一种多模可配置Class AB功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了射频功率放大器领域的一种多模可配置Class AB功率放大器，用以解决目前射频功率放大器研究中存在的问题。该功率放大器可自动调节工作模式，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种工作模式。该功率放大器由可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分以及功率检测和控制部分组成；其中，功率检测和控制部分分别与可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分相连接，可配置阻抗转换部分与功率检测和控制部分、功率放大部分相连接，可配置功率驱动部分和可配置功率放大部分相连接。本发明专利技术提出的一种多模可配置Class AB功率放大器，能够有效地提高效率，降低功耗，且覆盖频带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种多模可配置ClassAB功率放大器
本专利技术涉及射频功率放大器领域，特别涉及一种双带多模可配置ClassAB功率放大器装置。
技术介绍
目前Wi-Fi(WirelessFidelity)在远程视频监控、无线医疗、智能家居和物联网等领域已得到广泛应用。与ZigBee(全新无线网络数据通信技术)、蓝牙相比，Wi-Fi在传输数据率和传输距离方面都具有很大优势，可以在半径100m范围内进行视频及其他多媒体业务，但是低功耗一直是制约Wi-Fi手持设备应用的主要难题。面对无线收发机的复杂工作环境，如带外和临道的强干扰信号、信号信道的剧烈衰减等，传统的无线收发机设计必须针对最恶劣的应用环境进行设计，因而会付出大功耗。由于Wi-Fi的应用场景十分广泛，如果仍按传统方法进行设计，大多数情况下Wi-Fi收发机将处于过剩的工作状态；并且Wi-Fi协议采用了复杂的正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)调制方式，实际应用中功率放大器(poweramplifier，PA)的功率回退也会急剧增加芯片的功耗。目前无线通信系统向着低功率，高效率，高可靠性等方向发展，为了降低功耗和减小形状，高集成度是必需的。因此，用一种较为廉价的技术将无线收发机上更多的元件集成在片上是大势所趋。所以，目前越来越多的关注集中到互补金属氧化物半导体功率放大器(ComplementaryMetalOxideSemiconductorPowerAmplifier，CMOSPA)上。尽管目前有一些技术上的进步使得全集成的CMOSPA成为可能，但是实现全集成的CMOSPA仍然是用互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)实现一个完整的射频芯片系统所面临的主要困难之一。主要原因有：1)CMOS技术尺寸缩小所导致的电源电压和晶体管栅氧击穿电压的减小2)片上无源元器件和衬底的损耗。效率是PA设计最重要的指标之一，传统的设计仅仅在饱和输出功率达到最大效率。随着输出功率从饱和输出功率开始回退，PA的效率会急剧下降。但是在现在的无线通信系统中，功率回退是不可避免的。首先，考虑到节省电源功耗和减轻对其他用户的干扰，功率传输的量级远小于最大输出功率。发射机只在极其个别的情况下才会工作在最大功率输出状态。在大多数场合，PA要从最大输出功率处回退10-20dB。其次，为了更有效利用日益拥挤的频谱资源以及高数据率的要求，同时运用幅度调制和幅度调制技术成为一种必需。更进一步地是，在宽带系统中，在一个比较宽的带宽里，对多通道的抗干扰能力和SNR优化需要在较低的数据率有大量子载波。比如，IEEE802.11a/g使用了在最大数据率时用了52个子载波的正交频分复用(OFDM)技术。结果是使信号具有很大的峰均比。综合上面所提到的原因，可以得出，在无线通信系统中PA需要具有多种工作模式并且在低输出功率时有很好的效率。为了支持更高的功率输出，2-5GHzWi-Fi发射机的功耗也在持续增加，这对Wi-Fi手持设备造成了越来越大的困扰。在采用了OFDM调制方式的情况下，发射机不仅要在峰值功率处具有高效率也要在功率回退具有高效率以提高电源寿命。最近有很多关于提高PA功率回退效率的研究，但是在这些研究中，却很少涉及到将这些技术集成到一个完整的发射机系统中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种多模可配置ClassAB功率放大器，用于解决目前功率放大器仅仅在最大输出功率时才能达到最大效率的问题。