本申請(qǐng)涉及一種射頻功率放大器。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，3gpprelease12標(biāo)準(zhǔn)要求移動(dòng)終端支持載波聚合(carrieraggregation)技術(shù)，并通過(guò)天線輸出更大的class2功率等級(jí)(例如為26dbm)的線性功率。這要求發(fā)射通道上的功率放大器輸出功率大致為28dbm，而移動(dòng)終端普遍使用的鋰電池能提供的電壓最大為3.3v到4.2v，在電池電量低的時(shí)候很難提供如此大的輸出功率。

砷化鎵(gaas)工藝的擊穿電壓可達(dá)15v，正常工作電壓可以達(dá)到5-6v。因此，這幾年基于升壓技術(shù)的功率放大器架構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)，以滿足日益增加的性能指標(biāo)。

2007年10月出版的《ieee微波理論與技術(shù)匯刊》(ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques)第55卷第10期有一篇文章《射頻放大器的電源抑制：理論與測(cè)量》(powersupplyrejectionforrfamplifiers:theoryandmeasurements)。這篇文章的第i部分記載了電源噪聲對(duì)射頻放大器輸出頻譜的影響，如圖1所示。電源的噪聲或紋波(ripple)所產(chǎn)生的頻譜泄漏(spectralleakage)與射頻輸入信號(hào)相混合，經(jīng)過(guò)射頻放大器后使得射頻輸出信號(hào)的輸出頻譜得到了擴(kuò)展。如果這些頻譜泄漏的頻率較高，這些擴(kuò)展的頻譜會(huì)落在接收頻段上，從而使得射頻放大器的接收頻段噪聲性能惡化，影響接收機(jī)的性能。

2010年10月出版的《ieee微波理論與技術(shù)匯刊》第58卷第10期有一篇文章《具有升壓電源調(diào)制器的多模/多頻功率放大器》(amultimode/multibandpoweramplifierwithaboostedsupplymodulator)。這篇文章的第iii部分和第iv部分公開(kāi)了一種具有寬頻帶f類功率放大器和升壓電源調(diào)制器的包絡(luò)跟蹤發(fā)射機(jī)，其中的升壓電源調(diào)制器如圖2所示，為cmos集成電路。所述升壓電源調(diào)制器包括升壓轉(zhuǎn)換器、線性級(jí)、控制級(jí)和開(kāi)關(guān)級(jí)，其中升壓轉(zhuǎn)換器用來(lái)將電壓提升到5v，線性級(jí)中的ota(運(yùn)算跨導(dǎo)放大器)用來(lái)放大高頻信號(hào)的包絡(luò)變化，線性級(jí)中的開(kāi)關(guān)管用來(lái)提高升壓電源調(diào)制器的效率。該方案的缺點(diǎn)有二個(gè)。首先，供電電壓提高到了5v，但是單個(gè)cmos晶體管的正常承受電壓小于5v，因此需要采用具有更大承受電壓的功率放大器結(jié)構(gòu)，例如cascode(共源共柵、或共射共基)結(jié)構(gòu)等。其次，升壓電源調(diào)制器帶來(lái)的紋波問(wèn)題沒(méi)有得到解決。

申請(qǐng)公布號(hào)為cn104779922a、申請(qǐng)公布日為2015年7月15日的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)《用于優(yōu)化射頻功率放大器性能的高電壓包括跟蹤器》中，公開(kāi)了一種包含有升壓模塊的包絡(luò)跟蹤器。其中的升壓模塊如圖3所示，包括由硅基cmos工藝實(shí)現(xiàn)的升降壓控制模塊和由砷化鎵p型hemt(高電子遷移率晶體管)實(shí)現(xiàn)的升降壓開(kāi)關(guān)功率晶體管。所述升降壓開(kāi)關(guān)功率晶體管中，由第一晶體管301和第二晶體管302組成了一個(gè)高耐壓的cascode結(jié)構(gòu)的功率放大器。但是該方案中的晶體管是hemt器件，如果改為cmos晶體管，則由于cmos晶體管的耐壓能力達(dá)不到5v，因此cascode結(jié)構(gòu)的cmos晶體管也無(wú)法適用于該升壓模塊。此外，電源紋波的問(wèn)題也沒(méi)有得到解決。

