專利名稱：多頻段無線移動通信系統(tǒng)中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多頻段無線移動通信系統(tǒng)中射頻集成電路技術(shù)和模擬信號處理領(lǐng)域，特別涉及無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線城域網(wǎng)(WiMAX)、高級國際移動通信技術(shù) (IMT-advanced)等多頻段無線移動通信系統(tǒng)的無線收發(fā)機中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電 路的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
隨著無線移動通信技術(shù)的發(fā)展，無線移動通信系統(tǒng)正從2G、3G向3G+、4G方向 發(fā)展，出現(xiàn)了多頻段的通信標(biāo)準(zhǔn)。如WLAN工作在2. 4GHz和5. 2GHz兩個頻段，WiMAX可 以工作在3. 5GHz和2. 5GHz兩個頻段；國際電信聯(lián)盟將最新的4G無線移動通信技術(shù)命 名為IMT-advanced技術(shù)，其工作頻段預(yù)計覆蓋700M_6GHz內(nèi)的幾個頻帶，射頻帶寬為 40M-1OOMHz。在設(shè)計頻帶可重構(gòu)的無線收發(fā)系統(tǒng)芯片時，對無線收發(fā)機中的各種功能模塊提出 了相應(yīng)的要求。做為無線收發(fā)機中耗能最大的模塊，功率放大器(簡稱功放)用于將經(jīng)過 上變頻后的微弱射頻信號進(jìn)行功率放大，并經(jīng)由天線發(fā)出，功率放大器的輸出功率、效率、 線性度等特性指標(biāo)極大地影響了整個無線收發(fā)機系統(tǒng)的應(yīng)用。針對多頻段無線通信系統(tǒng)的 應(yīng)用特點，要求功放模塊在滿足工作頻帶可重構(gòu)的前提下，具有高輸出功率、低功耗、高線 性度等特點。目前在射頻功率放大器的應(yīng)用中，具備工作頻帶重構(gòu)功能的功放模塊一般是將多 個獨立的功放模塊簡單的并聯(lián)在一起，如附圖1所示，其輸入、輸出分別接各自的射頻信號 源和發(fā)射天線，通過選通不同的放大通路來完成相應(yīng)頻率下的功率放大功能。這種結(jié)構(gòu)具 有芯片面積大、功耗大、不易實現(xiàn)芯片全集成等缺點，嚴(yán)重影響了多頻段無線移動通信系統(tǒng) 的應(yīng)用與進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
欲解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對上述多頻段無線移動通信系統(tǒng)對收發(fā)機芯片中功率放大器 模塊的特定功能要求，以兩個工作頻帶為例，提出了一種采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)、應(yīng)用于 多頻段無線移動通信系統(tǒng)中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電路。技術(shù)方案本發(fā)明實現(xiàn)的多頻段無線移動通信系統(tǒng)中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電路，包括 在芯片上集成實現(xiàn)的功放模塊，所述功放模塊包含有輸入匹配單元、輸入級單元、輸出級單 元、輸出匹配單元、偏置單元，其中輸入匹配單元分別與射頻信號源和輸入級單元晶體管的柵極相連，輸入匹配單元 在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)射頻信號源與輸入級單元之間的阻抗匹配；輸入級單元分別與輸入 匹配單元和輸出級單元的放大晶體管的柵極相連，輸入級單元對輸入的射頻信號進(jìn)行預(yù)放大，通過控制可控開關(guān)的通斷狀態(tài)，改變輸入級單元的漏端所接電感的值，以此來改變輸入 級單元漏端的諧振頻率，實現(xiàn)輸入級單元的頻帶可重構(gòu)；具有兩個輸出匹配單元各自的一 端分別連接于輸出級單元的一個共源-共柵分支，每個輸出匹配單元的另一端與發(fā)射天線 連接，用于在輸出級單元和發(fā)射天線之間提供阻抗匹配；偏置單元與輸入級單元、輸出級單 元連接，用于為輸入級單元、輸出級單元的放大晶體管提供固定的偏置電壓。