为解决上述目的，本专利技术提出了一种多模可配置ClassAB功率放大器，其特征在于，所述功率放大器根据输入信号强度的变化，自动调节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种工作模式；所述功率放大器由可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分以及功率检测和控制部分组成；所述功率检测和控制部分分别与所述可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分相连接，用于检测输入信号强度的大小，并和两个固定电平相比较，决定功率放大器处于何种工作模式；所述可配置阻抗转换部分与所述功率检测和控制部分、功率放大部分相连接，用于切换功率放大器的工作模式；所述可配置功率驱动部分和可配置功率放大部分相连接，其中所述可配置功率驱动部分用于对信号的功率预放大，所述可配置功率放大部分用于对信号的最终放大；所述可配置功率驱动部分，由M1-M22晶体管和R1-R6电阻组成，它采用基于Cherry-Hopper的宽带放大器结构，包含跨导放大级和跨阻放大级；所述跨导放大级由所述M1-M18晶体管、所述R1-R4电阻组成；所述M1-M12晶体管构成差分cascode结构，其中，所述M1-M6晶体管为共源放大晶体管，所述M7-M12晶体管为共栅晶体管，所述R3-R4电阻为负载电阻，所述M13-M18晶体管为负载电流源，所述M1-M6晶体管经所述栅极R1-R2电阻后接偏置电压VB端，并且所述M1-M18晶体管尺寸可调节，实现跨导放大级跨导的可配置；所述跨阻放大级由所述M19-M22晶体管以及所述R5-R6电阻构成自偏置反相器结构，并且所述M19-M22晶体管尺寸1:2可配置，实现功率驱动级增益和带宽的灵活配置；所述可配置功率放大部分，由M23-M34晶体管和R7-R8电阻构成，电路为差分cascode结构；其中，所述M23-M28晶体管采用薄栅晶体管，实现较高跨导效率，所述M29-M34晶体管采用厚栅晶体管，具有较高的耐压性能和良好的输入-输出隔离度，所述M23-M28晶体管经栅极R7-R8电阻后接偏置电压VCS端，所述R29-R34晶体管接偏置电压VCG端。所述可配置阻抗转换部分，采用抽头电容谐振器作为匹配网络，由L0电感，C1-C6电容阵列以及Balun组成；所述可配置阻抗转换部分通过所述L0电感和所述C1-C6电容阵列实现阻抗匹配，完成50欧姆负载到功率放大器最优阻抗的变换；其中，所述L0电感为差分抽头电感，接在所述M29-M34晶体管漏极，节约两个片外Choke电感；所述C1-C2电容阵列接在所述M29-M34晶体管漏极，调节频率的变化；所述C3-C4电容阵列的一端分别与所述L0电感的差分两端相连接，另一端分别与所述C5-C6电容阵列相连接；所述Balun从所述C3-C4和C5-C6电容阵列中间抽头连接，实现输出差分到单端的转换；所述多模ClassAB功率放大器在不同工作模式之间切换时，所述C3-C6电容阵列的大小也随之改变以实现匹配阻抗的改变。所述功率检测和控制部分，分为功率检测部分和控制部分；其中，所述功率检测部分与所述功率控制部分相连；所述功率检测部分由平均功率检测电路1、平均功率检测电路2、放大器、比较器1、比较器2、比较器3和比较器4组成；所述功率控制部分由译码单元组成，所述译码单元由数字逻辑门组成，用于实现控制信号的改变；所述平均功率检测电路1的输入连接到功率放大部分的输入上,其输出Vpout1连接到所述比较器1和比较器2的输入上,与不同的参考电平VRP1和VRP2进行比较；所述比较器1和比较器2的输出分别连接到所述比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模可配置Class AB功率放大器，其特征在于，所述功率放大器根据峰均比的变化，自动调节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种工作模式；所述功率放大器由可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分以及功率检测和控制部分组成；所述功率检测和控制部分分别与所述可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分相连接，用于检测输入功率的大小，并和两个固定电平相比较，决定功率放大器处于何种工作模式；所述可配置阻抗转换部分与所述功率检测和控制部分、功率放大部分相连接，用于切换功率放大器的工作模式；所述可配置功率驱动部分和可配置功率放大部分相连接，其中所述可配置功率驱动部分用于对信号的功率预放大，所述可配置功率放大部分用于对信号的最终放大。

