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CN112865709A - 一种功放合路装置及功放电路 - Google Patents

一种功放合路装置及功放电路 Download PDF

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CN112865709A CN201911195514.6A CN201911195514A CN112865709A CN 112865709 A CN112865709 A CN 112865709A CN 201911195514 A CN201911195514 A CN 201911195514A CN 112865709 A CN112865709 A CN 112865709A
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Abstract

本发明实施例公开一种功放合路装置及功放电路，该功放合路装置包括信号处理单元和n个功放单元，n为大于1的整数，其中：信号处理单元分别耦合n个功放单元的输入端，n个功放单元的输出端分别耦合负载；信号处理单元，用于在功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，控制第一功放单元工作，在输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，控制第一功放单元至第i+1功放单元工作，在输出功率大于或等于第n‑1阈值的情况下，控制n个功放单元工作，i＝1,…,n‑2，第一阈值、…、第n‑1阈值依次增加。本发明实施例，可以降低功放单元的功耗。

Description

一种功放合路装置及功放电路
技术领域
本发明实施例涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种功放合路装置及功放电路。
背景技术
为了提高输出功率，可以将多个功放单元并联连接，即将多个功放单元的输入连接在一起、将多个功放单元的输出连接在一起以及将多个功放单元的偏置电压设置为同一值。多个功放单元并联后的输出功率为多个功放单元中每个功放单元的输出功率之和，从而可以提高输出功率。然而，在所需输出功率较小的情况下，每个功放单元的输出功率小于单个功放单元的最大输出功率，降低了功放单元的转换效率，以致功放单元的功耗较大。
发明内容
本发明实施例公开了一种功放合路装置及功放电路，用于降低功放单元的功耗。
第一方面公开一种功放合路装置，包括信号处理单元和n个功放单元，信号处理单元分别耦合n个功放单元的输入端，n个功放单元的输出端分别耦合负载，信号处理单元，用于在功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，控制第一功放单元工作，在输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，控制第一功放单元至第i+1功放单元工作，在输出功率大于或等于第n-1阈值的情况下，控制n个功放单元工作。n为大于1的整数。i＝1,…,n-2，第一阈值、…、第n-1阈值依次增加。由于在所需输出功率较小时，较少数量的功放单元就可以提供所需输出功率，在所需输出功率较大时，增加工作的功放单元的数量，以便可以提供多出来的所需输出功率。因此，随着所需输出功率的增大，增加功放单元工作的数量，可以提高功放单元的转换效率，从而可以降低功放单元的功耗。
作为一种可能的实施方式，n个功放单元的输出端分别通过匹配网络耦合负载，以便可以保证阻抗匹配。
作为一种可能的实施方式，信号处理单元还用于为n个功放单元提供射频激励信号。可以在很小的功率等级内控制射频激励信号的幅度和相位，因此，信号处理单元的带宽较宽，且功耗较低。
作为一种可能的实施方式，信号处理单元还用于为n个功放单元提供偏置电压，可以提高信号处理单元的控制力。
作为一种可能的实施方式，第一功放单元、…、第n功放单元的偏置电压依次降低。这种偏置电压的配置，配合信号处理单元输出相应的射频激励信号，可以实现随着功放合路装置的输出功率的增加n个功放单元逐渐工作，从而可以降低功放单元的功耗。
作为一种可能的实施方式，第一功放单元、…、第n功放单元的偏置电压保持不变。由于不需要根据功放合路装置的输入信号的包络变化而调整功放单元的偏置状态，因此，即使功放单元中的功率管的尺寸较大以及寄生参数较大也不会导致信号处理单元增加额外的功耗，从而对功率管的尺寸和类型无严格要求。
作为一种可能的实施方式，第一阈值为第一功放单元的最大输出功率，第j阈值为第j-1阈值与第j功放单元的最大输出功率的和，j＝2,…,n-1。
第二方面公开一种功放电路，该功放电路可以包括两个功放支路，这两个功放支路中的至少一个功放支路为第一方面或第一方面任一实施方式公开的功放合路装置。
作为一种可能的实施方式，该功放电路可以为多尔蒂(Doherty)功放，也可以为希雷(Chireix)功放，还可以为异相(Outphasing)功放，还可以为其它具有同等功能的功放电路。
附图说明
图1是本发明实施例公开的一种功放合路装置的结构示意图；
图2是本发明实施例公开的一种不同数量功放单元工作对应的功放合路装置的输出功率的示意图；
图3是本发明实施例公开的另一种功放合路装置的结构示意图；
