具备E 级放大器的发送器
[0002] 本申请要求2011年2月17日提交的在先日本
专利申请2011-31558号的优先权,在此引用其全部内容作为参考。
技术领域
背景技术
[0004] 随着MOS晶体管的微细化、高频化、高集成化的发展,用MOS晶体管构成的
功率放大器急剧增加。在要求减少消耗功率的无线系统等中,大多使用了采用功率效率优异的C级放大器的发送器。
[0005] 在C级功率放大器中,存在由于MOS晶体管的
阈值变化而导致的功率效率和/或输出功率受到影响的问题。此外,存在当MOS晶体管的特性变化时输出段的晶体管的工作状态变化,发送器的可靠性恶化的问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种高效率、高可靠性的发送器。
[0007] 根据一个实施方式,发送器设置有第1
缓冲器、第2缓冲器、逻辑
电路和E级功率放大器。第1缓冲器被输入第1
正弦波信号,并将第1正弦波信号变换成第1矩形波信号。第2缓冲器被输入
相位比第1正弦波信号延迟的第2正弦波信号,并将第2正弦波信号变换成第2矩形波信号。
逻辑电路被输入第1和第2矩形波信号,对第1和第2矩形波信号进行逻辑计算,生成具有预定占空比的逻辑信号。E级功率放大器被输入逻辑信号, 并根据逻辑信号进行放大操作。
[0008] 本发明能够提高发送器的效率以及可靠性。
附图说明
[0009] 图1是表示第1实施方式所涉及的收发器的
框图。
[0010] 图2是表示第1实施方式所涉及的缓冲器的电路图。
[0011] 图3是表示第1实施方式所涉及的功率放大器的电路图。
[0012] 图4是说明第1实施方式所涉及的功率放大器的工作的图。
[0013] 图5是说明在第1实施方式所涉及的功率放大器中使用的MOS晶体管的特性的图。
[0014] 图6是说明在第1实施方式所涉及的功率放大器中使用的MOS晶体管的寿命的图。
[0015] 图7是表示第1实施方式所涉及的功率放大器的效率相对占空比的关系的图。 [0016] 图8是表示第1实施方式所涉及的功率放大器的输出功率相对占空比的关系的图。
[0017] 图9是表示第2实施方式所涉及的发送器的框图。
[0018] 图10是表示第2实施方式所涉及的功率放大器的效率相对占空比的关系的图。 [0019] 图11是表示第3实施方式所涉及的发送器的框图。
[0020] 图12是表示第3实施方式所涉及的延迟电路的框图。
[0021] 图13是表示第4实施方式所涉及的功率放大器的电路图。
[0022] 图14是表示实施方式所涉及的输出功率的
温度特性的图。
[0023] 图15是表示实施方式所涉及的效率的温度特性的图。
具体实施方式
[0024] 以下对于进一步的多个
实施例参照附图进行说明。在附图中,相同的符号表示相同或者类似的部分。
[0025] 对于第1实施方式所涉及的发送器,参照附图进行说明。图1是表示收发器的框图。图2是表示缓冲器的电路图。图3是表示功率放大器的电路图。在本实施方式中,向E级放大器输入占空比为25%的逻辑信号。
[0026] 如图1所示,在收发器1中设置有功率放大器11、二输入AND电路12、缓冲器13、缓冲器14、
低噪声放大器21、
混频器22、
滤波器23、解调器24、
电压控制发送器31、PLL电路32和滤波器33。
[0027] 收发器1是RF收发机。在收发器1中,在接收系统中,在天线2接收到的信号经由切换
开关3作为
输入信号Sin输入到低噪声放大器21。收发器1将在解调器24中解调的作为基带信号的信号S14输出到基带部4。收发器1将从基带部4输出的作为基带信号的信号S22输入到滤波器33。收发器1将在发送系统中从功率放大器11输出的
输出信号Sout经由切换开关3输出到天线2。
[0028] 滤波器33被输入信号S22,并将作为对信号S22进行了频带限制的调制信号的信号S23输出到
电压控制振荡器31。PLL电路32向
电压控制振荡器31输出作为用于保持固定
频率的
