專利名稱：：應用于低功率輸出的e類功率放大器數字式功率控制電路的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種放大器輸出功率的控制電路，特別涉及在低功率輸出的E類功率放大器的輸出功率控制電路。
背景技術：
：E類功率放大器由SokaJ等人于1975年首次提出。電路的基本組成結構如圖1所示，包括開關晶體管SW(通常可采用MOS晶體管驅動其柵極實現開關功能)，與電源電壓相連的電感Ll,與開關晶體管并聯的電容C，串聯諧振于工作頻率^的電感A與G,優化電抗元件jX(—般為電感)和負載阻抗及。E類功率放大器的工作原理如下如圖1所示，當輸入電壓大于MOS晶體管閾值電壓時,晶體管工作在線性區，相當于開關閉合,由于漏源間電阻很小,因此Vs近似為0;而當輸入電壓小于閾值電壓時，場效應管截止，相當于開關斷開，z's為O。此時，C開始充電,引起Vs增加，調諧網絡從Vs中濾出基波，傳輸到負載電阻上。當開關再次閉合時,滿足E類晶體管工作的兩個條件(1)v產O和(2)dvs/dt=0，從而使得晶體管上的電壓和電流不同時出現，消除了由于充放電帶來的(1/2)CV2的損耗，晶體管理想效率達到100%。E類功率放大器的功率控制問題，由E類放大器自身特點決定。根據其工作原理，最佳控制方式是改變連接在丄i的電源電壓Fdd。但是在實際應用中，很難提供這樣一個可變的電源電壓，故在電路設計的時候需要增加LDO模塊。不僅增加了芯片面積，并且LDO電路存在效率問題，其自身需要消耗一部分功耗，從而導致了E類功率放大器在整個功率輸出范圍內效率的降低。除此方法之外，目前對于低功率輸出的E類功率放大器的功率控制功能的實現，尚無有效的方法。
發明內容本發明提供一種能夠提高輸出功率范圍和輸出功率效率的應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，具有電路結構簡單可靠，易于單片電路集成的優點。本發明采用如下技術方案來解決上述技術問題一種應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，包括用于實現放大器有效級聯的級間匹配電路和用于信號功率放大的輸出放大級，級間匹配電路的輸出端與輸出放大級輸入端連接，其特征在于，在級間匹配電路的輸入端上連接有用于預放大功能和信號幅度增益控制的可控放大級且級間匹配電路的輸入端與可控放大級的輸出端連接，在輸出放大級的輸入端上連接有用于調節進入到輸出放大級開關晶體管的柵極偏置電壓的偏置控制電路且輸出放大級的輸入端通過電感與偏置控制電路的輸出端連接。增益控制位2連接于可控放大級，實現輸入信號增益控制的功能。當增益控制位2為高電平時，信號增益增大，輸出功率上升，反之亦然。偏置控制位1和偏置控制位0連接于偏置控制電路，實現信號占空比控制的功能。當偏置控制位1/0為高高電平是，信號占空比增加，輸出功率上升，反之亦然。通過聯合改變控制位2、控制位l和控制位0的電平，可以實現輸出功率在在較大范圍內的控制。如圖4所示，當三位控制字設為"ooo"時，功率放大器輸出最小功率；當三位控制字設為"m"時，功率放大器輸出最大功率。表1列出了3位控制字的8種狀態。表1.三位控制字的狀態表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>本發明結合了信號幅度和占空比控制的方法，實現了對非線性的E類功率放大器輸出功率控制的目的。和原有E類功率放大器功率控制方法相比，在輸出功率范圍和輸出功率效率上都有明顯的提高。1.控制開關管柵極輸入信號的幅度如圖3所示，通過改變可控放大級1的控制信號為高電平或是低電平，以控制晶體管M3的導通與截止，從而改變了第一級驅動放大器的增益，使得進入到輸出放大級(3)中的開關晶體管SW的信號幅度可調。而開關晶體管SW的導通電阻與輸入信號的幅度有關，簡單可以表示為__}_"。"、c。"『/丄)(-。其中A是電子遷移率，^i是MOS晶體管柵電容，W、L是MOS晶體管的柵寬和柵長，^是MOS晶體管柵源電壓，^是MOS晶體管的閾值電壓。可以看出信號幅度越高，導通電阻越小，E類功率放大器損耗的功率越小，從而輸出功率達到最大，實現輸出功率的控制功能。可控放大級1常見于線性功率放大器，對輸出功率進行直接的控制。對于E類這種非線性放大器，由于輸入信號只提供頻率和相位信息，與信號幅度大小無關，故無法利用可控放大級1改變功率增益的方法改變輸出功率。