優(yōu)選地，所述輸出級單元采用改進(jìn)的共源-共柵(cascode)電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)包含 有一個共源放大晶體管、兩個共柵晶體管和相應(yīng)的漏端諧振電路，共源放大晶體管作為輸 出級的主功率放大管，其柵極與輸出級單元的輸出端口相連，源級接地，漏極與兩個共柵晶 體管的源級相連；兩個共柵晶體管的柵極分別接控制信號和經(jīng)過反相后的控制信號，漏極 分別接各自的漏端諧振電路；相應(yīng)的漏端諧振電路分別設(shè)計工作在不同的工作頻率；在控 制信號的作用下，用以選擇其中一個共柵晶體管導(dǎo)通，而另一個共柵晶體管截止，則在任一 時刻只有一個輸 出通路工作，只有一個工作頻帶被選通。優(yōu)選地，所述輸入匹配單元、輸出匹配單元是無源元件，所述無源元件為電容、變 容管、電感、開關(guān)電感或變壓器。優(yōu)選地，所述輸入匹配單元是由片上元件組合而成的一個寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，所述輸出匹配單元，是由片上無源元件組成的窄帶匹配電路，其工作頻率 為選通的工作頻帶。優(yōu)選地，所述輸出級單元對經(jīng)過輸入級單元放大后的射頻信號進(jìn)行功率再放大， 在任一時刻只有一個輸出級單元的通路工作。優(yōu)選地，所述輸入匹配單元的寬頻帶為數(shù)百MHz帶寬到數(shù)GHz帶寬的范圍。有益效果本發(fā)明所述頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、面積小、功 能完善、可靠性高等特點。采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的原因是其價格較低，便于實現(xiàn)射頻收發(fā)機 系統(tǒng)的全集成設(shè)計，同時所實現(xiàn)的功放電路性能已能滿足相應(yīng)的無線通信系統(tǒng)的要求。特 別說明，本發(fā)明所述射頻功率放大器結(jié)構(gòu)并不局限在CMOS工藝條件，也可以應(yīng)用到其他射 頻工藝下功率放大器的設(shè)計中。本發(fā)明克服了以往多個單一頻率功放電路簡單并聯(lián)的模 式，使得芯片結(jié)構(gòu)簡單、面積減小、功耗降低，從而降低了成本，更加易于射頻功放電路全集 成的芯片實現(xiàn)。


圖1為常見的雙頻帶射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的雙頻帶射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)原理圖。圖3為本發(fā)明的實施例2中輸入級單元的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及工作原理。本發(fā)明設(shè)計的用于多頻段無線移動通信系統(tǒng)中可重構(gòu)的射頻功率放大器電路結(jié) 構(gòu)如附圖2所示，包含有輸入匹配單元1、輸入級單元2、輸出級單元3、輸出匹配單元4、多個偏置單元5，上述各單元電路的連接關(guān)系為輸入匹配單元1分別與射頻信號源Vin和輸 入級單元2的晶體管柵極相連，輸入級單元2分別與輸入匹配單元1和輸出級單元3的共 源晶體管的柵極相連，輸出級單元3與輸入級單元2和相應(yīng)的輸出匹配單元4相連，兩個輸 出匹配單元4分別與各自對應(yīng)的輸出級單元3的共源-共柵(cascode)分支和發(fā)射天線相 連；其中 所述輸入匹配單元1由片上元件組合而成一個寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，用于在很寬的頻帶 范圍內(nèi)實現(xiàn)射頻信號源和輸入級單元2之間的阻抗匹配，并提供平坦的增益；所述輸入級單元2含有可控開關(guān)SW、第一電感L21、第二電感L22、電阻R2、晶體管 M2、級間電容C3,第一電感L21與第二電感L22串聯(lián)連接，第一電感L21的一端與電源VDD的正 端連接；第二電感L22的一端與晶體管M2的漏極端連接；晶體管M2的柵極端與電阻R2的一 端和輸入匹配單元1的輸出端連接，漏極端與第二電感L22的一端連接，源極端與電源VDD 的地端連接；可控開關(guān)SW的一端與第一電感L21與第二電感L22的節(jié)點連接，可控開關(guān)SW 的另一端與電源VDD的正端連接；級間電容C3分別與輸出級單元3的輸入端、第二電感L22 的一端和晶體管M2的漏極端連接；所述輸入級單元2用于將射頻信號源Vin的輸入信號進(jìn) 行預(yù)放大，通過控制可控開關(guān)SW的通斷，可以改變輸入級單元2漏端所接電感的值(L22或 L21+L22)，以此來改變輸入級單元2的諧振工作頻率，實現(xiàn)輸入級單元2的工作頻帶可重構(gòu)功 能。