[发明专利]一种基于匹配共享增益可控的并联型射频功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种射频功率放大器，特别是涉及应用于短距离通信系统中的射频功率放大器及其实现方法。

背景技术

近年来，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)射频功率放大器已经得到广泛应用。今天，效率提高技术和功率可控技术越来越成为全集成CMOS收发芯片的关注热点。

但是，随着MOS管沟道长度的不断缩小，将意味着工作电压和输出功率的下降。为了能在一个低工作电压下获得大的输出功率，传统做法是采取多级级联，多级级联存在以下问题：稳定性变差；级间匹配网络设计困难；功率控制较难完成；输出功率难以做高，所以目前采用的最新技术是并联型功率放大器。

对于并联型功率放大器，为满足高功率输出，一般采用功率合成方式。对于功率合成，通常采用变压器、微带耦合器以及巴伦电路三种技术实现功率合成。对于变压器合成技术，在大功率输出(如瓦级)得到了广泛应用，但是其占用芯片面积较大；对于微带耦合器，需要较高的加工工艺支持，成本较高；而对于巴伦电路合成技术，即为常见的LC电路，易在片内集成，如图1所示，为一并联型功率放大器电路结构，采用的是巴伦电路合成技术。

此电路对每个差分结构电路单元均做了对应的巴伦电路，这样带来的一个明显的缺点就是：随着差分单元数目的增加，需要的巴伦电路随之增加，特别是片内电感数目的增加，往往片内电感的面积一般都是很大的，这样将占用大量的芯片面积。另外，在图1所示电路，每个差分结构电路单元都有相应的输入匹配，输入匹配电路中用到的电感数目与巴伦电路中的相等，这样，仅仅是电感就占用了功率放大器电路模块的大部分芯片面积，因此成本也会因之而提高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为克服以上不足，减少输入输出匹配网络的复杂度，提供应用范围广、成本低的一种基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器及其实现方法。

技术方案：本发明的基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器是通过以下技术方案实现的：

该放大器包括：

输入匹配级I：由第一电感和第一电容组成的L型匹配电路构成，L型匹配电路结构形式为：第一电感与后面连接的中间级II并联，第一电容与后面连接的中间级II串联，且在第一电感两端并联第二微调电容阵列；

输出匹配级III：由实现双端转单端功能的巴伦电路构成，巴伦电路由第二电感和第三电容组成，且在巴伦电路的差分输入端并联第三电感；

中间级II：由N个不同宽长比的差分结构电路单元并联构成，其输入端为输入匹配级I的输出端，输出端为输出匹配级III的输入端；

动态电压偏置电路IV：由电压转换器电路构成，为单输入-多输出结构形式，单输入端接基准电压，N个独立输出电路的输出端分别与中间级II的N个差分结构电路单元连接，其N个输出V_{bias_1}-V_{bias_N}分别为中间级II的N个差分结构电路单元提供偏置电压。

基于匹配共享、增益可控的并联型射频功率放大器的实现方法包括如下步骤：

步骤1).首先，设计输入匹配网络I，采用传统的L型匹配电路结构，只是在L型匹配电路中的电感两端并联一可调电容阵列；

1.1)首先，在中间级II的N个差分结构电路单元全开启情况下，也即此时对应最大功率输出，设计出对应的标准L型匹配电路，此L型匹配电路由第一电感和第一电容组成，其电路结构形式为：第一电感L_n与后面连接的中间级II并联，第一电容与后面连接的中间级II串联；

1.2)然后，在只有宽长比最小的中间级II差分结构单元单独开启的情况下，也即此时对应最小功率输出，在第一电感L_n两端并联一个电容，在准确频点获得良好的反射系数；

1.3)当输出功率介于最大和最小功率输出值，依据上述步骤1.2)，分别得到对应的并联电容值；

1.4)在不同功率输出要求下，会得到一系列离散电容值，根据系统可提供的数字控制信号线数目，来选取不同值的片选电容。由这些片选电容组成第二微调电容阵列C₁，在数字信号线D₁-D_K的控制下，完成中间级II每种差分结构单元组合方式下的输入共轭匹配，以减少反射损耗，达到最大功率传输；

步骤2)然后，设计输出匹配网络III，采用巴伦电路结构与容性中和技术；

步骤3)其次，设计中间级II，根据输出功率的要求，确定各差分结构电路单元的组合方式；