一种用cmos管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其包括高功率模块、中低功率模块和输出匹配网络电路二；所述中低功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路二、功率放大器二和第二级匹配网络电路，还包括CMOS管子二，在该功率放大器二和匹配网络电路二的输出端连接处接有CMOS管子二的漏极，所述CMOS管子二的栅极与控制电路二的电压输出端连接，CMOS管子二的源极接地。本发明使用的两个CMOS管子作为开关集成在用于提供稳定偏置电压的CMOS裸片中，实现方法简单，大大降低了生产成本；且由于CMOS管子开关的存在，消除了高功率部分和低功率部分之间的互相干扰等问题，因此简化了匹配网络，且功放在低功率工作时候的效率得到提高。
【专利说明】一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及通讯【技术领域】，尤其是一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路。
【背景技术】
[0002]在3G通信系统的手持设备中，为了满足规范要求，一般都需要大量使用线性PA即为功率放大器，下面即简称为功放。这些系统除了线性的要求外，还有效率的要求，通常用PAE表示。由于手持设备的发射功率大部分时间工作在OdBm左右，处于最大功率输出的时间比较少，为了使手持设备尽可能省电，需要发射功率在OdBm左右时线性PA的效率比较高。为了满足该要求，通常线性PA会有三种工作模式:高功率模式，中功率模式和低功率模式。高功率模式下输出功率在17dBm至28dBm之间，而中功率和低功率模式的输出功率在17dBm以下。通常在最大功率输出时PA的效率能够达到35%到40%以上，随着功率的降低，效率也随之降低；在降低到17dBm左右时，如果不切换到中功率模式，则效率将在5%左右，而切换到低功率模式之后，效率能够提高到20%左右。同理在输出功率在8dBm切换到低功率模式，效率也能够在中功率模式下继续提高，因此能够让手持设备更加省电。
[0003]手持设备在发射链路上的各个模块的基本架构见图4，由图可见PA模块(功率放大器模块)的输入信号由transceiver提供,而Vref (或者VEN)和Vmode等控制电平由基带芯片给出，PA模块的输出和天线之间通常会有双工器或者开关，另外再加上一些匹配网络。根据3G系统规范，手持设备在天线端的最大功率达到23dBm或者24dBm，扣除双工器或者开关的插入损耗，线性PA在手持设备的最大功率大致在26dBm到27dBm,而transceiver的最大输出功率一般在OdBm到3dBm之间，因此线性PA在高功率需要大致25dB左右才能达到最大功率的输出；同理,手持设备在天线端的最小功率能够为-49dBm，而中功率模式切换大致在17dBm左右，transceiver的最小输出功率需要在_49dBm的基础上减去线性PA的中低功率模式的增益。因此为了保证transceiver的动态范围，中功率模式下线性PA的增益不能太高，一般在18dB左右，为了保证切换点的功率输出，中功率模式的增益也不能低于14dB。
[0004]然而目前使用的线性功放中的中低功率的实现时，一般有三种方法，第一种是降低偏置电压，比如将图3中通过CMOS的裸片将偏置电压从2.85V调整到2.70V。驱动级和功率级仍然处于工作状态，由于偏置电压的降低导致增益的降低和效率的提高，但是中低功率模式的效率还是会比较低，同时中低功率下的增益只比高功率的增益小几个分贝，因此对收发器的动态范围提出了更高的要求；第二种是图5阐释的专利US7394313在中低功率模式下的方式，线性功放的功率级关闭，而将驱动级通过转换网络作为中低功率模式的输出，但由于该网络连接功率输出级的输入端和输出端，因此在高功率模式下，需要保证高功率模式下该网络对整个功率输出基本没有影响，保证高功率模式下的稳定性、效率、和线性，而在低功率模式下功率输出级关闭，需要通过阻抗转换网络和其他的匹配网络保证低功率模式下的线性和效率，此种方式会造成整个网络相当复杂，且大大提高了生产的成本；第三种是在模块内加开关实现，这种方法有两种实现方式，一种是通过工艺在一种晶圆上实现功率输出和开关的功能，但是这种工艺的价格高昂，而另外一种是在模块中直接加一个开关裸片来实现，专利200910039721中采用的就是这种方法，实现方式见图6，然而额外的开关也带来了成本的上升。CMOS工艺由于衬底不是绝缘体，如果直接用传统方法做开关，即用管子自身的特性实现0N/0FF特性，那么插损会比较大，从而导致PA的增益和效率会比较低。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的问题是在功放模块内部加了 CMOS管子作为开关并通过匹配网络实现整个功放的高低频率模式下的工作。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其包括高功率模块、中低功率模块和输出匹配网络电路-* ;