所述輸出級單元3用于對經(jīng)過輸入級單元2放大后的射頻信號進(jìn)行再放大，此輸 出級單元3含有一個共源放大晶體管Ml、第一共柵晶體管Mil、第二共柵晶體管M12和相應(yīng) 的第一漏端電感Ln、第二漏端電感L12，還有一個反相器INV、第一電容C1和第二電容C2，第 一漏端電感L11分別與電源VDD的正端和第一共柵晶體管Mll的漏極端連接；第二漏端電感 L12分別與電源VDD的正端和第二共柵晶體管M12的漏極端連接；第一共柵晶體管Mll的源 極端和第二共柵晶體管M12的源極端分別與共源放大晶體管Ml的漏極端連接，第一共柵晶 體管Mll和第二共柵晶體管M12的柵極端分別與反相器INV的兩端連接；共源放大晶體管 Ml的柵極端與電阻R1的一端和輸入級單元2的輸出端連接；第一電容C1和第二電容C2各 自的一端分別與第一漏端電感L11和第二漏端電感L12的一端及第一共柵晶體管Mll和第二 共柵晶體管M12的漏極端連接。由共源放大晶體管Ml、第一共柵晶體管Mil、第一漏端電感 Ln、第一電容Cl組成的第一共源-共柵分支和由共源放大晶體管Ml、第二共柵晶體管M12、 第二漏端電感L12、第二電容C2組成的第二共源_共柵分支分別設(shè)計工作在不同的工作頻 率。在控制信號Vmt和反相器INV的作用下，可以選擇其中第一共柵晶體管Mll或第二共 柵晶體管M12導(dǎo)通，而第二共柵晶體管M12或第一共柵晶體管Ml 1截止，這樣在任一時刻只 有一個共源_共柵分支被選通，也就是只有一個頻率的功放電路處于工作狀態(tài)，實現(xiàn)輸出 級的工作頻帶可重構(gòu)。所述輸出匹配單元4是由片上無源元件組成，本結(jié)構(gòu)中兩個輸出匹配單元4的輸 入端分別與輸出級單元3的第一電容C1和第二電容C2連接；用于在輸出級單元3和發(fā)射天 線A和發(fā)射天線B之間提供阻抗匹配，兩個輸出匹配單元分別對應(yīng)于不同的共源_共柵分 支，工作在不同的工作頻帶。兩個偏置單元5用于分別為輸入級單元2的共源放大晶體管M2、輸出級單元3的 共源放大晶體管Ml提供固定的偏置電壓。
采用本發(fā)明的多頻段射頻功率放大器電路(以雙頻帶電路為例)，當(dāng)要求工作于某一個工作頻率f 1時，控制信號Vmt為高，此時可控開關(guān)SW閉合，輸入級單元2的漏端電感 為L22，第二漏端電感L22和級間電容C3諧振工作頻率為fl ；在輸出級單元3，第一共柵晶體 管Mll導(dǎo)通、第二共柵晶體管M12截止，此時只有設(shè)計工作頻率為fl的輸出通路導(dǎo)通。當(dāng) 要求工作于另一個工作頻率f2時，控制信號Vmt為低，可控開關(guān)SW打開，此時輸入級單元2 的漏端電感為(L21+L22)，(L21+L22)和級間電容C3諧振工作頻率為f2 ；而在輸出級單元3，第 二共柵晶體管M12導(dǎo)通、第一共柵晶體管Mll截止，此時只有工作頻率為f2的輸出通路導(dǎo) 通?？傊ㄟ^對控制信號Vmt值的選擇，可以實現(xiàn)功放電路在不同工作頻帶之間的狀態(tài)切 換。采用本發(fā)明的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，在控制 信號V-和反相器INV、可控開關(guān)SW等的作用下，可以實現(xiàn)功放電路在不同頻帶之間的狀態(tài) 切換，達(dá)到工作頻帶可重構(gòu)的功能。同時，整個功放電路的電源VDD通過片上電感為各放大 晶體管提供電源電壓。下面進(jìn)一步說明本發(fā)明技術(shù)方案的實施方式，各實施例分別說明如下實施例1本發(fā)明的輸入匹配單元1實施例如圖2中所示，可以在數(shù)百MHz頻帶到數(shù)GHz的 頻帶范圍內(nèi)(如200MHz帶寬、IGHz帶寬、3GHz帶寬、7GHz帶寬等，不再贅述)實現(xiàn)射頻信號 源與輸入級單元2之間的阻抗匹配，并提供平坦的增益；本發(fā)明的輸入級單元2實施例結(jié)構(gòu)如圖2中所示，由晶體管M2、第一電感L21、第二 電感L22、可控開關(guān)SW、電容C3、偏置單元5、電阻R2組成共源極放大電路，用于將經(jīng)過匹配后 的輸入射頻信號進(jìn)行預(yù)放大。