2013年8月出版的《ieice電子快報(bào)》(ieiceelectronicexpress)第10卷第16期有一篇文章《具有電感補(bǔ)償?shù)?.4ghz砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管堆疊功率放大器》(a2.4ghzgaashbtstackedpoweramplifierwithinductancecompensation)。這篇文章的第2部分公開(kāi)了一種堆疊的功率放大器，如圖4所示。這種功率放大器采用兩個(gè)砷化鎵hbt組成cascode結(jié)構(gòu)，并在上層hbt的基極串聯(lián)電容cb和電阻rb后接地。堆疊結(jié)構(gòu)可以提高電源電壓，從而提高輸出功率。在上層hbt的基極串聯(lián)的電容與電阻則可以抑制寄生電容帶來(lái)的效率降低問(wèn)題。然而，該方案并沒(méi)有應(yīng)用到升壓結(jié)構(gòu)中。

以上現(xiàn)有方案表明，為了提高功率放大器的輸出功率，需要采用升壓的電源以及耐壓的功率放大器架構(gòu)。然而升壓的電源是基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的，難以避免地具有電源紋波，這使功率放大器的性能惡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于升壓技術(shù)的功率放大器，一方面提升功率放大器的供電電壓來(lái)增加輸出阻抗，另一方面通過(guò)采用hbt形成cascode結(jié)構(gòu)來(lái)提高器件耐高壓性能，再一方面還要抑制電源紋波對(duì)功率放大器的不良影響。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)基于升壓技術(shù)的功率放大器包括升壓電路和放大電路。

所述升壓電路用來(lái)將電源電壓進(jìn)行升壓后得到升壓電壓，還用來(lái)根據(jù)參考電壓和升壓電壓得到一個(gè)中間電壓；升壓電壓中包含電源紋波，電源紋波具有高頻分量與低頻分量；中間電壓中包含中間紋波，中間紋波僅有低頻分量；電源紋波與中間紋波的相位相同。

所述放大電路包括至少兩個(gè)功率晶體管組成共源共柵或者共射共基結(jié)構(gòu)，中間電壓作為其中一個(gè)功率晶體管的偏置電壓，中間紋波在該功率晶體管的輸出端的相位變反；升壓電壓作為最后一級(jí)功率晶體管的電源電壓，電源紋波在最后一級(jí)功率晶體管的輸出端由低通網(wǎng)絡(luò)濾除高頻分量；在最后一級(jí)功率晶體管的輸出端，中間紋波與電源紋波的低頻分量由于相位相反且幅度相等而相互抵消。

優(yōu)選地，中間電壓作為最后一級(jí)功率晶體管的偏置電壓。

本申請(qǐng)取得的技術(shù)效果是抑制了電源紋波對(duì)功率放大器的射頻輸出信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，消除了電源紋波對(duì)功率放大器的性能的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是電源噪聲或紋波對(duì)射頻放大器輸出頻譜的影響的示意圖。

圖2是一種現(xiàn)有的射頻功率放大器中的升壓電源調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是一種現(xiàn)有的包絡(luò)跟蹤器中的升壓模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是一種現(xiàn)有的堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中附圖標(biāo)記說(shuō)明：vbias1為偏置電壓一；vbat為電源電壓；vg2為柵偏電壓二；vg3為柵偏電壓三；vg4為柵偏電壓四；vboost為升壓電壓；vref為參考電壓；vm為中間電壓；rfin為射頻輸入信號(hào)；rfout為射頻輸出信號(hào)；pm為pmos管；nm為nmos管；q為hbt；r為電阻；c為電容；l為電感。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖5，這是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例一。該實(shí)施例一包括升壓電路和放大電路兩部分。所述升壓電路用來(lái)將電源電壓vbat進(jìn)行升壓，得到升壓電壓vboost。所述升壓電路還用來(lái)根據(jù)參考電壓vref和升壓電壓vboost生成一個(gè)中間電壓vm，該中間電壓vm中包含的紋波的相位與升壓電壓vboost中包含的紋波的相位相反。所述放大電路包括至少兩個(gè)功率晶體管組成共源共柵或者共射共基結(jié)構(gòu)(即cascode結(jié)構(gòu))。升壓電壓vboost作為最后一級(jí)共柵極晶體管或共基極晶體管的電源電壓，也就是作為所有功率晶體管的電源電壓。中間電壓vm作為任意一個(gè)功率晶體管的偏置電壓。在最后一級(jí)共柵極晶體管或共基極晶體管的輸出端就有升壓電壓vboost中的紋波與中間電壓vm中的紋波由于幅度相等、相位相反而相互抵消。