图4是本发明实施例公开的一种信号处理单元为n个功放单元提供的射频激励信号与偏置电压的示意图；
图5是本发明实施例公开的又一种功放合路装置的结构示意图；
图6是本发明实施例公开的另一种不同数量功放单元工作对应的功放合路装置的输出功率的示意图；
图7是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的阻抗的示意图；
图8是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的输出功率和漏极效率的示意图；
图9是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的射频激励信号的幅度差和相位差的示意图；
图10是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与阻抗的示意图；
图11是本发明实施例公开的一种史密斯圆图中功放单元的负载牵引路径的示意图；
图12是本发明实施例公开的一种功放电路的结构示意图；
图13是本发明实施例公开的一种传统的Doherty功放的结构示意图；
图14是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放的结构示意图；
图15是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与增益和漏极效率的示意图；
图16是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与增益和PAE的示意图；
图17是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与功放单元的输出功率和漏极效率的示意图；
图18是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与合路点和功放单元的阻抗的示意图；
图19是本发明实施例公开的一种史密斯圆图中新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的功放单元的负载牵引路径的示意图；
图20是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的功放单元的射频激励信号的幅度差和相位差的示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种功放合路装置及功放电路，用于降低功放单元的功耗。以下分别进行详细说明。
为了更好地理解本发明实施例公开的一种功放合路装置及功放电路，下面先对本发明实施例的应用场景进行描述。请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种功放合路装置的结构示意图。如图1所示，为了实现输出功率更大的功放，可以将n个功放单元，即功放单元T1、功放单元T2、…、功放单元Tn，的输入连接在一起，可以将这n个功放单元的输出连接在一起，以及将这n个功放单元的偏置电压设置为同一值，即偏置电压Vg1＝Vg2＝…＝Vgn，即将n个功放单元并联连接。假设负载的阻抗为Ropt，功放合路装置的最大输出功率为Popt。n为大于1的整数。功放单元T1、功放单元T2、…、功放单元Tn中每个功放单元在它们的输出端连接处，即合路点，的阻抗为nRopt。在所需输出功率为Popt/2的情况下，可以是n个功放单元工作，每个功放单元的输出功率为Popt/2n；也可以是n/2个功放单元工作，每个功放单元的输出功率为Popt/n。请参阅图2，图2是本发明实施例公开的一种不同数量功放单元工作对应的功放合路装置的输出功率的示意图。如图2所示，在功放合路装置中不同数量的功放单元工作虽然均可以达到相同的输出功率，但是工作的功放单元越少，每个功放单元的输出功率越大，峰值效率越高，即转换效率越高，功耗越低。因此，在功放合路装置包括的功放单元数量一定的情况下，如何提高功放单元的转换效率，以便降低功放单元的功耗已成为一个亟待解决的技术问题。
请参阅图3，图3是本发明实施例公开的另一种功放合路装置的结构示意图。如图3所示，该功放合路装置可以包括信号处理单元和n个功放单元，n为大于1的整数，其中：
信号处理单元分别耦合n个功放单元的输入端，n个功放单元的输出端分别耦合负载；
信号处理单元，用于在功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，控制第一功放单元T1工作，在功放合路装置的输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，控制第一功放单元T1至第i+1功放单元Ti+1工作，在功放合路装置的输出功率大于或等于第n-1阈值的情况下，控制n个功放单元T1、T2、…、Tn工作，i＝1,…,n-2，第一阈值、…、第n-1阈值依次增加。