控制信号的信号S21。电压控制振荡器31被输入信号S21和信号S23,并根据信号S21和信号S23,生成局部振荡信号Slo1和相位相对于局部振荡信号Slo1延迟了90°(λ/4)的局部振荡信号Slo2。从电压控制振荡器31输出的信号S24被反馈输入到PLL电路32。局部振荡信号Slo1和局部振荡信号Slo2被输入到混频器22。局部振荡信号Slo1被输入到缓冲器31。局部振荡信号Slo2被输入到缓冲器14。
[0029] 低噪声放大器21被输入了输入信号Sin,生成放大了输入信号Sin的信号S11。混频器22被输入信号S11、局部振荡信号Slo1和局部振荡信号Slo2,并将受到图像抑制的信号S12输出到滤波器23。滤波器23被输入信号S12,并将信号S12的只通过了预定频带区域的信号S13输出到解调器24。
[0030] 缓冲器13设置在电压控制振荡器31与二输入AND电路12之间。缓冲器13被输入作为正弦波信号的局部振荡信号Slo1,将局部振荡信号Slo1 变换成作为矩形波信号的信号S1,并输出到二输入AND电路12。缓冲器14设置在电压控制振荡器31与二输入AND电路12之间。缓冲器14被输入作为正弦波信号的局部振荡信号Slo2,将局部振荡信号Slo2变换成作为矩形波信号的信号S2,并输出到二输入AND电路12。
[0031] 如图2所示,在缓冲器13中设置有电容器C1a、阻抗R1a、P
沟道型MOS晶体管PMT1a、P沟道型MOS晶体管PMT2a、N沟道型MOS晶体管NMT1a和N沟道型MOS晶体管NMT2a。在缓冲器14中设置有电容器C1b、阻抗R1b、P沟道型MOS晶体管PMT1b、P沟道型MOS晶体管PMT2b、N沟道型MOS晶体管NMT1b和N沟道型MOS晶体管NMT2b。
[0032] 缓冲器13和缓冲器14由于具有相同的电路构成,因此,对于构成元件,以缓冲器13为代表进行说明,省略缓冲器14的构成元件的说明。
[0033] 电容器C1a的一端被输入局部振荡信号Slo1。P沟道型MOS晶体管PMT1a的源极与高电位侧电源Vdd连接,栅极与电容器C1a的另一端连接。阻抗R1a的一端与电容器C1a的另一端连接,另一端与P沟道型MOS晶体管PMT1a的漏极连接。N沟道型MOS晶体管NMT1a的漏极与P沟道型MOS晶体管PMT1a的漏极连接,栅极与电容器C1a的另一端连接,源极与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。P沟道型MOS晶体管PMT2a的源极与高电位侧电源Vdd连接,栅极与P沟道型MOS晶体管PMT1a的漏极连接。N沟道型MOS晶体管NMT2a的漏极与P沟道型MOS晶体管PMT2a的漏极连接,栅极与P沟道型MOS晶体管PMT1a的漏极连接,源极与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。从P沟道型MOS晶体管PMT2a的漏极一侧输出信号S1。
[0034] 二输入AND电路12被设置在缓冲器13及缓冲器14与功率放大器11之间。二输入AND电路12被输入信号S1和信号S2,对信号S1和信号S2进行逻辑计算,生成作为占空比为25%的逻辑信号的信号S3,并将其输出到功率放大器11。
[0035] 功率放大器11是在开关操作中使用晶体管的E级功率放大器。功率 放大器11被设置在二输入AND电路12与切换开关3之间。功率放大器11被输入占空比为25%的信号S3,根据信号S3进行放大操作,生成输出信号Sout,并将其输出到切换开关3。 [0036] 如图3所示,在功率放大器11中设置有电压
偏置电路41、滤波器电路42、输出调整电路43、N沟道型MOS晶体管NMPT1和N沟道型MOS晶体管NMPT2。
[0037] 功率放大器11是共射-共基(cascode)连接型功率放大器。N沟道型MOS晶体管NMPT1和N沟道型MOS晶体管NMPT2进行共射-共基连接。N沟道型MOS晶体管NMPT1和N沟道型MOS晶体管NMPT2是增强型晶体管。
[0038] 输出调整电路42设置有电感器L1、电感器L2、电容器C11和电容器C12。 [0039] 电感器L1的一端与高电位侧电源Vdd连接,另一端与
