单输入多输出功率放大器

摘要

一种RF放大器，包括：输入RF链，被配置成接收和处理包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号并且输出第一信号；以及耦合至输入RF链的多个输出RF链，多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在第一频带组中的多个频带中的至少一个频带内的第一信号，其中每个输出RF链包括偏置电路，偏置电路被配置成接收启动信号以启动对在至少一个频带内的第一信号的处理并且输出在至少一个频带内的输出RF信号。

权利要求

1.一种射频RF放大器，包括：

输入RF链，被配置成接收和处理包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号并且输出第一信号，其中所述输入RF链包括第一功率驱动器、第一匹配电路、第二功率驱动器和第二匹配电路；以及多个输出RF链，耦合至所述输入RF链，所述多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在所述第一频带组中的所述多个频带中的至少一个频带内的所述第一信号，其中每个输出RF链包括第三功率驱动器和第三匹配电路，每个输出RF链的所述第三功率驱动器直接耦合至所述输入RF链的所述第二匹配电路。

2.根据权利要求1所述的RF放大器，其中所述多个输出RF链被配置成处理在所述第一频带组中的所述至少一个频带内的所述第一信号并且输出在所述第一频带组内的多个输出RF信号。

3.根据权利要求1所述的RF放大器，其中每个输出RF链包括偏置电路，所述偏置电路被配置成接收启动信号以启动对在所述至少一个频带内的所述第一信号的处理并且输出在所述至少一个频带内的输出RF信号。

4.根据权利要求3所述的RF放大器，其中所述偏置电路被配置成在所述偏置电路接收到所述启动信号时打开所述第三功率驱动器。

5.根据权利要求1所述的RF放大器，还包括：

第二输入RF链，被配置成接收包括第二频带组内的多个频带的所述输入RF信号并且输出第二信号；以及第二多个输出RF链，耦合至所述第二输入RF链，所述第二多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在所述第二频带组中的所述第二多个频带中的至少一个频带内的所述第二信号。

6.根据权利要求5所述的RF放大器，其中所述第二多个输出RF链中的至少两个输出RF链被结合在一起。

7.根据权利要求5所述的RF放大器，其中所述第二输入RF链包括第一功率驱动器和第一匹配电路。

8.根据权利要求7所述的RF放大器，其中所述第二多个输出RF链中的每个输出RF链包括第二功率驱动器、第二匹配电路、第三功率驱动器和第三匹配电路，所述第二多个输出RF链中的每个输出RF链的所述第二功率驱动器耦合至所述第二输入RF链的所述第一匹配电路。

9.一种用于射频放大的装置，包括：

用于接收包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号的部件；

用于处理所述输入RF信号并且输出第一信号的部件，

其中用于处理所述输入RF信号的部件包括第一功率驱动器、第一匹配电路、第二功率驱动器和第二匹配电路；以及多个用于处理和输出的部件，耦合至用于处理所述输入RF信号的部件，每个用于处理和输出的部件被配置成处理在所述第一频带组中的所述多个频带中的至少一个频带内的所述第一信号，其中每个用于处理和输出的部件包括第三功率驱动器和第三匹配电路，其中所述第三功率驱动器直接耦合至用于处理所述输入RF信号的部件的所述第二匹配电路。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括：

用于从所述多个用于处理和输出的部件选择用于处理和输出的部件的部件；以及用于基于所述多个用于处理和输出的部件中的哪个用于处理和输出的部件被选择来调谐用于处理所述输入RF信号的部件的部件。

11.根据权利要求9所述的装置，还包括：

用于增加每个用于处理和输出的部件的输出功率的部件。

12.根据权利要求11所述的装置，其中用于增加输出功率的部件包括用于将至少两个用于处理和输出的部件结合在一起的部件。

13.根据权利要求9所述的装置，其中用于处理所述输入RF信号的部件被配置成接收启动信号，所述启动信号从所述多个用于处理和输出的部件中选择一个用于处理和输出的部件。