如图3所示，n个功放单元T1、T2、…、Tn并没有并联连接，信号处理单元可以控制n个功放单元的工作或不工作。在该功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，第一功放单元T1工作就能够提供该功放合路装置所需输出功率，因此，可以控制第一功放单元T1工作，以及控制其余功放单元不工作。在该功放合路装置的输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，第一功放单元T1至第i+1功放单元Ti+1工作能够提供该功放合路装置所需输出功率，因此，可以控制第一功放单元T1至第i+1功放单元Ti+1工作，以及控制其余功放单元不工作。在该功放合路装置的输出功率大于或等于第n-1阈值的情况下，需要n个功放单元全部工作才能提供该功放合路装置所需输出功率，因此，可以控制n个功放单元工作。例如，n＝4时，在该功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，可以控制第一功放单元T1工作，以及控制第二功放单元T2、第三功放单元T3和第四功放单元T4不工作。在该功放合路装置的输出功率大于或等于第一阈值且小于第二阈值的情况下，可以控制第一功放单元T1和第二功放单元T2工作，以及控制第三功放单元T3和第四功放单元T4不工作。在该功放合路装置的输出功率大于或等于第二阈值且小于第三阈值的情况下，可以控制第一功放单元T1、第二功放单元T2和第三功放单元T3工作，以及控制第四功放单元T4不工作。在该功放合路装置的输出功率大于或等于第三阈值的情况下，可以控制第一功放单元T1、第二功放单元T2、第三功放单元T3和第四功放单元T4工作。功放单元可以是一个功率放大器件，如金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)管，也可以是由多个器件组成的具有功率放大功能的单元。功放合路装置的输出功率即功放合路装置的射频输出功率。
在一个实施例中，n个功放单元的输出端分别通过匹配网络耦合负载，即匹配网络分别耦合n个功放单元的输出端和负载。n个功放单元的输出端是先连接在一起之后再与匹配网络进行连接的，即n个功放单元的输出端是连接在一起的，以便该功放合路装置的输出功率等于这n个功放单元的输出功率之和。匹配网络可以保证阻抗匹配。
在一个实施例中，信号处理单元还用于为n个功放单元提供射频激励信号。
信号处理单元可以为n个功放单元提供射频激励信号，这n个功放单元的射频激励信号可以均相同，也可以均不同，还可以部分相同部分不同，在此不加限定。在n个功放单元的射频激励信号包括m个不同的射频激励信号的情况下，信号处理单元可以包括m个控制通路，这m个控制通路可以是相互独立的，即这m个控制通路相互之间无连接，每个控制通路分别生成一个射频激励信号，一个射频激励信号可以作为一个功放单元的射频激励信号，也可以作为多个功放单元的射频激励信号，在此不加限定。信号处理单元也可以包括一路控制通路，但这路控制通路可以包括m个支路，每个支路生成一个射频激励信号。m为大于1且小于或等于n的整数。
在一个实施例中，信号处理单元，还用于为n个功放单元提供偏置电压。
信号处理单元还可以为n个功放单元提供偏置电压，这n个功放单元的偏置电压可以均相同，也可以均不同，还可以部分相同部分不同，在此不加限定。在n个功放单元的偏置电压包括m个不同的偏置电压的情况下，信号处理单元可以包括m个控制通路，这m个控制通路可以是相互独立的，即这m个控制通路相互之间无连接，每个控制通路分别生成一个偏置电压，一个偏置电压可以作为一个功放单元的偏置电压，也可以作为多个功放单元的偏置电压，在此不加限定。信号处理单元也可以包括一路控制通路，但这路控制通路可以包括m个支路，每个支路生成一个偏置电压。
在一个实施例中，第一功放单元、…、第n功放单元的偏置电压依次降低。
在一个实施例中，第一功放单元、…、第n功放单元的偏置电压保持不变。
在n个功放单元的射频激励信号均相同的情况下，为了保证n个功放单元分别在不同的阈值范围内工作，n个功放单元的偏置电压均不同。请参阅图4，图4是本发明实施例公开的一种信号处理单元为n个功放单元提供的射频激励信号与偏置电压的示意图。如图4所示，第一功放单元T1的偏置电压Vg1、第二功放单元T2的偏置电压Vg2、…、第n功放单元Tn的偏置电压Vgn依次降低，n个功放单元的射频激励信号相同，射频激励信号的幅度处于不同阈值范围内时，工作的功放单元的数量不同。此外，功放单元的偏置电压可以不随射频激励信号的变化而变化。
在一个实施例中，第一阈值为第一功放单元的最大输出功率，第j阈值为第j-1阈值与第j功放单元的最大输出功率的和，j＝2,…,n-1。
每个功放单元的最大输出功率，即最大射频输出功率，是固定不变的，不会随着使用场景的不同发生变化。n个功放单元的最大输出功率可以均相同，也可以均不同，还可以部分相同部分不同，在此不加限定。第一阈值可以为第一功放单元的最大输出功率，第二阈值可以为第一阈值与第二功放单元的最大输出功率的和，…，第n-1阈值为第n-2阈值与第n-1功放单元的最大输出功率的和。n个功放单元的最大输出功率包括m个不同的最大输出功率的情况下，第一功放单元可以是n个功放单元的最大输出功率中最大输出功率最大的功放单元，也可以是n个功放单元的最大输出功率中最大输出功率最小的功放单元，还可以是其它功放单元，在此不加限定。