节点N1连接。电压偏置电路41向N沟道型MOS晶体管NMPT1的栅极提供预定电压。电容器C11的一端与节点N1连接,另一端与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。电感器L2的一端与节点N1连接。电容器C12的一端与电感器L2的另一端连接,另一端与节点N2连接。
[0040] N沟道型MOS晶体管NMPT1的漏极与节点N1连接,对栅极施加从电压偏置电路41输出的电压。N沟道型MOS晶体管NMPT1在被施加了从电压偏置电路41输出的电压时导通,具有负载的功能。N沟道型MOS晶体管NMPT2的漏极与N沟道型MOS晶体管NMPT1的源极连接,将信号S3向栅极输入,源极与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。N沟道型MOS晶体管NMPT2是根据信号S3进行导通/截止操作的输出段的晶体管。
[0041] N沟道型MOS晶体管NMPT2由于以高频进行放大操作,因此,
栅极长度(Lg)尺寸被设定得比N沟道型MOS晶体管NMPT1窄。例如,在N沟道型MOS晶体管NMPT2的Lg为0.1μm时,N沟道型MOS晶体管NMPT1的Lg被设定为0.6μm。
[0042] 在滤波器电路42中设置有电感器L3、电容器C13和电容器C14。滤波器电路42使高频分量衰减。
[0043] 电容器C13的一端与节点N2连接,另一端与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。电感L3的一端与节点N2连接,另一端与节点N3连接。电容器C14的一端与节点N3连接,另一端与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。从节点N3一侧输出输出信号Sout。 [0044] 以下参照图4至图8说明E级功率放大器的特性及操作。图4是说明功率放大器的操作的图。
[0045] 如图4所示,局部振荡信号Slo1从电压控制振荡器31中输出,并被输入到缓冲器13。在缓冲器13中,局部振荡信号Slo1被变换成作为矩形波信号的信号S1。信号S1是高电平期间为50%、低电平期间为50%的信号。局部振荡信号Slo2从局部振荡信号Slo1延迟90°(λ/4)相位,并从电压控制振荡器31中输出,被输入到缓冲器14。在缓冲器14中,局部振荡信号Slo2被变换成作为矩形波信号的信号S2。信号S2是高电平期间为50%、低电平期间为50%的信号。
[0046] 信号S1及信号S2被输入到二输入AND电路12,在二输入AND电路12中,对信号S1和信号S2进行逻辑计算,生成信号S3。信号S3是具有高电平期间为25%、低电平期间为75%的占空比为25%的逻辑信号。
[0047] 信号S3被输入到E级功率放大器11。E级功率放大器11根据信号S3导通或截止
电流,输出放大后的输出信号Sout。E级功率放大器11在信号S3的高电平期间工作,产生输出电流Iout,并产生输出振幅是一定的
输出电压Vout。
[0048] 图5是说明在功率放大器中使用的MOS晶体管的特性的图。
[0049] 如图5所示,在功率放大器的输出段晶体管中使用的MOS晶体管中,栅极长度(Lg)尺寸越窄,ft(截止频率)越直线增加,当栅极长度(Lg)尺寸变成小于等于50nm时,由于源极阻抗的影响,增加率减少。另一方面,Vbkds(漏极-源极间耐压)和高电位侧
电源电压Vdd在栅极长度(Lg)尺寸越窄时越直线减少。另外,Vbkds>Vdd。
[0050] 图6是说明在功率放大器中使用的MOS晶体管的寿命的图。构成E级功率放大器11的N沟道型MOS晶体管NMPT1和N沟道型MOS晶体管NMPT2的寿命主要由漏极-源极间电压的平均值和振幅及