14.一种用于射频放大的装置，包括：

输入RF链，被配置成接收和处理包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号并且输出第一信号，其中所述输入RF链包括第一功率驱动器和第一匹配电路；以及

多个输出RF链，耦合至所述输入RF链，所述多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在所述第一频带组中的所述多个频带中的至少一个频带内的所述第一信号，其中每个输出RF链包括第二功率驱动器、第二匹配电路、第三功率驱动器和第三匹配电路，每个输出RF链的所述第二功率驱动器直接耦合至所述输入RF链的所述第一匹配电路。

15.根据权利要求14所述的装置，其中每个输出RF链包括偏置电路和有源增益元件，并且所述偏置电路被配置成接收启动信号并且输出在所述至少一个频带内的输出RF信号。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述有源增益元件被配置成在所述偏置电路接收到所述启动信号时被所述偏置电路打开以处理在所述至少一个频带内的所述第一信号。

说明书

单输入多输出功率放大器

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及功率放大器，并且更具体地涉及具有与多个并行输出RF链直接耦合的单个输入RF链的功率放大器。

背景技术

[0002] 现代移动通信设备被设计为要求它们在尽可能多的移动通信网络中正确地操作。这些网络可以或者可以不在地理上不同，并且可以由多个调制标准来管控并且在多个频带中操作。对于移动通信设备而言满足这一要求的一个方式是包括多个RF信号路径，其中每个RF路径专用于支持给定通信标准和/或频带。

[0003] 移动通信设备的最小化和成本降低的市场压力正在朝着使得独立RF信号路径的数目最小的方法驱动着RF架构。计算能力和数字信号处理的不断增加自然使得能够在单个收发器基带芯片内合并多个调制标准。类似地，CMOS器件性能的改进提供了设计能够在多个频带中操作的RF收发器的能力。然而，目前尚不能实现维持从单个收发器的输出到单个天线的单个RF信号路径，因为高效的RF功率放大器(PA)需要被准确地调谐的窄带高质量匹配网络，之后是用于需要由通信设备来支持的各种频带的不同的带通滤波器。

[0004] 图1示出了由单个收发器借助于单刀多掷(SPMT)开关140来驱动的多个PA 110、120、130。从收发器的输出开始并且持续到天线输入针对每个频带复制整个RF信号路径的这一需要不利于实现成本和物理尺寸的明显降低。

[0005] 图2示出了单个集成PA 210，其之后是耦合至PA的输出(RFo)的SPMT开关230。PA 210包括第三级功率驱动器212、第三级匹配电路214、第二级功率驱动器216、第二级匹配电路218、第一级功率驱动器220和第一级匹配电路222。然而，使用单个变换网络的PA由于变换网络的窄带特性和仔细地调节的电抗元件的组合而不能在多个频率产生高效的RF放大。
一个解决方案是在SPMT开关230之后放置独立的校正电抗元件240、250、260，每个单独的频带RF信号路径有一个网络240、250或260。因此，当被选择时，每个频带RF路径操作为在两级变换网络上终止的PA，其中第一级270在所有频带之间共享，并且第二级280与当前选择的频带唯一地相关联。虽然这一方法实现了在很多频带之间平衡单个PA的目的，但是其具有若干缺点。其中之一是，开关实现需要提供能够容忍这样的电压(例如RFo)的晶体管的专门的高压半导体工艺。

发明内容

[0006] 本公开描述了包括与多个并行输出RF链直接耦合的单个输入RF链的功率放大器(PA)，其中PA操作频带使用启动信号来选择，启动信号控制多个并行输出RF链中的功率驱动器的偏置电路的状态。

[0007] 在一个实施例中，公开了一种射频(RF)放大器。RF放大器包括：输入RF链，被配置成接收和处理包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号并且输出第一信号；以及耦合至输入RF链的多个输出RF链，多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在第一频带组中的多个频带中的至少一个频带内的第一信号，其中每个输出RF链包括偏置电路，偏置电路被配置成接收启动信号以启动对在至少一个频带内的第一信号的处理并且输出在至少一个频带内的输出RF信号。

