基于变压器的非平衡Doherty功率放大器及其设计方法技术

本发明专利技术涉及基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，涉及射频前端集成电路设计，通过设计Doherty功率放大器的第一变压器和第二变压器的自感不同，使Doherty功率放大器为基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，并通过调节第一变压器T1的自感因子α即可调节功率放大器功率回退区间效率尖峰的位置，进而可根据效率的需求调整尖峰点，因此功率放大器的灵活性较好。

Unbalanced Doherty Power Amplifier Based on Transformer and Its Design Method

【技术实现步骤摘要】
基于变压器的非平衡Doherty功率放大器及其设计方法
本专利技术涉及射频前端集成电路设计，尤其涉及一种基于变压器的非平衡Doherty功率放大器及其设计方法。
技术介绍
射频功率放大器(RFPA)是各种无线发射机的重要组成部分，广泛应用在手机等无线通信设备中。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。输出功率与效率是射频功率放大器的主要技术指标，为了满足各种通信终端设备的需求，必须提高射频功率放大器的输出功率与效率。目前先进的无线调制标准(比如IEEE802.11ac，LTE等)都采用OFDM的调制方式，即正交频分复用技术(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，但这种调制方式的峰均比很大，其功率放大器在功率回退区间效率很低，进而降低了平均效率。其中，DohertyPA(即Doherty功率放大器)可以提升一定功率回退区间的效率，进而提高平效率。请参阅图1、图2a和图2b，图1为现有技术中Doherty功率放大器的示意图，图2a和图2b为图1所示的Doherty功率放大器的工作曲线图。如图1所示，Doherty功率放大器包括主功率放大器单元(MainPA)和次功率放大器单元(Aux.PA)，现有技术中Doherty功率放大器采用有源负载调制技术，随着输入功率的变化动态地改变主功率放大器单元和次功率放大器单元输出端所看到的阻抗，具体的，请参阅图2a，当输入电压小于最大输入电压的一半时，只有主功率放大器单元开启工作；当输入电压刚好为最大输入电压的一半时，主功率放大器单元达到饱和输出，此时效率达到最大；当输入电压继续升高时，次功率放大器单元开始工作并有源地调节主次功率放大器单元输出端所看到的阻抗；当达到最大输入电压时，主次功率放大器单元都达到饱和输出，此时效率又达到最大。请参阅图2b，从LTE和IEEE802.11b的概率密度函数来看，系统主要工作在功率回退区间，而Doherty功率放大器提高了功率回退区间的效率，进而提高了平均效率。并最近几年出现了基于变压器的线性Doherty功率放大器，请参阅图3，图3为现有技术中基于变压器的线性Doherty功率放大器的示意图，如图3所示，主功率放大器单元和次功率放大器单元分别经过一变压器后输出射频输出信号，其具体的工作方式和经典的Doherty功率放大器类似。但现有技术中基于变压器的Doherty功率放大器的效率尖峰点是固定的，无法根据效率的需求调整尖峰点，因此灵活性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，以使功率放大器功率回退区间效率尖峰的位置可调节，进而可根据效率的需求调整尖峰点，因此功率放大器的灵活性较好。本专利技术提供的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，包括：主功率放大器单元、次功率放大器单元、第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第二变压器T2和输出电容C3，主功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM-，次功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM-，主功率放大器单元的两输出端分别连接第一电容C1的两端，次功率放大器单元的两输出端分别连接第二电容C2的两端，第一电容C1的两端还分别连接第一变压器T1的初级线圈的两端，第二电容C2的两端还分别连接第二变压器T2的初级线圈的两端，第一变压器T1的次级线圈的一端连接输出电容C3的一端，第一变压器T1的次级线圈的另一端连接第二变压器T2的次级线圈的一端，第二变压器T2的次级线圈的另一端连接输出电容C3的另一端，输出电容C3的两端用于输出基于变压器的非平衡Doherty功率放大器的输出信号，其中第一变压器T1的自感不等于第二变压器T2的自感。更进一步的，第一变压器T1的自感为L1，第二变压器T2的自感为L2，则第一变压器T1的自感L1与第二变压器T2的自感L2的和为总自感为L1+L2，定义第一变压器T1的自感L1占总自感L1+L2的比例为第一变压器T1的自感因子为α，则第二变压器T2的自感L2占总自感L1+L2的比例为第二变压器T2的自感因子为1-α，其中α≠0.5。更进一步的，第一变压器T1的自感为L1，第二变压器T2的自感为L2，则第一变压器T1的自感L1与第二变压器T2的自感L2的和为总自感为L1+L2，定义第一变压器T1的自感L1占总自感L1+L2的比例为第一变压器T1的自感因子为α，则第二变压器T2的自感L2占总自感L1+L2的比例为第二变压器T2的自感因子为1-α，其中，α>0.5。更进一步的，还包括第四电容C4、第三变压器T3、第五电容C5和驱动器，第四电容C4的两端用于接收射频输入信号RFIN，第三变压器T3的初级线圈的两端连接第四电容C4的两端，第三变压器T3的次级线圈的两端连接第五电容C5的两端，第五电容C5的两端连接驱动器的两输入端，驱动器的两输出端分别输出主功率放大器单元和次功率放大器单元的输入信号FM+和FM-。更进一步的，主功率放大器单元和次功率放大器单元为模拟功率放大器单元。更进一步的，主功率放大器单元与连接主功率放大器单元的第一电容以及次功率放大器单元与连接次功率放大器单元的第二电容由数字功率放大器电路实现，数字功率放大器电路包括第一子主功率放大器单元和第二子主功率放大器单元，两子主功率放大器单元的输出端分别连接第一变压器T1的初级线圈的两端；第一子次功率放大器单元和第二子次功率放大器单元，两子次功率放大器单元的输出端分别连接第二变压器T2的初级线圈的两端。更进一步的，子主功率放大器单元和子次功率放大器单元为开关电容功率放大器单元，开关电容功率放大器单元包括串联连接的P型功率开关管MP和N型功率开关管MN，P型功率开关管MP的源端连接直流电压源VDD，P型功率开关管MP的漏端连接N型功率开关管MN的漏端，N型功率开关管MN的源端接地，P型功率开关管MP与N型功率开关管MN的共节点连接电容的一端，电容的另一端为开关电容功率放大器单元的输出端。更进一步的，基于变压器的非平衡Doherty功率放大器采用有源负载调制方式。更进一步的，变压器的非平衡Doherty功率放大器集成在一半导体衬底上。更进一步的，所述基于变压器的非平衡Doherty功率放大器应用CMOS工艺集成在一半导体衬底上。更进一步的，第一变压器和第二变压器的版图共同构成“8字形”版图，“8字形”版图包括第一变压器初级线圈绕线、第二变压器初级线圈绕线和次级线圈串联绕线，其中第一变压器初级线圈绕线和第二变压器初级线圈绕线并行设置，次级线圈串联绕线环绕第一变压器初级线圈绕线和第二变压器初级线圈绕线设置，并于并行设置的第一变压器初级线圈绕线和第二变压器初级线圈绕线之间设置次级线圈串联绕线的起始端和末尾端。更进一步的，第一变压器和第二变压器的版图共同构成折叠的“8字形”的版图，折叠的“8字形”的版图包括第二变压器初级线圈绕线，环绕第二变压器初级线圈绕线设置的次级线圈串联绕线的第一部分次级线圈串联绕线，环绕第一部分次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，包括：主功率放大器单元、次功率放大器单元、第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第二变压器T2和输出电容C3，主功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM‑，次功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM‑，主功率放大器单元的两输出端分别连接第一电容C1的两端，次功率放大器单元的两输出端分别连接第二电容C2的两端，第一电容C1的两端还分别连接第一变压器T1的初级线圈的两端，第二电容C2的两端还分别连接第二变压器T2的初级线圈的两端，第一变压器T1的次级线圈的一端连接输出电容C3的一端，第一变压器T1的次级线圈的另一端连接第二变压器T2的次级线圈的一端，第二变压器T2的次级线圈的另一端连接输出电容C3的另一端，输出电容C3的两端用于输出基于变压器的非平衡Doherty功率放大器的输出信号，其中第一变压器T1的自感不等于第二变压器T2的自感。