由于功放合路装置的输出功率与功放合路装置的输入功率的比值为功放合路装置的增益。因此，信号处理单元在功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，控制第一功放单元工作，在输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，控制第一功放单元至第i+1功放单元工作，在输出功率大于或等于第n-1阈值的情况下，控制n个功放单元工作，即在功放合路装置的输入功率小于第一阈值与A的比值的情况下，控制第一功放单元工作，在功放合路装置的输入功率大于或等于第i阈值与A的比值且小于第i+1阈值与A的比值的情况下，控制第一功放单元至第i+1功放单元工作，在功放合路装置的输入功率大于或等于第n-1阈值与A的比值的情况下，控制n个功放单元工作。A为功放合路装置的增益。
请参阅图5，图5是本发明实施例公开的又一种功放合路装置的结构示意图。如图5所示，该功放合路装置可以包括两个功放单元，这两个功放单元的偏置电压不同。请参阅图6，图6是本发明实施例公开的另一种不同数量功放单元工作对应的功放合路装置的输出功率的示意图。如图6所示，当功放合路装置的输入信号的幅度较小时，功放单元T1处于工作状态，功放单元T2的射频激励信号较小，功放单元T2处于非工作状态，即关闭状态，或处于输出功率很小的状态。随着功放合路装置的输入信号的幅度增大，功放单元T2的射频激励信号逐渐增大，直至功放单元T2的输出功率不再增加，在功放单元T1与功放单元T2完全相同的情况下，即直至功放单元T2的输出功率与功放单元T1的输出功率相同。可见，图5对应的功放合路装置，即本发明，与AB类功放相比，在保持最大输出功率的同时，回退效率可以平均提升5％以上。请参阅图7，图7是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的阻抗的示意图。如图7所示，当功放合路装置的输入信号的幅度较小时，功放单元T1工作，功放单元T2不工作，功放单元T1的阻抗较小，功放单元T2的阻抗很大，随着功放合路装置的输入信号的幅度增大，功放单元T1和功放单元T2均工作，功放单元T1的阻抗变大，功放单元T2的阻抗变小。请参阅图8，图8是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的输出功率和漏极效率的示意图。如图8所示，在功放合路装置的输出功率小于33dBm时，本发明只有功放单元T1有输出功率，此时本发明对应的功放合路装置的负载牵引比相对于AB类功放的负载牵引比小3dB，本发明对应的功放合路装置中功放单元的漏极效率比AB类功放的漏极效率高。请参阅图9，图9是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与功放单元的射频激励信号的幅度差和相位差的示意图。如图9所示，本发明对应的功放合路装置中的两个功放单元的相位差是固定不变的，即不随功放合路装置的输出功率的变化而变化，本发明对应的功放合路装置中的两个功放单元的射频激励信号的幅度差随着功放合路装置的输出功率的增大而增大。AB类功放中，两个功放单元的幅度差和相位差是固定不变的，即不随功放合路装置的输出功率的变化而变化。请参阅图10，图10是本发明实施例公开的一种功放合路装置的输出功率与阻抗的示意图。如图10所示，本发明对应的功放合路装置中两个功放单元的合路点与AB类功放的合路点的阻抗均不随功放合路装置的输出功率的变化而变化。本发明中对应的功放合路装置的输出功率小于33dBm时，只有功放单元T1工作，负载牵引比相比AB类功放的两个功放单元小3dB，直到大于33dBm后功放单元T2开始工作时负载牵引比才开始变高，接近于AB类功放的负载牵引，而AB类功放的两个功放单元的负载牵引比则一直恒定，且相对较大。请参阅图11，图11是本发明实施例公开的一种史密斯圆图中功放单元的负载牵引路径的示意图。如图11所示，本发明中功放合路装置包括的功放单元T1与功放单元T1的负载牵引路径不同，且是变化的，而AB类功放中两个功放单元的负载牵引路径相同且不会变化。
请参阅图12，图12是本发明实施例公开的一种功放电路的结构示意图。如图12所示，该功放电路可以包括两个功放支路，即第一功放支路和第二功放支路，这两个功放支路的输出端连接之后耦合负载，即这两个功放支路分别耦合负载。这两个功放支路中的至少一个功放支路为图3所示的功放合路装置。该功放电路可以为Doherty功放，也可以为Chireix功放，还可以为Outphasing功放，还可以为其它具有同等功能的功放。
请参阅图13，图13是本发明实施例公开的一种传统的Doherty功放的结构示意图。如图13所示，传统的Doherty功放包括主(main)路和辅(peak)路两个功放支路。主路包括两个功放单元，即功放单元m1和功放单元m2，这两个功放单元的偏置电压相同，这两个功放单元的射频激励信号也相同。辅路包括两个功放单元，即功放单元p1和功放单元p2，这两个功放单元的射频激励信号相同，这两个功放单元的偏置电压也相同。主路通过λ/4连接线分别与辅路和负载耦合。请参阅图14，图14是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放的结构示意图。如图14所示，该Doherty功放的主路由图4所示的功放合路装置替换得到，替换后的主路的两个功放单元的射频激励信号不同，替换后的主路的两个功放单元的偏置电压也不同。请参阅图15，图15是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与增益和漏极效率的示意图。请参阅图16，图16是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与增益和功率附加效率(poweradded efficiency，PAE)的示意图。