[0008] 在另一实施例中，公开了一种装置。该装置包括：用于接收包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号的部件；用于处理输入RF信号并且输出第一信号的部件；以及耦合至用于处理输入RF信号的部件的多个用于处理和输出的部件，每个用于处理和输出的部件被配置成处理在第一频带组中的多个频带中的至少一个频带内的第一信号，其中每个用于处理和输出的部件接收启动信号以启动对在至少一个频带内的第一信号的处理并且输出在至少一个频带内的输出RF信号。

[0009] 在又一实施例中，公开了一种装置。该装置包括：输入RF链，被配置成接收和处理包括第一频带组内的多个频带的输入RF信号并且输出第一信号；以及耦合至输入RF链的多个输出RF链，多个输出RF链中的每个输出RF链被配置成处理在第一频带组中的多个频带中的至少一个频带内的第一信号，其中每个输出RF链包括偏置电路和有源增益元件，其中偏置电路被配置成接收启动信号并且输出在至少一个频带内的输出RF信号，其中有源增益元件被配置成在偏置电路接收到启动信号时被偏置电路打开以处理在至少一个频带内的第一信号。

[0010] 本公开的其他特征和优点根据作为示例说明本公开的各个方面的本说明书应当很清楚。

附图说明

[0011] 本公开的关于其结构和操作的细节可以部分通过附图的研究来收集，在附图中，相似的附图标记指代相似的部分，并且在附图中：

[0012] 图1是示出由单个收发器借助于单刀多掷(SPMT)开关来驱动的多个功率放大器(PA)的框图；

[0013] 图2是示出单个集成PA的框图，其之后是耦合至PA的输出的SPMT开关；

[0014] 图3是根据一个实施例的单输入多输出(SIMO)射频(RF)功率放大器(PA)的功能框图；

[0015] 图4是根据另一实施例的SIMO RF PA的功能框图；

[0016] 图5是根据一个实施例的SIMO RF PA的详细功能框图；

[0017] 图6是根据另一实施例的SIMO RF PA的详细功能框图；

[0018] 图7是图示根据一个实施例的包括多于一个输入RF链的集成PA的示例的功能框图；

[0019] 图8是图示根据另一实施例的包括多于一个输入RF链的集成PA的示例的功能框图；以及

[0020] 图9是根据一个实施例的被配置成接收输入RF信号并且生成多个输出RF信号的装置的功能框图。

具体实施方式

[0021] 暴露于大的RF电压对开关的设计强加了很难的约束，这被转化成了制造成本。如以上指出的，开关实现要求提供能够容忍这样的电压的晶体管(包括砷化镓(GaAs)场效应晶体管以及使用绝缘体上硅/蓝宝石(SOI/SOS)技术的晶体管)的专门的高压半导体工艺。另外，大的电压摆动产生来自存在于设计中的各种寄生元件(如结电容)的明显的非线性响应。这样的非线性响应生成不想要的带外信号，其可能极大地降低RF信号路径的性能。缓解由于对SPMT开关(例如图2中的开关230)的高压要求而引起的缺点的一种方法是将SPMT开关嵌入在集成PA内部。

[0022] 图3是根据一个实施例的单输入多输出(SIMO)RF功率放大器(PA)300的框图。PA 300包括第三级功率驱动器312、第三级匹配电路314、第二级功率驱动器316、第二级匹配电路318和第一级功率驱动器320。在图3的图示实施例中，SPMT开关330放置在第一级功率驱动器320的输出处并且在输出匹配电路340、350、360的前面。第一级功率驱动器320的输出处的电压摆动(V1)比PA的输出处的电压摆动(图2中的RFo)小几倍，并且其兼容在PA本身的实现中使用的半导体工艺技术。图3中的配置与图2中的配置相比的显著优势在于，可以针对其频带来优化每个独立的变换网络。图3的配置的一个缺点是由于插入损耗以及由于强加变换网络的变化的开关寄生电容而导致的效率下降。这一方法的另一缺点是与第一级功率驱动器320的输出和SPMT开关330的DC耦合有关的实现复杂性。