漏电流的占空比决定,输出功率越大,此外,电流的占空比越大,则寿命越短。N沟道型MOS晶体管NMPT2与N沟道型MOS晶体管NMPT1相比,栅极长度尺寸(Lg)被设定得更短。但是,N沟道型MOS晶体管NMPT2由于将漏极-源极间电压设定为比较小的值,因此,与N沟道型MOS晶体管NMPT1相比,寿命变长。可以知道,在一般使用的占空比小于等于50%的区域中,输入到E级功率放大器11的作为逻辑信号的信号S3的占空比越小,则越能够抑制构成E级功率放大器11的晶体管特性的恶化,实现高可靠性。 [0051] 图7是表示功率放大器的900MHz下的功率效率相对占空比的关系的图。如图7所示,在E级功率放大器11中,相对于作为逻辑信号的信号S3的占空比,功率效率变化。具体地,在占空比为0~大约20%的区域中,功率效率增加,在大约大于等于20%的区域中,功率效率逐渐减少。在本实施方式中,作为逻辑信号的信号S3的占空比被设定为25%,在
900MHz中,E级功率放大器11在功率效率78%下工作。
[0052] 图8是表示功率放大器的900MHz下的输出功率相对占空比的关系的图。如图8所示,在E级功率放大器11中,相对于作为逻辑信号的信号S3的占空比,输出功率变化。具体地,在占空比为0~大约55%的区域中,输出功率逐渐增加,在大约大于等于55%的区域中,输出功率减少。在本实施方式中,作为逻辑信号的信号S3的占空比被设定为25%,在900MHz中,E级功率放大器11在输出功率11.8dBm下工作。
[0053] 图14是表示输出功率的温度特性的图。如图14所示,输出功率因温度引起的变化少。图15是表示功率效率的温度特性的图。如图15所示,功率效率因温度引起的变化少。在本实施方式中,由于获得因温度引起的变化非常少的固定占空比的信号S3,因此,如图14和图15所示,输出功率及功率效率的温度依赖性小,具有良好的值。这样,由于能够省略现有 技术中必需的
温度补偿电路等,因此,能够实现电路规模的缩小和电路可靠性的提高。
[0054] 如上所述,在本实施方式的发送器中,向接收系统的混频器22提供的局部振荡信号Slo1和相位比局部振荡信号Slo1延迟了90°(λ/4)的局部振荡信号Slo2还提供给发送系统。缓冲器13将局部振荡信号Slo1变换成作为矩形波信号的信号S1。缓冲器14将局部振荡信号Slo2变换成作为矩形波信号的信号S2。二输入AND电路12对信号S1和信号S2进行逻辑计算,生成作为占空比为25%的逻辑信号的信号S3。功率放大器11根据信号S3,进行E级放大操作,生成输出信号Sout。
[0055] 因此,能够提供高效率、高可靠性的具有功率放大器的发送器。 [0056] 另外,在本实施方式中,虽然将包括功率放大器11、二输入AND电路12、缓冲器13和缓冲器14的发送器适用于RF收发机,但并不必须限于此。例如,也可以适用于便携基站用发送器、卫星通信终端用发送器、音频HiFi系统用发送器等。
[0057] 参照附图对本发明的第2实施方式所涉及的发送器进行说明。图9是表示发送器的框图。在本实施方式中,可以改变向功率放大器输入的逻辑信号的占空比。 [0058] 以下,对于与第1实施方式相同的构成部分,付与相同的符号并省略该部分的说明,只说明不同的部分。
[0059] 如图9所示,在发送器90中设置有功率放大器11、二输入AND电路12、缓冲器13、缓冲器14以及延迟电路51。发送器90适用于RF收发机、便携基站用发送器、卫星通信终端用发送器或音频HiFi系统用发送器等。
[0060] 延迟电路51被输入例如在电压控制振荡器中生成的局部振荡信号Slo1,生成相位比局部振荡信号Slo1延迟λ/n(n>0)的延迟信号Slo1a,并输出到缓冲器14。延迟电路51例如由RC延迟电路构成,根据未图示的控制信号的指示,从多个延迟值中选择预定的延迟值。
[0061] 缓冲器13被输入作为正弦波信号的局部振荡信号Slo1,将局部振荡信号Slo1变换成作为矩形波信号的信号S1,并输出到二输入AND电路12。 缓冲器14被输入作为正弦波信号的延迟信号Slo1a,将延迟信号Slo1a变换成作为矩形波信号的信号S2a,并输出到二输入AND电路12。