如图15和图16所示，新型的Doherty功放与传统的Doherty功放相比可以获得更高的回退效率，归一化之前其在回退8dB时效率可以提升10％，PAE也有7％的提升，按照回退率归一化后可以获得更高的漏极效率和PAE。请参阅图17，图17是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与功放单元的输出功率和漏极效率的示意图。如图17所示，在Doherty功放的输出功率小于33dBm时，新型的Doherty功放的主路只有一个功放单元m1工作，此时新型的Doherty功放中功放单元的负载牵引比传统的Doherty功放中AB类功放单元的负载牵引比小3dB，新型的Doherty功放中功放单元的漏极效率比传统的Doherty功放中漏极效率约高10～15％，但是由于主路的功放单元m2的接入造成的损耗，新型的Doherty功放的合路效率只比传统的Doherty功放的合路效率约高7～10％。新型的Doherty功放的主路的功放单元m1的输出功率为传统的Doherty功放的主路两个功放单元的输出功率之和。新型的Doherty功放的主路的功放单元m1的负载牵引比相比传统的Doherty功放的主路的两个功放单元更小，因此，漏极效率更高。请参阅图18，图18是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的输出功率与合路点和功放单元的阻抗的示意图。如图18所示，新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的合路点的负载相同，新型的Doherty功放的主路的功放单元m1在小于33dBm时负载牵引比相比传统的Doherty功放的主路的两个功放单元小3dB，直到大于33dBm，新型的Doherty功放的主路的功放单元m2开始工作时负载牵引比才开始变高，在输出功率为34dBm时接近于传统的Doherty功放，而传统的Doherty功放的主路的两个功放单元的负载牵引比在小于34dBm时一直恒定不变。请参阅图19，图19是本发明实施例公开的一种史密斯圆图中新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的功放单元的负载牵引路径的示意图。如图19所示，传统的Doherty功放的主路的两个功放单元的负载牵引路径相同，传统的Doherty功放的辅路的两个功放单元的负载牵引路径相同。新型的Doherty功放的主路的功放单元m1和功放单元m2的负载牵引路径不同，新型的Doherty功放的辅路的两个功放单元的负载牵引路径相同。请参阅图20，图20是本发明实施例公开的一种新型的Doherty功放和传统的Doherty功放的功放单元的射频激励信号的幅度差和相位差的示意图。如图20所示，新型的Doherty功放的功放单元的射频激励信号的相位差不随输出功率的变化而变化，新型的Doherty功放的功放单元的信号幅度差类似于B类或者C类的增益，传统的Doherty功放的功放单元的射频激励信号的幅度差和相位差均不随输出功率的变化而变化。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功放合路装置，其特征在于，包括信号处理单元和n个功放单元，所述n为大于1的整数，其中：
所述信号处理单元分别耦合所述n个功放单元的输入端，所述n个功放单元的输出端分别耦合负载；
所述信号处理单元，用于在所述功放合路装置的输出功率小于第一阈值的情况下，控制第一功放单元工作，在所述输出功率大于或等于第i阈值且小于第i+1阈值的情况下，控制所述第一功放单元至第i+1功放单元工作，在所述输出功率大于或等于第n-1阈值的情况下，控制所述n个功放单元工作，所述i＝1,…,n-2，所述第一阈值、…、所述第n-1阈值依次增加。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述n个功放单元的输出端分别耦合负载包括：
所述n个功放单元的输出端分别通过匹配网络耦合负载。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元，还用于为所述n个功放单元提供射频激励信号。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元，还用于为所述n个功放单元提供偏置电压。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一功放单元、…、第n功放单元的偏置电压依次降低。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一功放单元、…、所述第n功放单元的偏置电压保持不变。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阈值为所述第一功放单元的最大输出功率，所述第j阈值为第j-1阈值与第j功放单元的最大输出功率的和，所述j＝2,…,n-1。
8.一种功放电路，其特征在于，所述功放电路包括两个功放支路，所述两个功放支路中的至少一个功放支路为如权利要求1-7任一项所述的功放合路装置。
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