所述升壓電路具體包括一個(gè)開(kāi)關(guān)電源控制單元、一個(gè)pmos管、一個(gè)nmos管、一個(gè)比較器、一個(gè)低通濾波器、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃骱鸵粋€(gè)緩沖器。兩個(gè)mos管pm1、nm1的基極均受控于開(kāi)關(guān)電源控制單元。開(kāi)關(guān)電源控制單元控制兩個(gè)mos管pm1、nm1的開(kāi)關(guān)頻率、速度、占空比等，并且采用防直通柵極驅(qū)動(dòng)緩沖，即不會(huì)使兩個(gè)mos管pm1、nm1同時(shí)開(kāi)啟，在任意時(shí)刻或者僅有pmos管一pm1導(dǎo)通或者僅有nmos管一nm1導(dǎo)通，因此沒(méi)有靜態(tài)功耗。pmos管一pm1的發(fā)射極接電源電壓vbat，nmos管一nm1的發(fā)射極接地，pmos管一的集電極與nmos管一的集電極相連并作為輸出端。由此開(kāi)關(guān)電源控制單元可以通過(guò)控制兩個(gè)mos管pm1、nm1實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓vbat的升壓或降壓，本申請(qǐng)主要使用到的是升壓功能。pmos管一pm1的集電極連接nmos管一nm1的集電極，并輸出升壓電壓vboost。電源電壓vbat通常由鋰電池提供，取值范圍在3.3v至4.2v之間。經(jīng)過(guò)升壓后，升壓電壓vboost的取值范圍可在3.3v至10v之間。電源電壓vbat中包含電源紋波，升壓電壓vboost中也包含電源紋波，如圖5中的實(shí)線所示。電源紋波主要集中在開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波頻率。電源紋波分為高頻分量與低頻分量，通常將開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及其低次諧波(例如4次及以下諧波)頻率稱為低頻分量，將開(kāi)關(guān)電源的高次諧波(例如5次及以上諧波)頻率稱為高頻分量。升壓電壓vboost與參考電壓vref分別進(jìn)入比較器的正輸入端、負(fù)輸入端，該比較器的輸出端依次連接一個(gè)低通濾波器、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?、一個(gè)緩沖器后，得到中間電壓vm。參考電壓vref是一個(gè)不隨工藝、溫度、時(shí)間變化的直流電壓，比較器用來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓電壓vboost與參考電壓vref的比較。參考電壓vref中不包含紋波，比較器輸出的電壓中也包含電源紋波的高頻分量與低頻分量。低通濾波器用來(lái)允許低頻紋波通過(guò)，濾除高頻紋波，低通濾波器輸出的電壓中僅包含低頻紋波?？勺?cè)鲆娣糯笃饔脕?lái)調(diào)節(jié)電信號(hào)的幅度。緩沖器用來(lái)提高電流驅(qū)動(dòng)能力。緩沖器輸出的中間電壓vm中僅包含有低頻的紋波分量，稱為中間紋波，如圖5中的虛線所示。電源紋波與中間紋波的相位相同。中間紋波的幅度可通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆孢M(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述放大電路中至少包括兩個(gè)功率晶體管q1、q2，例如均為hbt，優(yōu)選為砷化鎵(gaas)hbt，它們形成共射共基結(jié)構(gòu)。共射晶體管q1的發(fā)射極接地，基極通過(guò)電容一c1接收射頻輸入信號(hào)rfin，集電極輸出放大后的信號(hào)給共基晶體管q2的發(fā)射極。共射晶體管q1的基極偏置電壓由偏置電壓一vbias1和電源電壓vbat提供。具體而言，偏置電壓一vbias1通過(guò)級(jí)聯(lián)的電阻二r2、二極管四q4和二極管五q5接地，二極管四q4和二極管五q5實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。二極管四q4的陽(yáng)極還連接晶體管三q3的基極，并通過(guò)電容二c2接地，電容二c2實(shí)現(xiàn)線性化。晶體管三q3的集電極連接電源電壓vbat，發(fā)射極通過(guò)電阻一r1連接共射晶體管q1的基極為其提供基極偏置電壓。共基晶體管q2的基極偏置電壓由中間電壓vm提供。具體而言，中間電壓vm通過(guò)級(jí)聯(lián)的電阻三r3和電容三c3接地，電阻三r3和電容三c3中間的連接點(diǎn)還連接共基晶體管q2的基極為其提供基極偏置電壓。共基晶體管q2的漏極通過(guò)電感一l1連接升壓電壓vboost，升壓電壓vboost作為共基晶體管q2的電源電壓。共基晶體管q2的漏極還通過(guò)電容四c4輸出射頻輸出信號(hào)rfout。電感一l1與電容四c4構(gòu)成了共基晶體管q2的集電極位置的低通網(wǎng)絡(luò)。

