構(gòu)成 差分cascode結(jié)構(gòu)，其中，所述1M-6M晶體管為共源放大晶體管，所述7M-12M晶體管為共柵 晶體管，所述3R-4R電阻為負(fù)載電阻，所述13M-18M晶體管為負(fù)載電流源，所述1M-6M晶體 管經(jīng)所述柵極1R-2R電阻后接偏置電壓V B端，并且所述1M-18M晶體管尺寸可調(diào)節(jié)，實現(xiàn)跨 導(dǎo)放大級跨導(dǎo)的可配置； 所述跨阻放大級由所述19M-22M晶體管以及所述5R-6R電阻構(gòu)成自偏置反相器結(jié)構(gòu)， 并且所述19M-22M晶體管尺寸1:2可配置，實現(xiàn)功率驅(qū)動級增益和帶寬的靈活配置； 所述可配置功率放大部分，由23M-34M晶體管和7R-8R電阻構(gòu)成，電路為差分cascode 結(jié)構(gòu)； 其中，所述23M-28M晶體管采用薄柵晶體管，實現(xiàn)較高跨導(dǎo)效率，所述29M-34M晶體管 采用厚柵晶體管，具有較高的耐壓性能和良好的輸入-輸出隔離度，所述23M-28M晶體管經(jīng) 柵極7R-8R電阻后接偏置電壓V cs端，所述29R-34R晶體管接偏置電壓Va端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模可配置Class ΑΒ功率放大器，其特征在于，所述 可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分，采用抽頭電容諧振器作為匹配網(wǎng)絡(luò)，由0L電感，1C-6C電容陣列以及 Baiun組成； 所述可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分通過所述0L電感和所述1C-6C電容陣列實現(xiàn)阻抗匹配，完成 50歐姆負(fù)載到功率放大器最優(yōu)阻抗的變換； 其中，所述0L電感為差分抽頭電感，接在所述29M-34M晶體管漏極，節(jié)約兩個片外 Choke電感； 所述1C-2C電容陣列接在所述29M-34M晶體管漏極，調(diào)節(jié)頻率的變化； 所述3C-4C電容陣列的一端分別與所述0L電感的差分兩端相連接，另一端分別與所述 5C-6C電容陣列相連接； 所述Baiun從所述3C-4C和5C-6C電容陣列中間抽頭連接，實現(xiàn)輸出差分到單端的轉(zhuǎn) 換； 所述多模Class AB功率放大器在不同工作模式之間切換時，所述3C-6C電容陣列的大 小也隨之改變以實現(xiàn)匹配阻抗的改變。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于，所述功 率檢測和控制部分，分為功率檢測部分和控制部分； 其中，所述功率檢測部分與所述功率控制部分相連； 所述功率檢測部分由平均功率檢測電路1、平均功率檢測電路2、放大器、比較器1、比 較器2、比較器3和比較器4組成； 所述功率控制部分由譯碼單元組成，所述譯碼單元由數(shù)字邏輯門組成，用于實現(xiàn)控制 信號的改變； 所述平均功率檢測電路1的輸入連接到功率放大部分的輸入上，其輸出Vpoutl連接 到所述比較器1和比較器2的輸入上，與不同的參考電平VKP1和VKP2進(jìn)行比較； 所述比較器1和比較器2的輸出分別連接到所述比較器3和比較器4的輸入上； 所述比較器3、比較器4將所述比較器1、比較器2的輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字邏輯信號； 所述平均功率檢測電路2沒有輸入信號，其輸出Vpout2連接到所述放大器的輸入； 所述放大器差分輸入的另一端連接到一個固定的參考電平&"上，所述放大器的輸出 反饋到所述49M晶體管和55M晶體管的柵端，保證了在有工藝偏差時，平均功率檢測電路 1的輸出信號在輸入信號為零時保持不變； 所述比較器3和比較器4的輸出連接到譯碼單元的輸入，譯碼單元根據(jù)其輸入的邏輯 值來控制功率放大器工作模式的改變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于， 所述平均功率檢測電路1由44M-49M晶體管、9R-12R電阻和7C電容組成；信號輸入端 差分電壓Vip、Vin同時也分別通過隔直電容接在所述44M-45M晶體管的柵極，同時偏置電 壓VB1通過9R-10R電阻與所述44M-45M晶體管柵極相連接，所述46M晶體管構(gòu)成的電流源 負(fù)載，和所述47Μ晶體管共同作為所述44Μ-45Μ晶體管的負(fù)載；所述11R電阻和7C電容構(gòu) 成的低通濾波器連接在所述44Μ-45Μ晶體管的漏級后面；所述48Μ晶體管根據(jù)一定的比例 將電流從所述47Μ晶體管拷貝到所在支路上，該電流與從所述49Μ晶體管注入的電流一起 通過所述12R電阻，在12R電阻上形成了輸出電壓Vpoutl ; 