通過控制可控開關(guān)SW的通斷狀態(tài)，以選擇輸入級單元2漏端 所接電感的值(L22或L21+L22)，改變了漏端電感與電容C3的諧振頻率，從而改變輸入級單元 2的工作頻率，實現(xiàn)輸入級單元2的工作頻帶可重構(gòu)功能。本發(fā)明的輸出級單元3實施例結(jié)構(gòu)如圖2中所示，由第一共源放大晶體管Ml、第 一共柵晶體管Mil、第二共柵晶體管M12、第一漏端電感L11、第二漏端電感L12、反相器INV、 第一電容C1、第二電容C2、偏置單元5、電阻R1組成了一個改進(jìn)的共源-共柵放大結(jié)構(gòu)，對經(jīng) 過輸入級單元放大后的射頻信號進(jìn)行功率再放大。由共源放大晶體管Ml、第一共柵晶體管 Mil、第一漏端電感Ln、第一電容Cl組成的第一共源-共柵分支和由共源放大晶體管Ml、第 二共柵晶體管M12、第二漏端電感L12、第二電容C2組成的第二共源_共柵分支分別設(shè)計工 作在不同的工作頻率。在控制信號Vmt和反相器INV的作用下，可以選擇其中第一共柵晶 體管Ml 1或第二共柵晶體管M12導(dǎo)通，而第二共柵晶體管M12或第一共柵晶體管Ml 1截止， 這樣在任一時刻只有一個共源_共柵分支被選通，也就是只有一個頻率的功放電路處于工 作狀態(tài)，實現(xiàn)輸出級的工作頻帶可重構(gòu)。本發(fā)明的輸出匹配單元4實施例如圖2中所示，它們是窄帶匹配電路，用于將輸出 級單元3的輸出阻抗匹配到相應(yīng)的發(fā)射天線上；本發(fā)明的偏置電壓電路實施例如圖2中所示，其作用是分別為輸入級單元2、輸出 級單元3的共源放大晶體管提供相應(yīng)的偏置電壓。整個頻帶可重構(gòu)的雙頻射頻功率放大器的工作過程為當(dāng)功放工作于某一個頻帶 Π時，控制信號Vmt設(shè)為高，此時可控開關(guān)SW閉合，輸入級單元2的電感為L22，第二電感L22和級間電容C3諧振在fl ；在輸出級單元3，第一共柵晶體管Mil導(dǎo)通、第二共柵晶體管M12截止，相應(yīng)的輸出匹配單元4諧振在f 1頻帶，經(jīng)過相應(yīng)的天線A向外發(fā)射頻率為f 1的射頻 信號。當(dāng)功放工作于另一個工作頻帶f2時，控制信號Vmt設(shè)為低，此時可控開關(guān)SW打開， 輸入級單元2的電感為(L21+L22)，(L21+L22)和級間電容C3諧振在f2 ；而在輸出級單元3，第 二共柵晶體管M12導(dǎo)通、第一共柵晶體管Mll截止，相應(yīng)的輸出匹配單元4諧振在f2頻帶， 經(jīng)過相應(yīng)的天線B向外發(fā)射頻率為f2的射頻信號?？傊ㄟ^對控制信號Vmt值的設(shè)定，實現(xiàn)了功放電路在不同頻帶之間的狀態(tài)切 換，達(dá)到工作頻帶可重構(gòu)的功能。實施例2本實施例采用的功放電路結(jié)構(gòu)，其中輸入匹配單元1、輸出級單元3、輸出匹配單 元4、偏置單元5均與實施例1相同，在此不再重述。本實施例與實施例1的唯一差別在于， 輸入級晶體管M2漏端電感的選擇不是由如圖2所示的第一電感L21、第二電感L22以及可控 開關(guān)SW的組合來完成，而是由一個開關(guān)電感、兩個可控開關(guān)以及一個反相器來完成，如附 圖3所示。本實施例中，輸入級單元2含有開關(guān)電感L2、可控開關(guān)SW1、SW2、反相器INV2、電 阻R2、晶體管M2、級間電容C3,開關(guān)電感L2的一端與晶體管M2的漏極端相連，一端與可控開 關(guān)SW2相連，中間抽頭與可控開關(guān)SWl相連；可控開關(guān)SWl的一端與電源VDD的正端連接， 另一端與開關(guān)電感的中間抽頭相連，其控制端接控制信號Vmt ；可控開關(guān)SW2的一端與電源 VDD的正端連接，另一端與開關(guān)電感的一端相連，其控制端接控制信號Vmt經(jīng)過反相器INV2 后的輸出；晶體管M2的柵極端與電阻&的一端和輸入匹配單元1的輸出端連接，漏極端與 電感L2的一端連接，源極端與電源VDD的地端連接；級間電容C3分別與輸出級單元3的輸 入端、電感L2的一端和晶體管M2的漏極端連接。所述輸入級單元2用于將射頻信號源Vin 的輸入信號進(jìn)行預(yù)放大，通過控制可控開關(guān)SW1、SW2的通斷，可以改變輸入級單元2漏端所 接電感L2的值，以此來改變輸入級單元2的工作頻率，實現(xiàn)輸入級單元2的工作頻帶可重 構(gòu)功能。