在實(shí)施例一中，對(duì)共基晶體管q2來(lái)說(shuō)，其基極偏置的中間電壓vm中包含有中間紋波，其漏極接收的升壓電壓vboost中包含有電源紋波，中間紋波與電源紋波的相位相同。對(duì)于中間電壓vm而言，其從共基晶體管q2的基極輸入集電極輸出，相當(dāng)于中間電壓vm經(jīng)過(guò)了共發(fā)射極(commonemitter)放大，因此在共基晶體管q2的集電極位置的中間紋波的相位變反。對(duì)升壓電壓vboost而言，共基晶體管q2的集電極位置的電感一l1與電容四c4構(gòu)成了一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，該低通網(wǎng)絡(luò)濾除了升壓電壓vboost中所包含的電源紋波中的高頻分量。因此在共基晶體管q2的集電極位置(即輸出端)，中間紋波與電源紋波剩余的低頻分量的相位相反且幅度相等，因此在共基晶體管q2的集電極得到的射頻輸出信號(hào)rfout中兩種紋波相互抵消，從而降低了電源紋波對(duì)功率放大器的性能的影響，抑制了電源紋波所造成的輸出頻譜擴(kuò)展的現(xiàn)象。為了使共基晶體管q2的集電極位置使中間紋波與電源紋波的幅度相等，可以通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃髡{(diào)節(jié)升壓電路所輸出的中間紋波的幅度。

請(qǐng)參閱圖6，這是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例二。該實(shí)施例二與實(shí)施例一的區(qū)別僅在于兩個(gè)功率晶體管的基極偏置電壓的選擇。在實(shí)施例一中，共射晶體管q1的基極偏置電壓由偏置電壓一vbias1和電源電壓vbat提供，共基晶體管q2的基極偏置電壓由中間電壓vm提供。在實(shí)施例二中，共基晶體管q2的基極偏置電壓由電源電壓vbat提供，共射晶體管q1的基極偏置電壓由中間電壓vm和電源電壓vbat提供。

具體而言，在實(shí)施例二中，中間電壓vm通過(guò)級(jí)聯(lián)的電阻二r2、二極管四q4和二極管五q5接地，二極管四q4和二極管五q5實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。二極管四q4的陽(yáng)極還連接晶體管三q3的基極，并通過(guò)電容二c2接地，電容二c2實(shí)現(xiàn)線性化。晶體管三q3的集電極連接電源電壓vbat，發(fā)射極通過(guò)電阻一r1連接共射晶體管q1的基極為其提供基極偏置電壓。電源電壓vbat通過(guò)級(jí)聯(lián)的電阻三r3和電容三c3接地，電阻三r3和電容三c3中間的連接點(diǎn)還連接共基晶體管q2的基極為其提供基極偏置電壓。

在實(shí)施例二中，對(duì)于中間電壓vm而言，其從共射晶體管q1的基極輸入集電極輸出，經(jīng)過(guò)了共發(fā)射極放大，因此在共射晶體管q1的集電極位置的中間紋波的相位變反。該相位變反的中間紋波從共基晶體管q2的發(fā)射極輸入集電極輸出，在共基晶體管q2的集電極位置仍保持相位變反。對(duì)升壓電壓vboost而言，共基晶體管q2的集電極位置的電感一l1與電容四c4構(gòu)成了一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，該低通網(wǎng)絡(luò)濾除了升壓電壓vboost中所包含的電源紋波中的高頻分量。因此在共基晶體管q2的集電極位置(即輸出端)，中間紋波與電源紋波剩余的低頻分量的相位相反且幅度相等，因此在共基晶體管q2的集電極得到的射頻輸出信號(hào)rfout中兩種紋波相互抵消，從而降低了電源紋波對(duì)功率放大器的性能的影響，抑制了電源紋波所造成的輸出頻譜擴(kuò)展的現(xiàn)象。為了使共基晶體管q2的集電極位置使中間紋波與電源紋波的幅度相等，可以通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃髡{(diào)節(jié)升壓電路所輸出的中間紋波的幅度。