[0007]高功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路一、驱动电路、级间匹配网络电路、功率输出电路以及输出匹配网络电路一，还包括CMOS管子一和控制电路一，所述CMOS管子一的漏极和匹配网络电路一的输出端与驱动电路的输入端连接处连接，该CMOS管子一的栅极与所述控制电路一的电压输出端连接，而CMOS管子一的源极接地；
[0008]中低功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路二、功率放大器二和第二级匹配网络电路，还包括CMOS管子二，在该功率放大器二和匹配网络电路二的输出端连接处接有CMOS管子二的漏极，所述CMOS管子二的栅极与控制电路二的电压输出端连接，CMOS管子二的源极接地；
[0009]所述高功率模块的匹配网络电路一的输入端和中低功率模块的匹配网络电路二的输入端并联连接，且与功率放大器的输入端串联；
[0010]所述输出匹配网络电路一的输出端与第二级匹配网络电路的输出端并联且与输出匹配网络电路二的输入端串联。
[0011 ] 进一步，匹配网络电路一和匹配网络电路二均由一电感和一电容构成，所述电感的一端与电容的一端连接，该电感的另一端与对应的CMOS管子连接，所述电容另一端接地。
[0012]进一步，还包括三个偏置电路，该三个偏置电路的偏置电压输出端分别与驱动电路、功率输出电路和功率放大器二连接。
[0013]进一步，所述三个偏置电路均集成于CMOS裸片上。
[0014]进一步，所述CMOS管子一和CMOS管子二均集成于CMOS裸片上。
[0015]进一步，所述控制电路一和控制电路二均嵌于CMOS裸片。
[0016]本发明具有的优点和积极效果是:
[0017]1、CMOS管子作为开关是通过匹配网络实现的，而不是传统的采用CMOS管子自身特性实现开关状态，这样能够避免插损大的问题。
[0018]2、使用的两个CMOS管子作为开关集成在用于提供稳定偏置电压的CMOS裸片中，实现方法简单，大大降低了生产成本。[0019]3、由于CMOS管子开关的存在，消除了高功率部分和低功率部分之间的互相干扰等问题，因此简化了匹配网络，且功放在低功率工作时候的效率得到提高。
[0020]4、整体提升了功放的工作性能，并节约功率放大器的占用空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的结构示意图；
[0022]图2是匹配网络和CMOS管子连接示意图；
[0023]图3是线性功放的基本架构示意图；
[0024]图4是手持设备上发射链路的各个模块的架构图；
[0025]图5是专利US 7394313中的低功率模式的实现电路示意图；
[0026]图6是专利200910039721中提到的实现高低功率模式的电路示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图以及具体的实施方式对本发明作进一步的说明。
[0028]如图1和2所示，一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其包括高功率模块、中低功率模块、偏置电路和输出匹配网络电路二 ；
[0029]高功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路一、驱动电路、级间匹配网络电路、功率输出电路以及输出匹配网络电路一，还包括CMOS管子一和控制电路一，匹配网络电路一由电感和电容组成，电感的一端和电容的一端连接，而所述电感的另一端与驱动电路的输入端连接，所述电容的另一端则接地，CMOS管子一的漏极和匹配网络电路一中的电感与驱动电路的输入端连接处连接，该CMOS管子一的栅极与所述控制电路一的电压输出端连接，而CMOS管子一的源极接地；
[0030]中低功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路二、功率放大器二和第二级匹配网络电路，还包括CMOS管子二，所述匹配网络电路二由电感和电容组成，该连接方式与匹配网络电路一相同，且在该功率放大器二和匹配网络电路二的电感连接处接有CMOS管子二的漏极，所述CMOS管子二的栅极与控制电路二的电压输出端连接，CMOS管子二的源极接地；
[0031 ] 所述高功率模块的匹配网络电路一的输入端和中低功率模块的匹配网络电路二的输入端并联连接，且与功率放大器的输入端串联；
[0032]所述输出匹配网络电路一的输出端与第二级匹配网络电路的输出端并联且与输出匹配网络电路二的输入端串联；
[0033]所述三个偏置电路的偏置电压输出端分别与驱动电路、功率输出电路和功率放大器二连接，且偏置电路均集成于CMOS裸片上，所示CMOS裸片上还嵌有CMOS管子一和CMOS管子二以及控制电路一和控制电路二。