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種多頻段無線移動通信系統(tǒng)中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電路，其特征在于，所述功率放大器由片上集成器件實現(xiàn)，包含有輸入匹配單元、輸入級單元、輸出級單元、輸出匹配單元、偏置單元，其中輸入匹配單元分別與射頻信號源和輸入級單元晶體管的柵極相連，輸入匹配單元在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)射頻信號源與輸入級單元之間的阻抗匹配；輸入級單元分別與輸入匹配單元和輸出級單元的放大晶體管的柵極相連，輸入級單元對輸入的射頻信號進(jìn)行預(yù)放大，通過控制可控開關(guān)的通斷狀態(tài)，改變輸入級單元的漏端所接電感的值，以此來改變輸入級單元漏端的諧振頻率，實現(xiàn)輸入級單元的頻帶可重構(gòu)；具有兩個輸出匹配單元各自的一端分別連接于輸出級單元的一個共源-共柵分支，每個輸出匹配單元的另一端與發(fā)射天線連接，用于在輸出級單元和發(fā)射天線之間提供阻抗匹配；偏置單元與輸入級單元、輸出級單元連接，用于為輸入級單元、輸出級單元的放大晶體管提供固定的偏置電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸出 級單元采用改進(jìn)的共源-共柵電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)包含有一個共源放大晶體管、兩個共柵晶 體管和相應(yīng)的漏端諧振電路，共源放大晶體管作為輸出級的主功率放大管，其柵極與輸出 級單元的輸出端口相連，源級接地，漏極與兩個共柵晶體管的源級相連；兩個共柵晶體管的 柵極分別接控制信號和經(jīng)過反相后的控制信號，漏極分別接各自的漏端諧振電路；相應(yīng)的 漏端諧振電路分別設(shè)計工作在不同的工作頻率；在控制信號的作用下，用以選擇其中一個 共柵晶體管導(dǎo)通，而另一個共柵晶體管截止，則在任一時刻只有一個輸出通路工作，只有一 個工作頻帶被選通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸入 匹配單元、輸出匹配單元采用了無源元件，所述無源元件為電容、變?nèi)莨堋㈦姼?、開關(guān)電感或 變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸入 匹配單元是由片上元件組合而成的一個寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸出 匹配單元，是由片上無源元件組成的窄帶匹配電路，其工作頻率為選通的工作頻帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸出 級單元對經(jīng)過輸入級單元放大后的射頻信號進(jìn)行功率再放大，在任一時刻只有一個輸出級 單元的通路工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻帶可重構(gòu)的射頻功率放大器電路，其特征在于，所述輸入 匹配單元的寬頻帶為數(shù)百MHz帶寬到數(shù)GHz帶寬的范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及多頻段無線移動通信系統(tǒng)中頻帶可重構(gòu)的功率放大器電路，屬于射頻集成電路技術(shù)和模擬信號處理領(lǐng)域。該功率放大器電路包括輸入級單元、輸出級單元、輸入匹配單元、輸出匹配單元、偏置單元，其中，輸入匹配單元分別與射頻信號源和輸入級單元的柵極相連，輸入級單元分別與輸入匹配單元和輸出級單元相連，輸出級單元分別與輸入級單元和對應(yīng)于不同諧振頻率的輸出匹配單元電路相連，輸出匹配單元分別與輸出級單元和相應(yīng)的發(fā)射天線相連，偏置單元分別為輸入級單元、輸出級單元的放大管提供偏置電壓；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多頻段無線移動通信系統(tǒng)中不同頻段射頻信號的功率放大功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善等特點。
文檔編號H03F3/20GK101867347SQ200910081998
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者楊海鋼, 高同強 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所