而本發明中，利用可控放大級1對進入到輸出放大級3的信號進行電壓幅度控制，從而改變開關晶體管SW的導通電阻大小，進而達到對非線性放大器功率控制的目的。2.控制開關管柵極輸入信號的占空比由E類功率放大器的理論推導可以知道，E類功率放大器負載網絡的值與占空比是相關的。當占空比偏離了最優化的50%設定后，輸出功率會產生下降。如圖3所示，改變直流偏置控制4的大小，可以改變了輸入到輸出放大級3信號的占空比。當占空比下降時，輸出功率下降。改變偏置電壓的方法有很多種，圖3的電路原理圖使用了一種簡單的電阻分壓的方法。偏置控制1和偏置控制0控制開關Sl和S0的斷開與導通，從而把不同阻值大小的電阻接入到分壓網絡中，改變了輸出放大級3開關晶體管的直流偏置的大小。電阻分壓的方法，常用于確定電路中某點的偏置電壓。而本發明中，利用其電壓調節的功能，實現對進入到輸出放大級3的信號的占空比進行控制。利用E類功率放大器的輸入占空比變化對輸出功率有影響的特性，從而達到對非線性放大器功率控制的目的。單獨使用幅度控制或者占空比控制的方法，經仿真驗證，輸出功率的變化范圍較小，無法滿足諸如無線傳感網絡等系統對輸出功率控制的要求。同時采用這兩種方法進行功率的控制，可以實現E類功率放大器在較大范圍內的功率調節，同時保持較高的效率。與現有技術相比，本發明具有如下優點-1.功率調節范圍廣。由于結合了幅度控制和占空比控制兩種控制方法，使得E類功率放大器的輸出功率范圍擴大，能夠滿足諸如無線傳感網絡的要求。和原有E類功率放大器功率控制方法相比，在輸出功率范圍和輸出功率效率上都有明顯的提高。2.和原有E類功率放大器功率控制方法相比，本發明中的電路通過控制字的設立，實現了輸出功率的數字式控制功能。當三位控制字設為"000"時，功率放大器輸出最小功率；當三位控制字設為"111"時，功率放大器輸出最大功率。便于電路在實際中的應用。3.和原有E類功率放大器功率控制方法相比，本發明中的電路增加電路元件較少，電路結構簡單可靠，易于單片電路集成。圖1是E類功率放大器的基本結構示意圖。圖2是3位數字控制的兩級E類功率放大器的電路框圖。圖3是3位數字控制的兩級E類功率放大器的電路原理圖。圖4是3位控制字示意圖。圖5是本發明和原有技術在不同輸出功率情況下的輸出功率附加效率(PAE)對具體實施例方式圖2是3位數字控制的兩級E類功率放大器的電路框圖。參照圖2，一種應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，包括用于實現放大器有效級聯的級間匹配電路2和用于信號功率放大的輸出放大級3，級間匹配電路2的輸出端與輸出放大級3輸入端連接，其特征在于，在級間匹配電路2的輸入端上連接有用于預放大功能和信號幅度增益控制的可控放大級1且級間匹配電路2的輸入端與可控放大級1的輸出端連接，在輸出放大級3的輸入端上連接有用于調節進入到輸出放大級3開關晶體管SW的柵極偏置電壓的偏置控制電路4且輸出放大級3的輸入端通過電感Ldc與偏置控制電路4的輸出端連接。輸入信號經過可控放大級1進行初步放大，其放大增益大小可以實現數字控制。放大后的信號通過級間匹配2得到有效的級間信號傳輸，被送至輸出放大級3。輸入到輸出放大級3的信號占空比可以通過偏置控制電路4進行調整，從而和可控放大級1一起，對輸出信號的功率達到一定范圍內的數字控制的目的。圖3是3位數字控制的兩級E類功率放大器的電路原理圖。參照圖3，所述的可控放大級l由共源共柵放大級晶體管M1、晶體管M2和晶體管M3，以及連接于電源電壓Vdd和可控放大級輸出之間的第一電感Ls組成。所述的偏置控制電路4由電阻分壓網絡和并聯在電阻分壓網絡中的第一電阻R1和第二電阻R2兩端的第一開關Sl和第二開關S2組成。所述的級間匹配電路2由組成7i型網絡的第一電容Cl、第二電容C2和第二電感Lt構成。所述的輸出放大級3由開關晶體管SW、連接于電源電壓Vdd和開關晶體管SW漏極之間的第三電感L1、并聯于開關晶體管SW的漏極和源極的第三電容Cd、串聯于開關晶體管SW漏極和輸出負載RL之間的第四電容C0和第四電感L0構成。可控放大級1由共源共柵放大級Ml、M2和M3構成，電感Ls連接于電源電壓Vdd和可控放大級輸出之間。增益的控制是通過改變共柵晶體，的寬度實現，具體表現為增益控制位2為高電平時，晶體管M3導通，增益變大；當增益控制位2為低電平時，晶體管M3截止，增益降低。