[0023] 图4是根据另一实施例的SIMO RF PA 400的功能框图。图4的PA 400基本上减少了图3的配置中存在的缺点。在图4的图示实施例中，SIMO RF PA 400在节点402接收输入RF信号(RFi)并且在节点404、406、408输出多个输出RF信号(RFo1、RFo2、RFo3)。SIMO RF PA 400包括与多个并行输出RF链420、430、440直接耦合的单个输入RF链410(与图3中使用SPMT开关300形成对比)。在一个实施例中，输入RF链410可以包括第三级功率驱动器、第三级匹配电路、第二级功率驱动器、第二级匹配电路和第一级功率驱动器，类似于产生V1的输入链312、
314、316、318、320。输入RF链410在所有支持的频带之间共享。每个输出RF链420、430或440针对其特定操作频带(例如低频带、中频带、高频带)以及任何其他通信标准要求(诸如最大输出功率)被独立地优化。每个输出RF链420、430或440包括一个或多个有源增益级424、434或444，其通过使用启动信号EN1、EN2或EN3控制其相关联的偏置电路422、432或442至打开或关闭状态来被打开或关闭。

[0024] 图5是SIMO RF PA 500的详细框图，其示出根据一个实施例的图4的块410、420、430、440内的单元。在图5的图示实施例中，输入RF链410包括第三级功率驱动器512、第三级匹配电路514、第二级功率驱动器516和第二级匹配电路518。输入RF链410接收要放大的输入RF信号RFi。每个输出RF链420、430或440包括第一级功率驱动器和第一级匹配电路。特别地，输出RF链420包括第一级功率驱动器522和第一级匹配电路524；输出RF链430包括第一级功率驱动器532和第一级匹配电路534；输出RF链440包括第一级功率驱动器542和第一级匹配电路544。相应地，图5的配置使用多个第一级RF功率驱动器(每个支持的频带一个第一级RF功率驱动器)而非使用其后是用于所有RF频带的大的SPMT开关的仅一个第一级RF功率驱动器(如图3所示)。

[0025] 在图5的图示实施例中，输出RF链420、430、440中的每个包括第一级功率驱动器522、532或534，第一级功率驱动器522、532或534也用作偏置电路(类似于偏置电路422、432或442)并且接收启动信号EN1、EN2或EN3。例如，在一个实施例中，第一级功率驱动器522配置有具有由启动信号EN1来控制的偏置点的功率晶体管。类似地，第一级功率驱动器532配置有具有由启动信号EN2来控制的偏置点的功率晶体管，第一级功率驱动器542配置有具有由启动信号EN3来控制的偏置点的功率晶体管。在其他实施例中，第一级功率驱动器522、
532或534配置有具有被配置成接收启动信号EN1、EN2或EN3的偏置输入的功率放大器。在图
5中，输出RF链420、430、440中的每个还包括第一级匹配电路524、534、544，第一级匹配电路
524、534、544连同第一级功率驱动器522、532或534用作一个或多个有源增益级(类似于电路424、434或444)。因此，有源增益级通过使用启动信号EN1、EN2或EN3控制其相关联的偏置电路至打开状态或关闭状态来被打开或关闭。