【技术特征摘要】
1.一种基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，包括：主功率放大器单元、次功率放大器单元、第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第二变压器T2和输出电容C3，主功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM-，次功率放大器单元的两输入端分别接收输入信号FM+和FM-，主功率放大器单元的两输出端分别连接第一电容C1的两端，次功率放大器单元的两输出端分别连接第二电容C2的两端，第一电容C1的两端还分别连接第一变压器T1的初级线圈的两端，第二电容C2的两端还分别连接第二变压器T2的初级线圈的两端，第一变压器T1的次级线圈的一端连接输出电容C3的一端，第一变压器T1的次级线圈的另一端连接第二变压器T2的次级线圈的一端，第二变压器T2的次级线圈的另一端连接输出电容C3的另一端，输出电容C3的两端用于输出基于变压器的非平衡Doherty功率放大器的输出信号，其中第一变压器T1的自感不等于第二变压器T2的自感。2.根据权利要求1所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，第一变压器T1的自感为L1，第二变压器T2的自感为L2，则第一变压器T1的自感L1与第二变压器T2的自感L2的和为总自感为L1+L2，定义第一变压器T1的自感L1占总自感L1+L2的比例为第一变压器T1的自感因子为α，则第二变压器T2的自感L2占总自感L1+L2的比例为第二变压器T2的自感因子为1-α，其中α≠0.5。3.根据权利要求1所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，第一变压器T1的自感为L1，第二变压器T2的自感为L2，则第一变压器T1的自感L1与第二变压器T2的自感L2的和为总自感为L1+L2，定义第一变压器T1的自感L1占总自感L1+L2的比例为第一变压器T1的自感因子为α，则第二变压器T2的自感L2占总自感L1+L2的比例为第二变压器T2的自感因子为1-α，其中，α>0.5。4.根据权利要求1所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，还包括第四电容C4、第三变压器T3、第五电容C5和驱动器，第四电容C4的两端用于接收射频输入信号RFIN，第三变压器T3的初级线圈的两端连接第四电容C4的两端，第三变压器T3的次级线圈的两端连接第五电容C5的两端，第五电容C5的两端连接驱动器的两输入端，驱动器的两输出端分别输出主功率放大器单元和次功率放大器单元的输入信号FM+和FM-。5.根据权利要求1所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，主功率放大器单元和次功率放大器单元为模拟功率放大器单元。6.根据权利要求1所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，主功率放大器单元与连接主功率放大器单元的第一电容以及次功率放大器单元与连接次功率放大器单元的第二电容由数字功率放大器电路实现，数字功率放大器电路包括第一子主功率放大器单元和第二子主功率放大器单元，两子主功率放大器单元的输出端分别连接第一变压器T1的初级线圈的两端；第一子次功率放大器单元和第二子次功率放大器单元，两子次功率放大器单元的输出端分别连接第二变压器T2的初级线圈的两端。7.根据权利要求6所述的基于变压器的非平衡Doherty功率放大器，其特征在于，子主功率放大器单元和子次功率放大器单元为开关电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：任江川，戴若凡，
申请(专利权)人：上海华虹宏力半导体制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31