所述平均功率檢測電路2由50M-55M晶體管、13R-16R電阻和8C電容組成；所述 50M-51M晶體管沒有輸入信號，偏置電壓VB2通過所述13R-14R電阻與50M-51M晶體管的柵 極相連接，所述52M晶體管構(gòu)成的電流源負(fù)載，和所述53M晶體管共同作為所述50M-51M 晶體管的負(fù)載；所述15R電阻和8C電容構(gòu)成的低通濾波器連接在所述50M-51M晶體管的漏 級后面，所述54M晶體管根據(jù)一定的比例將電流從所述53M晶體管拷貝到所在支路上，該電 流與從所述55M晶體管注入的電流一起通過16R電阻，在所述16R電阻上形成了輸出電壓 Vpout2〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于，所述放 大器由35M-43M晶體管組成；所述輸出電壓Vpout2連接到所述放大器差分輸入的一端，所 述放大器差分輸入的另一端接到固定的參考電平上；在所述放大器中，所述37M晶體管 為兩個輸入35M-36M晶體管提供偏置電流，所述35M晶體管、36M晶體管、40M晶體管和41M 晶體管構(gòu)成折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，其中所述35M-36M晶體管為差分共源晶體管，所述40M-41M 晶體管為差分共柵晶體管，流過所述35M-36M晶體管的電流和流過所述40M-41M晶體管的 電流之和等于流過所述38M-39M晶體管的電流，所述42M-43M晶體管構(gòu)成共源共柵電流源 負(fù)載；所述放大器的輸出連接到所述49M-55M晶體管的柵端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多模可配置Class AB功率放大器，其特征在于， 所述比較器1由56M-62M晶體管組成；所述比較器1差分輸入的兩端分別接所述輸出 電壓Vpoutl和固定參考電平VKP1，所述56M-57M晶體管作為差分輸入管，38M晶體管作為尾 電流源提供靜態(tài)電流偏置，所述59M-60M晶體管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與 采用正向二極管連接的所述61M-62M晶體管共同作為所述比較器1的負(fù)載；所述比較器1 的差分輸出連接到所述比較器3的差分輸入上； 所述比較器2由74M-80M晶體管組成；所述比較器2差分輸入的兩端分別接所述輸出 電壓Vpout2和固定參考電平VKP2，所述74M-75M晶體管作為差分輸入管，76M晶體管作為尾 電流源提供靜態(tài)電流偏置，所述79M-80M晶體管交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與 采用正向二極管連接的所述81M-82M晶體管共同作為所述比較器2的負(fù)載；所述比較器2 的差分輸出連接到所述比較器4的差分輸入上； 所述比較器3由63M-73M晶體管組成，所述比較器3為一個兩級比較器，第一級的差 分輸入管是所述63M-64M晶體管，所述65M晶體管提供靜態(tài)電流偏置，所述66M-67M晶體管 交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的所述68M-69M晶體管共同 作為第一級的負(fù)載；第二級差分輸入、單端輸出，所述70M-71M晶體管作為輸入管，由所述 72M-73M晶體管組成的電流鏡作為第二級的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出； 所述比較器4由81M-91M晶體管組成；所述比較器4是個兩級比較器，第一級的差分 輸入管是所述81M-82M晶體管，所述83M晶體管提供靜態(tài)電流偏置，所述84M-85M晶體管 交叉耦合連接構(gòu)成的負(fù)向二極管負(fù)載，與采用正向二極管連接的所述86M-87M晶體管共同 作為第一級的負(fù)載；第二級差分輸入、單端輸出，所述88M-89M晶體管作為輸入管，由所述 90M-91M晶體管組成的電流鏡作為第二級的負(fù)載，并實現(xiàn)了單端輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多?？膳渲肅lass AB功率放大器，其特征在于，所述譯 碼單元由數(shù)字邏輯門電路組成，所述譯碼單元的輸入連接到所述比較3和比較器4的輸出 上，其輸出連接到所述可配置功率驅(qū)動部分、可配置功率放大部分和可配置阻抗轉(zhuǎn)換部分 相應(yīng)的控制開關(guān)上。
【文檔編號】H03F3/45GK104158501SQ201410334684
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】池保勇, 魏蒙, 張澤宏, 王志華 申請人:清華大學(xué)