[0026] 用于图5的配置的硅面积小于用于图3的配置的面积。例如，三个并行输出RF链将使用单个输出PA的输出驱动器的硅面积的三倍。每个独立的功率驱动器直接耦合至其专用变换网络，因此基本上降低了与SPMT开关有关的功率损耗因子及其相关的非线性。可以借助于控制相关联的DC偏置电路至掉电状态来使第一级RF功率驱动器522、532、542无效。因此，SPMT开关的功能可以通过选择性地一次仅启动多个第一级RF功率驱动器522、532、542之一来实现。在图5中，启动信号EN1、EN2、EN3直接控制功率驱动器的偏置电路的状态，其中被确立的(asserted)启动信号控制上电状态的对应偏置电路，并且被解除确立的(de-asserted)启动信号控制掉电状态的对应偏置电路。输出RF信号RFo1、RFo2、RFo3被供应给将它们转发至天线以用于传输的电路。

[0027] 在图5中，第一级RF功率驱动器522、532、542并联连接至第二级匹配电路518的输出。虽然图5的这一配置相对于图3的配置提供明显的优点，然而这一配置可能向第二级匹配电路518强加附加电容负载，这导致第二级的DC偏置电流的增加和增益的减小。然而，对PA 500的整体效率的影响很小(大致为1％)。另外，输入RF链400(从RFi开始并且在第二级匹配电路518的输出处结束)在所有支持的频带之间共享并且需要在由多个支持的频带强加的宽频率范围中操作。然而，每个匹配网络包括最佳地在所选择的中心频率附近的相对较窄的频带中工作的谐振电路。跨多个频率优化匹配网络的性能的一种方式是采用可选择的调谐，其中调谐控制信号与控制PA操作频带的选择的启动信号相同。相应地，启动信号EN1、EN2、EN3也可以耦合至第三级匹配电路514以用于调谐目的。

[0028] 图6是根据另一实施例的SIMO RF PA 600的详细框图。图6中所示的图示实施例通过将开关功能移动到第二级的前面，基本上减小了以上描述的与第二级匹配调谐的缺乏相关的缺点。在图6的图示实施例中，输入RF链610包括第三级功率驱动器612和第三级匹配电路614。每个独立的输出RF链620、630或640包括第二级功率驱动器、第二级匹配电路、第一级功率驱动器和第一级匹配电路。特别地，输出RF链620包括第二级功率驱动器622、第二级匹配电路624、第一级功率驱动器626和第一级匹配电路628；输出RF链630包括第二级功率驱动器632、第二级匹配电路634、第一级功率驱动器636和第一级匹配电路638；输出RF链640包括第二级功率驱动器642、第二级匹配电路644、第一级功率驱动器646和第一级匹配电路648。开关功能通过以类似于对图5的配置中的第一级功率驱动器522、532、542的DC偏置电路的控制的方式控制第二级功率驱动器622、632、642以及第一级功率驱动器626、636、
646的DC偏置电路的状态来执行。在图6的配置中，所有的第二级电路622、632、642并联连接至第三级匹配电路614的输出。这向第三级匹配强加附加电容负载，这导致增益下降。这可以通过增加第三级DC偏置电流来补偿，这对PA的整体效率仅有很小影响。

[0029] 由给定PA输入信号链处理的频带彼此分离地聚集在几百兆赫兹内。然而，为了处理以一个或多个千兆赫兹间隔开的频带，在相同的集成PA设备上需要多个PA输入信号路径。图7是图示根据一个实施例的这样的集成PA 700的示例的框图。图7的集成PA 700被配置成处理六个频带，六个频带分为两组：频带的低频带组(L频带组)和频带的高频带组(H频带组)。每个频带组包括彼此分离地位于几百兆赫兹内的频带。然而，L频带组内的频带距离H频带组内的频带远于千兆赫兹。

[0030] 在图7的图示实施例中，输入信号(RFiL)的L频带组中的三个频带由输入RF链710以及三个输出RF链712、714、716来处理，而输入信号(RFiH)的H频带组中的三个频带由输入RF链720以及三个RF链722、724、726来处理。因此，RF输出信号RFoLl、RFoL2、RFoL3彼此分离地位于几百兆赫兹内，RF输出信号RFoHl、RFoH2、RFoH3也彼此分离地位于几百兆赫兹内，而RF输出信号RFoLl、RFoL2、RFoL3与RF输出信号RFoHl、RFoH2、RFoH3彼此相距超过一千兆赫兹。