預放大后的信號進過屯容C1、C2和Lt構成的兀型級間匹配2，進入到輸出放大級3開關晶體管SW的柵極。輸出放大級由開關晶體管SW，連接于電源電壓Vdd和開關晶體管SW漏極之間的電感Ll，并聯于開關晶體管SW的漏極和源極的電容Cd，串聯于開關晶體管漏極和輸出負載RL之間的電容C0和L0構成。偏置控制電路4通過電感Lt，連接到開關晶體管SW的柵極，通過改變開關晶體管SW柵極直流偏置電壓，改變進入到開關晶體管SW的信號占空比。具體表現為通過偏置控制位1和偏置控制位0,對并聯在電阻R2和RI兩端的開關進行控制。當開關Sl/S2導通時，對應的電阻R1/R2接入到電路中，偏置電壓下降，使得信號占空比減小；當開關S1/S2斷開時，對應的電阻R1/R2短路，，故偏置電壓上升，使得信號占空比增大。與增益控制位2—起，構成了三位數字控制的兩級E類功率放大器。通過仿真表明，該電路可以有效控制輸出功率，在-3dBm至+9犯111范圍內可以有效的工作，同時保持了較高的效率。圖5通過EDA軟件仿真顯示了E類功率放大器輸出功率(Pout)及其對應的功率附加效率(PAE)。可以看出，本發明提供的功率改變方法比起原方案(利用LDO改變電源電壓)，在相同輸出功率的情況下，輸出效率有了顯著的提高，并且節省了LDO電路模塊所占用的面積，使得電路成本降低。權利要求1.一種應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，包括用于實現放大器有效級聯的級間匹配電路(2)和用于信號功率放大的輸出放大級(3)，級間匹配電路(2)的輸出端與輸出放大級(3)輸入端連接，其特征在于，在級間匹配電路(2)的輸入端上連接有用于預放大功能和信號幅度增益控制的可控放大級(1)且級間匹配電路(2)的輸入端與可控放大級(1)的輸出端連接，在輸出放大級(3)的輸入端上連接有用于調節進入到輸出放大級(3)開關晶體管(SW)的柵極偏置電壓的偏置控制電路(4)且輸出放大級(3)的輸入端通過電感(Ldc)與偏置控制電路(4)的輸出端連接。2.根據權利要求1所述的應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，其特征在于可控放大級(1)由共源共柵放大級晶體管(Ml)、晶體管(M2)和晶體管(M3)，以及連接于電源電壓Vdd和可控放大級輸出之間的第一電感(Ls)組成。3.根據權利要求1所述的應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，其特征在于偏置控制電路(4)由電阻分壓網絡和并聯在電阻分壓網絡中的第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)兩端的第一開關(Sl)和第二開關(S2)組成。4.根據權利要求1所述的應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，其特征在于級間匹配電路(2)由組成;t型網絡的第一電容(Cl)、第二電容(C2)和第二電感(Lt)構成。5.根據權利要求1所述的應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，其特征在于輸出放大級(3)由開關晶體管(SW)、連接于電源電壓(Vdd)和開關晶體管(SW)漏極之間的第三電感(Ll)、并聯于開關晶體管(SW)的漏極和源極的第三電容(Cd)、串聯于開關晶體管(SW)漏極和輸出負載RL之間的第四電容(C0)和第四電感(L0)構成。全文摘要本發明公開了一種應用于低功率輸出的E類功率放大器數字式功率控制電路，包括用于實現放大器有效級聯的級間匹配電路和用于信號功率放大的輸出放大級，級間匹配電路的輸出端與輸出放大級輸入端連接，在級間匹配電路的輸入端上連接有用于預放大功能和信號幅度增益控制的可控放大級且級間匹配電路的輸入端與可控放大級的輸出端連接，在輸出放大級的輸入端上連接有用于調節進入到輸出放大級開關晶體管的柵極偏置電壓的偏置控制電路且輸出放大級的輸入端通過電感與偏置控制電路的輸出端連接。本發明能夠提高輸出功率范圍和輸出功率效率，具有電路結構簡單可靠，易于單片電路集成的優點。文檔編號H03F1/02GK101478289SQ200910028018公開日2009年7月8日申請日期2009年1月5日優先權日2009年1月5日發明者芹李,李智群,王志功,成袁申請人:東南大學