[0034]上述的驱动电路为功率输出电路提供一定的增益和功率放大；而功率输出电路主要做功率输出；输出匹配网络电路将最佳功率输出点转换成50ohm ;同时，功放的偏置电压目前的做法是由基带芯片的GPIO 口经过Vref管脚提供电压，以此保证驱动电路、功率输出电路和功率放大器二的正常工作，因此需要在功放模块内部增加一个CMOS工艺的裸片来提供稳定的偏置电压；匹配网络一和匹配网络二的设置均是起到对输入阻抗可及时调整的作用。
[0035]本发明的实施原理:
[0036]通过调整控制电路的电压使CMOS管子可处于开关状态，即当控制电压为高，CMOS管子工作在可变电阻区，相当于开关打开，即该管等效于一个大约几欧姆的小电阻；而控制电压为低时，CMOS管子截至，相当于开关关闭，即该管等效为一个0.1pF~IpF的小电容。所述的电阻或者电容值的大小均取决于开关的插损或者隔离的大小。当优化CMOS管子前段的匹配网络，则可以实现在CMOS管子处于关闭状态时，输入阻抗的模值IZinI比较小，同时在CMOS管子处于打开状态下，输入阻抗的模值IZinI比较大。
[0037]在高功率模式下，根据CMOS管子一的状态，则可以满足|Zin2|》|Zinl |，此时从功放的输入端的能量会进入到驱动电路，然后经过级间匹配网络电路到功率输出电路，从而实现高功率的输出；而在中低功率模式下，根据CMOS管子2的状态，则可以满足
Zinl I? I Zin21，此时在功放的输入端的能量会进入到功率放大器二，实现中功率模式的输出；在中功率模式下，降低功率放大器二的偏置电压，则可以实现低功率模式的输出。
[0038]本发明的实施过程:
[0039]当功放在高功率模式下，通过控制各自对应的偏置电路，使得驱动电路和功率输出电路处于打开的状态，而功率放大器二为关闭状态，且调整控制电路二的电压，使得CMOS管子二工作在可变电阻区，CMOS管子一通过调整控制电路一使其工作在截至区，此时功放的输入端的能量就会通过高功率模块，并从输出匹配网络电路二输出。
[0040]当功放在中低功率模 式下，通过调整控制各自对应的偏置电路，使得驱动级和功率输出级处于关闭的状态，而PA2处于打开的状态，同时连接驱动级的CMOS管子一通过调整控制电路一使其工作在可变电阻区，而连接功率放大器二的CMOS管子二通过调整控制电路二使其工作在截至区，此时功放的输入端的能量就会通过中低模块，并从输出匹配网络电路二输出。
[0041]以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
【权利要求】
1.一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:其包括高功率模块、中低功率模块和输出匹配网络电路二 ； 高功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路一、驱动电路、级间匹配网络电路、功率输出电路以及输出匹配网络电路一，还包括CMOS管子一和控制电路一,所述CMOS管子一的漏极和匹配网络电路一的输出端与驱动电路的输入端连接处连接，该CMOS管子一的栅极与所述控制电路一的电压输出端连接，而CMOS管子一的源极接地； 中低功率模块包括依次串联连接的匹配网络电路二、功率放大器二和第二级匹配网络电路，还包括CMOS管子二，在该功率放大器二和匹配网络电路二的输出端连接处接有CMOS管子二的漏极，所述CMOS管子二的栅极与控制电路二的电压输出端连接，CMOS管子二的源极接地； 所述高功率模块的匹配网络电路一的输入端和中低功率模块的匹配网络电路二的输入端并联连接，且与功率放大器的输入端串联； 所述输出匹配网络电路一的输出端与第二级匹配网络电路的输出端并联且与输出匹配网络电路二的输入端串联。
2.根据权利要求1所述的一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:匹配网络电路一和匹配网络电路二均由一电感和一电容构成，所述电感的一端与电容的一端连接，该电感的另一端与对应的CMOS管子连接，所述电容另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:还包括三个偏置电路，所述三个偏置电路的偏置电压输出端分别与驱动电路、功率输出电路和功率放大器二连接。
4.根据权利要求3所述的一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:所述三个偏置电路均嵌入CMOS裸片中。
5.根据权利要求4所述的一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:所述CMOS管子一和CMOS管子二均集成于CMOS裸片上。
6.根据权利要求3、4或5所述的一种用CMOS管做开关实现线性功率放大器的高低功率的电路，其特征在于:所述控制电路一和控制电路二均嵌于CMOS裸片中。
【文档编号】H03F1/02GK103701412SQ201310756100
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】程鹏志, 范颖鹏, 孙卫罡, 王文申 申请人:天津朗波微电子有限公司