[0031] 由RF输入链处理的频带不需要包括相同数目的频带。因此，由于通过第二级和第一级的独立的RF信号路径，对于任何一个频带的输出功率要求可以被设计成不同于任何其他频带。另外，任何给定频带的输出功率要求可以被设计成取决于需要服务哪个移动通信标准来变化。

[0032] 图8是图示根据备选实施例的集成PA 800的框图。在图8中，集成PA 800被配置成处理五个频带，其中两个频带在L频带组中并且三个频带在H频带组中。因此，输入信号(RFiL)的L频带组中的两个频带由输入RF链810和两个输出RF链812、814来处理，而输入信号(RFiH)的H频带组中的三个频带由输入RF链820和三个RF链822、824、826来处理。L频带组的两个输出RF链812、814输出两个RF输出信号RFoL1、RFoL2，而H频带组的三个输出RF链822、824、826输出三个RF输出信号RFoH1、RFoH2、RFoH3。相应地，对于RF输出链814，可以将两个RF信号路径814a、814b结合在一起(图8中示出为816)以实现接近3dB的输出功率增加。

[0033] 图9是根据本公开的一个实施例的被配置成接收输入RF信号并且生成多个输出RF信号的装置900的框图。装置900包括被调谐到第一频带组内的多个频带的输入RF信号接收模块910。装置900还包括输入RF信号处理模块920。装置900还包括耦合至输入RF信号处理模块920的多个处理和输出模块930。多个处理和输出模块930中的每个被配置成处理在频带组的特定频带内的输入RF信号。930内的每个处理和输出模块还接收启动信号，启动信号启动930内的特定处理和输出模块对在特定频带内的输入RF信号的处理，以输出在特定频带内的输出RF信号。

[0034] 虽然以上描述了本公开的若干实施例，然而本公开的很多变化是可能的。例如，虽然本公开中的实施例描述在频带组以及一个(或两个)频带组内具有三个(或两个)频带，然而可以使用以上描述的配置来配置在频带组内的任何数目的频带以及任何数目的频带组。另外，各种实施例的特征可以按照与以上描述的不同的组合来组合。另外，为了清楚和简要的描述，简化了系统和方法的很多描述。很多描述使用具体标准的术语和结构。然而，所公开的系统和方法更加广泛地适用。

[0035] 本领域技术人员应当理解，结合本文中描述的实施例描述的各种说明性块和模块可以用各种形式来实现。以上通常在其功能性方面来描述一些块和模块。然而，这样的功能取决于对整个系统强加的设计约束来实现。技术人员可以针对每个特定应用以各种方式来实现所描述的功能，但是这样的实现决定不应当被解释为引起偏离本公开的范围。另外，模块、块或步骤内的功能的分组是为了方便描述。可以从一个模块或块去除具体的功能或步骤，而没有偏离本公开。

[0036] 结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、单元、步骤、部件和模块可以使用处理器来实现或执行，处理器诸如通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件部件、或者被设计成执行本文中描述的功能的其任意组合。通用处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或者任何其他这样的配置。另外，实现本文中描述的实施例以及功能块和模块的电路可以使用各种晶体管类型、逻辑族和设计方法来实现。

[0037] 提供所公开的实施例的以上描述以使得本领域任何技术人员能够做出或使用本公开。本领域技术人员将很容易清楚对这些实施例的各种修改，并且本文中描述的一般原理可以适用于其他实施例而没有偏离本公开的精神或范围。因此，应当理解，本文中呈现的描述和附图表示本公开的当前优选实施例，并且因此表示本公开广泛地考虑的主题。还应当理解，本公开的范围完全包括本领域技术人员将很清楚的其他实施例，并且本公开的范围相应地仅受所附权利要求的限制。