[0062] 二输入AND电路12被输入信号S1及信号S2a,对信号S1及信号S2a进行逻辑计算,生成作为预定占空比的逻辑信号的信号S3a,并输出到功率放大器11。信号S3a根据在延迟电路51中选择的延迟值,其占空比可变。
[0063] E级功率放大器11被输入信号S3a,根据信号S3a进行放大操作,并输出输出信号Sout。E级功率放大器11成为根据占空比值,功率效率及输出功率可变的构造。 [0064] 以下,参照图10说明E级放大器的特性及操作。图10是表示功率放大器的900MHz下的功率效率相对占空比的关系的图。
[0065] 在E级功率放大器11中,要求高的功率效率和高可靠性。例如,考虑作为能够将功率效率设为大于等于60%的逻辑信号的信号S3a的占空比区域。
[0066] 如图10所示,在E级功率放大器11中,已知在信号S3a的占空比为6~38%的区域中,功率效率大于等于60%。为了将信号S3a的占空比设置成6%,只要在延迟电路51中将局部振荡信号Slo1延迟λ/2.25相位即可。为了将信号S3a的占空比设置成38%,只要在延迟电路51中将局部振荡信号Slo1延迟λ/10相位即可。即,将λ/n下的n的值设定在大于等于2.25且小于等于10的范围。
[0067] 为了将E级功率放大器11的功率效率设成大于等于60%,并且与第1实施方式相比,将E级功率放大器11设为高可靠性,优选地,将信号S3a的占空比的值设定在大于等于6%且小于25%的范围。将λ/n下的n的值设定在大于等于2.25且小于4的范围。 [0068] 另外,信号S3a的占空比的值是6%时的输出功率在900MHz中是8.2dBm,信号S3a的占空比的值是38%时的输出功率在900MHz中是13dBm。
[0069] 如上所述,在本实施方式的发送器中,延迟电路51生成相位比局部振 荡信号Slo1延迟了λ/n(n>0)的延迟信号Slo1a,并输出到缓冲器14。缓冲器13将局部振荡信号Slo1变换成作为矩形波信号的信号S1。缓冲器14将延迟信号Slo1a变换成作为矩形波信号的信号S2a。二输入AND电路12对信号S1及信号S2a进行逻辑计算,生成作为预定占空比值的逻辑信号的信号S3a。预定占空比值通过延迟电路51可变。功率放大器11根据信号S3a,进行E级放大操作,生成输出信号Sout。
[0070] 因此,能够提供高效率、高可靠性的具有功率放大器11的发送器90。此外,通过选择延迟电路51的延迟值,与第1实施方式相比,还能够使功率放大器11高可靠性化。 [0071] 参照附图说明本发明的第3实施方式所涉及的发送器。图11是表示发送器的框图。图12是表示延迟电路的框图。在本实施方式中,能够改变输入到功率放大器的逻辑信号的占空比。
[0072] 以下,对于与第1实施方式相同的构成部分,付与相同的符号并省略该部分的说明,只说明不同的部分。
[0073] 如图11所示,在发送器91中设置有功率放大器11、二输入AND电路12及延迟电路52。发送器91适用于RF收发机、便携基站用发送器、卫星通信终端用发送器或音频HiFi系统用发送器等。
[0074] 延迟电路52被输入作为高电平为50%、低电平为50%的矩形波信号的信号Sck,生成相位比信号Sck延迟了λ/n(n>0)的延迟信号Scka,并输出到二输入AND电路12。 [0075] 延迟电路52,如图12所示,设置有
串联连接的n个触发器(触发器FF1、触发器FF2、触发器FF3、触发器FF4、...、触发器FFn)和选择器SEL1。
[0076] 触发器FF1将信号Sck输入到D端口,在
时钟信号Sclk的上升沿
锁存信号Sck,并将锁存的信号从Q端口向触发器FF2及选择器SEL1输出。触发器FF2将从触发器FF1输出的信号输入到D端口,在时钟信号Sclk的上升沿锁存该信号,并将锁存的信号从Q端口输出到触发器FF3及选择器SEL1。触发器FF3将从触发器FF2输出的信号输入到D端口,在时钟 信号Sclk的上升沿锁存该信号,并将该锁存的信号从Q端口输出到触发器FF4及选择器SEL1。触发器FF4将从触发器FF3输出的信号输入到D端口,在时钟脉冲信号Sclk的上升沿锁存该信号,并将锁存的信号从Q端口输出到触发器FF5(未图示)及选择器SEL1。触发器FFn将从未图示的触发器FF(n-1)输出的信号输入到D端口,在时钟信号Sclk的上升沿锁存该信号,并将锁存的信号从Q端口输出到选择器SEL1。