【技术特征摘要】
1.一种多模可配置ClassAB功率放大器，其特征在于，所述功率放大器根据输入信号强度的变化，自动调节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种工作模式；所述功率放大器由可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分以及功率检测和控制部分组成；所述功率检测和控制部分分别与所述可配置功率驱动部分、可配置功率放大部分、可配置阻抗转换部分相连接，用于检测输入信号强度的大小，并和两个固定电平相比较，决定功率放大器处于何种工作模式；所述可配置阻抗转换部分与所述功率检测和控制部分、功率放大部分相连接，用于切换功率放大器的工作模式；所述可配置功率驱动部分和可配置功率放大部分相连接，其中所述可配置功率驱动部分用于对信号的功率预放大，所述可配置功率放大部分用于对信号的最终放大；所述可配置功率驱动部分，由M1-M22晶体管和R1-R6电阻组成，它采用基于Cherry-Hopper的宽带放大器结构，包含跨导放大级和跨阻放大级；所述跨导放大级由所述M1-M18晶体管、所述R1-R4电阻组成；所述M1-M12晶体管构成差分cascode结构，其中，所述M1-M6晶体管为共源放大晶体管，所述M7-M12晶体管为共栅晶体管，所述R3-R4电阻为负载电阻，所述M13-M18晶体管为负载电流源，所述M1-M3晶体管经所述栅极R1电阻后接偏置电压VB端，所述M4-M6晶体管经所述栅极R2电阻后接偏置电压VB端，并且所述M1-M18晶体管尺寸可调节，实现跨导放大级跨导的可配置；所述跨阻放大级由所述M19-M22晶体管以及所述R5-R6电阻构成自偏置反相器结构，并且所述M19-M22晶体管尺寸1:2可配置，实现功率驱动级增益和带宽的灵活配置；所述可配置功率放大部分，由M23-M34晶体管和R7-R8电阻构成，电路为差分cascode结构；其中，所述M23-M28晶体管采用薄栅晶体管，所述M29-M34晶体管采用厚栅晶体管，所述M23-M28晶体管经栅极R7-R8电阻后接偏置电压VCS端，所述R29-R34晶体管接偏置电压VCG端。2.根据权利要求1所述的一种多模可配置ClassAB功率放大器，其特征在于，所述可配置阻抗转换部分，采用抽头电容谐振器作为匹配网络，由L0电感，C1-C6电容阵列以及Balun组成；所述可配置阻抗转换部分通过所述L0电感和所述C1-C6电容阵列实现阻抗匹配，完成50欧姆负载到功率放大器最优阻抗的变换；其中，所述L0电感为差分抽头电感，接在所述M29-M34晶体管漏极，节约两个片外Choke电感；所述C1-C2电容阵列接在所述M29-M34晶体管漏极，调节频率的变化；所述C3-C4电容阵列的一端分别与所述L0电感的差分两端相连接，另一端分别与所述C5-C6电容阵列相连接；所述Balun从所述C3-C4和C5-C6电容阵列中间抽头连接，实现输出差分到单端的转换；所述多模ClassAB功率放大器在不同工作模式之间切换时，所述C3-C6电容阵列的大小也随之改变以实现匹配阻抗的改变。3.根据权利要求1所述的一种多模可配置ClassAB功率放大器，其特征在于，所述功率检测和控制部分，分为功率检测部分和控制部分；其中，所述功率检测部分与所述功率控制部分相连；所述功率检测部分由平均功率检测电路1、平均功率检测电路2、放大器、比较器1、比较器2、比较器3和比较器4组成；所述功率控制部分由译码单元组成，所述译码单元由数字逻辑门组成，用于实现控制信号的改变；所述平均功率检测电路1的输入连接到功率放大部分的输入上,其输出Vpout1连接到所述比较器1和比较器2的输入上,与不同的参考电平VRP1和VRP2进行比较；所述比较器1和比较器2的输出分别连接到所述比较器3和比较器4的输入上；所述比较器3、比较器4将所述比较器1、比较器2的输出转化为数字逻辑信号；所述平均功率检测电路2没有输入信号，其输出Vpout2连接到所述放大器的输入；所述放大器差分输入的另一端连接到一个固定的参考电平VCM上，所述放大器的输出反馈到M49晶体管和M55晶体管的栅端,保证了在有工艺偏差时,平均功率检测电路1的输出信号在输入信号为零时保持不变；所述比较器3和比较器4的输出连接到译码单元的输入,译码单元根据其输入的逻辑值来控制功率放大器工作模式的改变。4.根据权利要求3所述的一种多模可配置ClassAB功率放大器，其特征在于，所述平均功率检测电路1由M...

【专利技术属性】
技术研发人员：池保勇，魏蒙，张泽宏，王志华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11