一种多频GSM射频功率放大器制造技术

本申请公开了一种多频GSM射频功率放大器，依次包括输入匹配网络、初级放大单元、级间耦合电容、驱动级放大单元、级间匹配网络、功率级放大单元和输出匹配网络。所述初级放大单元包括两个晶体管，分别是GSM低频信号和GSM高频信号的第一次放大晶体管。所述驱动级放大单元包括驱动晶体管，它是GSM低频信号和GSM高频信号复用的第二级放大晶体管。所述级间匹配电路包括变压器一，用来实现单端信号转为差分信号以及阻抗匹配。所述功率级放大单元包括两个功率晶体管，它们是GSM低频信号和GSM高频信号复用的、采用差分结构的第三级放大晶体管。本申请实现了单个芯片适用于多频段的射频信号功率放大。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及一种射频功率放大器，特别是涉及一种应用于GSM模式的射频功率放大器。
技术介绍
以手机为代表的移动通讯终端中，射频功率放大器必不可少。例如，射频功率放大器位于发射机的末级，用来将已调制射频信号放大到所需功率值后送天线发射。射频功率放大器在设计时必须要考虑阻抗匹配(impedancematching)问题。阻抗匹配是指对电路负载的输入阻抗和/或相应信号源的输出阻抗进行设计，以使电路的功率传输最大化和/或使负载端的信号反射最小化。匹配网络(matchingnetwork)通常只对较小频率范围内的电磁波信号具有较好效果，即具有窄带特性。以GSM射频功率放大器为例，目前得到商业应用的GSM频段有4个，分别是GSM-850、E-GSM-900、DCS-1800、PCS-1900。前两个频段的频率范围接近，可合称为GSM低频段。后两个频段的频率范围接近，可合称为GSM高频段。现有的GSM射频功率放大器通常设计有两个通道，分别用于GSM低频段、GSM高频段的射频信号放大，每个通道内都具有独立的匹配网络。这种以多个通道来实现多频射频功率放大的方式，需要占用大量的裸片(die)面积，增加了生产成本与研发成本，也增加了设计风险。公开号为US2015/0070097A1、公开日为2015年3月12日的美国专利申请《Configurablemultimodemultibandintegrateddistributedpoweramplifier》(可配置的多模多频集成分布式功率放大器)中，说明书0058段以及图4、说明书0065段至0066段以及图5就公开了两种功率放大器的具体结构。所公开的功率放大器采用差分架构，同时采用变压器作为功率分配器(splitter)和功率合成器(combiner)，因此射频输入信号与射频输出信号都是宽频的，宽频的输入会导致工作频段的噪声性能恶化。现有的多频射频功率放大器通常选用砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT，heterojunctionbipolartransistor)作为功率放大器件，砷化镓(GaAs)HBT在半导体材料上通常使用两层金属制造，多个变压器很难集成到只有两层金属的砷化镓HBT芯片中。现有的射频功率放大器也有采用变压器作为阻抗匹配网络的。申请公布号为CN101741326A、申请公布日为2010年6月16日的中国专利技术专利申请《RF功率放大器》中，记载了采用变压器作为功率放大晶体管和负载之间的阻抗匹配电路。申请公布号为CN101951232A、申请公布日为2011年1月19日的中国专利技术专利申请《射频功率放大器》中，记载了采用变压器来完成射频功率放大器的输出阻抗匹配。申请公布号为CN102142819A、申请公布日为2011年8月3日的中国专利技术专利申请《基于变压器的射频功率放大器》中，记载了采用变压器实现射频功率放大器的输出端的阻抗匹配。在射频功率放大器中使用变压器作为阻抗匹配电路是常用手段，其优点在于宽带特性，即对较大频率范围内的电磁波信号具有较好的阻抗匹配效果。然而采用变压器作为阻抗匹配电路也存在如下技术难题。其一，如果阻抗匹配网络具有宽频特性，那么对非目标频段的信号或者说噪声就无法起到抑制作用。GSM模式的各频段下行频率范围与上行频率范围仅相差几十MHz，如果在发射时不抑制噪声，这会导致接收时噪声恶化。因此GSM射频功率放大器通常不采用变压器作为阻抗匹配网络来同时覆盖GSM低频段和GSM高频段。其二，GSM射频功率放大器需要比较高的增益，例如大于35dB，通常采用三级或者更多级放大单元。如果放大单元均采用差分结构，那么就需要采用N+1个变压器作为阻抗匹配网络，N为放大单元的数量。在砷化镓HBT芯片上实现变压器需要比较大的面积，带来高昂的成本。2016年3月出版的《IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques》(IEEE微波理论与技术汇刊)第64卷第3期有一篇文章《AWCDMAMultibandPowerAmplifierModuleWithSi-CMOS/GaAs-HBTHybridPower-StageConfiguration》(具有硅-CMOS/砷化镓-HBT混合功率级配置的WCDMA多频功率放大器模块)。其中的图2a公开了一种多频功率放大模块，采用CMOS(complementarymetal–oxide–semiconductor，互补式金属氧化物半导体)实现制造低频段与高频段的放大器链(amplifierchain)以及包含频段选择开关在内的控制电路，采用HBT实现功率级晶体管，采用HEMT(高电子迁移率晶体管，High-electron-mobilitytransistor)实现输出开关网络。这种功率放大器在输入端和输出端都通过开关网络实现频段切换，占用芯片面积较大，制造成本较高。并且开关有非线性，实际设计用比较难建模。
技术实现思路
本申请所要解决的技术问题是提供一种GSM射频功率放大器，采用单通道对GSM模式的多频段射频信号进行功率放大。为解决上述技术问题，本申请提供的多频GSM射频功率放大器从信号输入端到信号输出端依次包括输入匹配网络、初级放大单元、级间耦合电容、驱动级放大单元、级间匹配网络、功率级放大单元和输出匹配网络。所述输入匹配网络具有两个输入端和两个输出端，用来对输入信号进行阻抗匹配；两个输入端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输入端，在任意时刻只有一个具有输入信号；两个输出端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输出端，在任意时刻只有一个具有输出信号。所述初级放大单元包括两个晶体管，分别是GSM低频信号和GSM高频信号的第一次放大晶体管。所述级间耦合电容连接初级放大单元的输出端与驱动级放大单元的输入端。所述驱动级放大单元包括驱动晶体管，它是GSM低频信号和GSM高频信号复用的第二级放大晶体管。所述级间匹配电路包括变压器一，用来实现单端信号转为差分信号以及阻抗匹配。所述功率级放大单元包括两个功率晶体管，它们是GSM低频信号和GSM高频信号复用的、采用差分结构的第三级放大晶体管。所述输出匹配网络具有两个输入端和一个输出端，用来将一对差分信号转换为单端信号并实现阻抗匹配。本申请取得的技术效果是实现了单个芯片适用于多频段的射频信号功率放大。整个GSM射频功率放大器仅采用两个变压器作为阻抗匹配电路，其中一个变压器在芯片上实现，另一个变压器在芯片外实现，从而节省了芯片面积、降低了制造成本。此外，大部分电路单元均为GSM低频段信号与GSM高频段信号复用的，提高了利用率。此外，使用互斥的两个单端输入实现输入端窄带匹配，大大提高了对非目标频段的噪声抑制性能。附图说明图1是本申请提供的GSM射频功率放大器的实施例一的结构示意图。图2是本申请提供的GSM射频功率放大器的实施例二的结构示意图。图3是本申请提供的GSM射频功率放大器的实施例二的制造示意图。图4是采用两层金属实现变压器一的版图示意图。图5、图6分别是本申请提供的GSM射频功率放大器的仿真示意图。图7是初级放大单元的另一种实现方式的结构示意图。图8是驱动级放大单元的另一种实现方式的结构示意图。图9是输出匹配网络的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多频GSM射频功率放大器，其特征是，依次包括输入匹配网络、初级放大单元、级间耦合电容、驱动级放大单元、级间匹配网络、功率级放大单元和输出匹配网络；所述输入匹配网络具有两个输入端和两个输出端，用来对输入信号进行阻抗匹配；两个输入端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输入端，在任意时刻只有一个具有输入信号；两个输出端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输出端，在任意时刻只有一个具有输出信号；所述初级放大单元包括两个晶体管，分别是GSM低频信号和GSM高频信号的第一次放大晶体管；所述级间耦合电容连接初级放大单元的输出端与驱动级放大单元的输入端；所述驱动级放大单元包括驱动晶体管，它是GSM低频信号和GSM高频信号复用的第二级放大晶体管；所述级间匹配电路包括变压器一，用来实现单端信号转为差分信号以及阻抗匹配；所述功率级放大单元包括两个功率晶体管，它们是GSM低频信号和GSM高频信号复用的、采用差分结构的第三级放大晶体管；所述输出匹配网络具有两个输入端和一个输出端，用来将一对差分信号转换为单端信号并实现阻抗匹配。