[0077] 选择器SEL1输入从触发器FF1、触发器FF2、触发器FF3、触发器FF4、...、触发器FFn的Q端口分别输出的信号,并根据选择信号Scm1,选择输出使信号Sck只延迟预定相位量的延迟信号Scka。
[0078] 二输入AND电路12被输入信号Sck及延迟信号Scka,对信号Sck及延迟信号Scka进行逻辑计算,生成作为预定占空比的逻辑信号的信号S3a,并输出到功率放大器11。信号S3a根据在延迟电路52中选择的延迟值,其占空比可变。
[0079] E级功率放大器11被输入信号S3a,根据信号S3a进行放大操作,并输出输出信号Sout。E级功率放大器11成为根据占空比值,功率效率及输出功率可变的构造。 [0080] 如上所述,在本实施方式的发送器中,延迟电路52生成相位比矩形波Sck延迟了λ/n(n>0)的延迟信号Scka,并输出到二输入AND电路12。二输入AND电路12对信号Sck及延迟信号Scka进行逻辑计算,生成作为预定占空比值的逻辑信号的信号S3a。预定占空比值通过延迟电路52可变。功率放大器11根据信号S3a进行E级放大操作,并生成输出信号Sout。
[0081] 因此,能够提供高效率、高可靠性的具有功率放大器11的发送器91。此外,通过选择延迟电路52的延迟值,与第1实施方式相比,还能够使功率放大器11高效率化。 [0082] 参照附图说明本发明的第4实施方式所涉及的发送器。图13是表示功率放大器的电路图。在本实施方式中,改变功率放大器的构成。
[0083] 以下,对于与第1实施方式相同的构成部分,付与相同的符号并省略该部分的说明,只说明不同的部分。
[0084] 如图13所示,在功率放大器11a中设置有滤波器电路42、输出调整电路43a及N沟道型MOS晶体管NMPT2a。
[0085] 功率放大器11a是E级功率放大器。功率放大器11a适用于RF收发机、便携基站用发送器、卫星通信终端用发送器或音频HiFi系统用发送器等功率放大器。 [0086] 在输出调整电路43a中设置有电容器C12、电感器L1。电容器C12的一端与节点N1连接,另一端与节点N2连接。
[0087] N沟道型MOS晶体管NMPT2a的漏极与节点N1连接,向栅极输入信号S3,源极与低电位侧电源(接地电位)Vss连接。N沟道型MOS晶体管NMPT2a是根据信号S3进行导通/截止操作的输出段的晶体管。
[0088] 如上所述,在本实施方式的发送器中,在功率放大器11a中设置有滤波器电路42、输出调整电路43a及N沟道型MOS晶体管NMPT2a。向作为输出段的晶体管的N沟道型MOS晶体管NMPT2a的栅极输入作为占空比为25%的逻辑信号的信号S3。功率放大器11a进行E级放大作。
[0089] 因此,能够提供高效率、高可靠性的具有功率放大器11a的发送器。 [0090] 本发明并不限于上述的实施方式,在不脱离发明的主旨的范围下可以进行各种改变。
[0091] 在实施方式中,虽然使用二输入AND电路生成具有预定占空比的逻辑信号,但并不必须限于此。也可以代替使用二输入AND电路以外的
逻辑门和/或逻辑电路等。此外,虽然采用N沟道型MOS晶体管构成功率放大器,但并不必须限于此。也可以代替使用N沟道型MIS晶体管、MESFET、HFET等。
[0092] 此外,在第3实施方式中,虽然在延迟电路52中使用触发器,但并不必须限于此。例如,也可以代替使用锁存电路。
[0093] 虽然说明了本发明的几个实施方式,但这些实施方式是作为例子给出的,并不用于限定本发明的范围。这些新颖的实施方式可以采用其它各种方式实施,并在不脱离发明的主旨的范围下,可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其
变形包含在发明的范围和主旨中,同时也包含在
权利要求书的范围所记载的发明及其等同的范围中。