然而比較以上兩個(gè)實(shí)施例可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例二中從共射晶體管q1的偏置到共基晶體管q2的輸出有較大的延時(shí)，因此降低了紋波抵消的抑制效果，因此實(shí)施例二不如實(shí)施例一的效果好。

請(qǐng)參閱圖7，這是本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏龎杭夹g(shù)的功率放大器的實(shí)施例三。該實(shí)施例三與實(shí)施例一的區(qū)別僅在放大電路中。在實(shí)施例一中，放大電路包含兩個(gè)hbt構(gòu)成共射共基結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例三中，放大電路包含四個(gè)nmos管構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，共源晶體管二nm2的柵極偏置電壓由柵偏電壓二vg2提供，共柵晶體管三nm3的柵極偏置電壓由柵偏電壓三vg3提供，共柵晶體管四nm4的柵極偏置電壓由柵偏電壓四vg4提供，共柵晶體管五nm5的柵極偏置電壓由中間電壓vm提供。

在實(shí)施例三中，對(duì)共柵晶體管五nm5來(lái)說(shuō)，其柵極偏置的中間電壓vm中包含有中間紋波，其漏極接收的升壓電壓vboost中包含有電源紋波，中間紋波與電源紋波的相位相同。對(duì)于中間電壓vm而言，其從共柵晶體管五nm5的柵極輸入漏極輸出，相當(dāng)于中間電壓vm經(jīng)過(guò)了共源極(commonsource)放大，因此在共柵晶體管五nm5的漏極位置的中間紋波的相位變反。對(duì)升壓電壓vboost而言，共柵晶體管五nm5的漏極位置的電感一l1與電容四c4構(gòu)成了一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，該低通網(wǎng)絡(luò)濾除了升壓電壓vboost中所包含的電源紋波中的高頻分量。因此在共柵晶體管五nm5的漏極位置(即輸出端)，中間紋波與電源紋波剩余的低頻分量的相位相反且幅度相等，因此在共柵晶體管五nm5的漏極得到的射頻輸出信號(hào)rfout中兩種紋波相互抵消，從而降低了電源紋波對(duì)功率放大器的性能的影響，抑制了電源紋波所造成的輸出頻譜擴(kuò)展的現(xiàn)象。為了使共柵晶體管五nm5的漏極位置使中間紋波與電源紋波的幅度相等，可以通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃髡{(diào)節(jié)升壓電路所輸出的中間紋波的幅度。

由實(shí)施例三可知，所述放大電路中的功率晶體管不僅可以采用hbt，而且可以采用mos或其他現(xiàn)有的功率放大元件。而且放大電路中可以包含大于兩個(gè)的功率晶體管形成cascode結(jié)構(gòu)，只需要將中間各級(jí)功率晶體管級(jí)聯(lián)即可，仍未脫離本申請(qǐng)所公開(kāi)的電路實(shí)現(xiàn)原理。

如果結(jié)合實(shí)施例二與實(shí)施例三，顯然實(shí)施例三中的中間電壓vm也可改為向放大電路中其他共柵晶體管的柵極偏置電壓，然而由于延時(shí)較大均不如實(shí)施例三的效果好。

現(xiàn)有的功率放大器一旦采用升壓技術(shù)后，開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的紋波就會(huì)對(duì)功率放大器的性能帶來(lái)不利影響。本申請(qǐng)所提供的功率放大器中，升壓電路輸出升壓電壓和中間電壓，升壓電壓中包含具有高頻分量與低頻分量的電源紋波，中間電壓中包含僅有低頻分量的中間紋波，電源紋波與中間紋波的相位相同。中間電壓、升壓電壓分別作為放大電路中的同一個(gè)功率晶體管的偏置和電源。中間紋波經(jīng)過(guò)該功率晶體管的共發(fā)射極或共源極放大后，相位變反。電源紋波在該功率晶體管的集電極或漏極(即輸出端)由lc低通網(wǎng)絡(luò)濾除掉高頻分量。從而在該功率晶體管的輸出端使兩種紋波由于相位相反且幅度相等而相互抵消，這樣便消除了電源紋波對(duì)功率放大器的性能的影響。

以上僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限定本申請(qǐng)。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。