【技术特征摘要】
1.一种多频GSM射频功率放大器，其特征是，依次包括输入匹配网络、初级放大单元、级间耦合电容、驱动级放大单元、级间匹配网络、功率级放大单元和输出匹配网络；所述输入匹配网络具有两个输入端和两个输出端，用来对输入信号进行阻抗匹配；两个输入端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输入端，在任意时刻只有一个具有输入信号；两个输出端分别作为GSM低频段和GSM高频段的信号输出端，在任意时刻只有一个具有输出信号；所述初级放大单元包括两个晶体管，分别是GSM低频信号和GSM高频信号的第一次放大晶体管；所述级间耦合电容连接初级放大单元的输出端与驱动级放大单元的输入端；所述驱动级放大单元包括驱动晶体管，它是GSM低频信号和GSM高频信号复用的第二级放大晶体管；所述级间匹配电路包括变压器一，用来实现单端信号转为差分信号以及阻抗匹配；所述功率级放大单元包括两个功率晶体管，它们是GSM低频信号和GSM高频信号复用的、采用差分结构的第三级放大晶体管；所述输出匹配网络具有两个输入端和一个输出端，用来将一对差分信号转换为单端信号并实现阻抗匹配。2.根据权利要求1所述的多频GSM射频功率放大器，其特征是，所述初级放大单元包括晶体管一和晶体管二；晶体管一的基极连接输入匹配网络的输出端一，发射极接地，集电极通过负载电感连接工作电压；晶体管一只在输入匹配网络的输出端一有输出时才开启，用来对GSM低频段的射频信号进行放大；晶体管二的基极连接输入匹配网络的输出端二，发射极接地，集电极也通过负载电感连接工作电压；晶体管二只在输入匹配网络的输出端二有输出时才开启，用来对GSM高频段的射频信号进行放大；晶体管一和晶体管二的集电极相连，作为初级放大单元的输出端，输出经过第一次放大的GSM低频信号或者是经过第一次放大的GSM高频信号。3.根据权利要求1所述的多频GSM射频功率放大器，其特征是，所述驱动级放大单元包括驱动晶体管；驱动晶体管的基极连接级间耦合电容，发射极接地，集电极作为驱动级放大单元的输出端。4.根据权利要求1所述的多频GSM射频功率放大器，其特征是，所述级间匹配电路包括变压器一；变压器一的初级线圈的一端连接驱动级放大单...

【专利技术属性】
技术研发人员：林甲富，柯庆福，刘冠山，贾斌，
申请(专利权)人：锐迪科微电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31