專利名稱：一種功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡技術，特別涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的可變增益的功率放大器。
背景技術：
現(xiàn)代科技發(fā)展的突飛猛進，使得作為信息獲取最重要和最基本的傳感器網(wǎng)絡技術也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術已經(jīng)從過去的單一化逐漸向集成化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展，結(jié)合各領域前沿技術、利用現(xiàn)代無線通信連接手段，一種具備信息綜合和處理能力以及交互式無線通信的新興傳感器技術一無線傳感器網(wǎng)絡便由此應運而生。無線傳感器網(wǎng)絡能夠通過各類集成化的微型傳感器互相協(xié)作并實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息，并對收集到的信息進行處理后通過無線通信的方式發(fā)送給終端用戶，真正實現(xiàn)物理環(huán)境、信息世界、人類社會的交互和融合。因此，無線傳感器網(wǎng)絡具有非常廣闊的應用前景和巨大的商用價值。對于無線傳感器網(wǎng)絡而言，最重要的研究領域之一便是如何實現(xiàn)收發(fā)機的超低功耗，以及如何有效利用能量。通常來說，無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)的發(fā)射機電路功耗的大部分是被功率放大器的功耗所占據(jù)，因此，如何提升功率放大器的效率，是實現(xiàn)發(fā)射機超低功耗的重要命題。而且，由于現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)的發(fā)射機和接收機之間的距離往往隨著應用的需求不停地變化，因此，如何使無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)射機需具備實時調(diào)整增益的功能，對增益進行實時控制，以避免發(fā)射機不需要的功率消耗，是實現(xiàn)發(fā)射機超低功耗，提高發(fā)射機的效率的另一重要命題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種增益可變的功率放大器，以根據(jù)不同需求調(diào)整功率放大器的增益，從而減少發(fā)射機的功率消耗，提高發(fā)射機的效率。為達成上述目的，本發(fā)明提供一種功率放大器，其包括第一級單元以及第二級單元；第一級單元接收鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號并對其進行方波整形，以使脈沖信號的電平達到預設的閾值；其包括依次串接的第一反相器和第二反相器；第二級單元與所述第一級單元相耦接，接收經(jīng)過方波整形的脈沖信號；其包括依次串接的第一增益放大模塊和至少一個第二增益放大模塊；第二增益放大模塊包括增益放大子模塊和增益控制子模塊；增益控制子模塊接收系統(tǒng)輸入的通斷控制信號，切換的相應增益放大子模塊的工作狀態(tài)，以使第二級單元輸出不同增益的放大信號。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，第一反相器包括兩個第一電容、第一 NMOS管及第一PMOS管；其中，第一 NMOS管的漏極和第一 PMOS管的漏極連接作為其輸出端，第一 PMOS管的源極接電源，第一 NMOS管的源極接地，鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號分別通過第一電容傳送到第一 PMOS管的柵極及第一 NMOS管的柵極。
根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，第二反相器包括兩個第二電容、第二 NMOS管及第二PMOS管；其中，第二 NMOS管的漏極和第二 PMOS管的漏極連接作為其輸出端，第二 PMOS管的源極接電源，第二 NMOS管的源極接地，第一反相器輸出端輸出的脈沖信號分別通過第二電容傳送到第二 PMOS管的柵極及第二 NMOS管的柵極。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，第一增益放大模塊包括第三NMOS管及第三PMOS管；其中，第三NMOS管的漏極和第三PMOS管的漏極連接作為其輸出端，第三PMOS管的源極接電源，第三NMOS管的源極接地，第二反相器輸出端與第三PMOS管的柵極及第三NMOS管的柵極相連。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，所述增益控制子模塊包括反相器、第四NMOS管及第四PMOS管；其中，第四NMOS管的漏極和第四PMOS管的漏極連接作為其輸出端，第四PMOS管的源極接電源，第四NMOS管的源極接地，該通斷控制信號為柵極通斷控制信號，該反相器的輸出端與第四PMOS管的柵極相連，該反相器的輸入端接收柵極通斷控制信號且與第四NMOS管的柵極相連；其中增益放大子模塊，包括第五NMOS管及第五PMOS管；其中，第五PMOS管的漏極和第四PMOS管的漏極連接，且第五PMOS管的源極接電源，第五NMOS管的源極接地，第五NMOS管的漏極與第四NMOS管的漏極連接作為其輸出端。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，第二級單元還包括控制第二級單元工作狀態(tài)的第六PMOS管，第六PMOS管的源極接電源，第六PMOS管漏極與第一增益放大模塊中的第三PMOS管源極，以及第二增益放大模塊中的第五PMOS管源極相連。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，第一級單元的電源所述第二級單元的電源為兩個分離的不同電源，同樣，第一級單元的接地端與第二級單元的接地端分開。根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，還包括依次串接的第三電容和一個電感，第三電容的輸入端與第二級單兀的輸出端相連，電感的輸出端為功率放大器的輸出端。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的功率放大器不僅可實時調(diào)整功率放大器的增益，更有效提升了功率放大器效率，避免了發(fā)射機不必要的功耗，從而實現(xiàn)發(fā)射機的超低功耗。


圖1為本發(fā)明增益可變的功率放大器一較佳實施例的電路示意圖。
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。上述及其它技術特征和有益效果，將結(jié)合實施例及附圖1對本發(fā)明的增益可變的功率放大器進行詳細說明。在本實施例中，本發(fā)明涉及的發(fā)射機采用的是直接數(shù)據(jù)調(diào)制方式；本發(fā)明的功率放大器是應用于無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)，且包括于無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)射機中。請參閱圖1，為本發(fā)明增益可變的功率放大器一較佳實施例的電路示意圖。該功率放大器100處于發(fā)射機的最后一級，接收鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號，對該高頻脈沖信號進行方波整形并功率放大，從而將數(shù)字或模擬信號通過發(fā)射機天線無線發(fā)射。如圖所示，功率放大器100包括第一級單元10以及第二級單元20。第一級單元10接收鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號并對其進行方波整形，以使所述脈沖信號的電平達到預設的閾值，第二級單元20與第一級單元10相耦接，接收經(jīng)過方波整形的脈沖信號并輸出不同增益的放大信號。在本發(fā)明的一實施例中，第一級單元10包括依次串接的第一反相器和第二反相器，其中，第一反相器包括兩個第一電容Cl、第一 NMOS管Ml及第一 PMOS管M2。第一 PMOS管M2的源極接電源，第一 NMOS管Ml的源極接地，鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號分別通過第一電容Cl傳送到第一 PMOS管M2的柵極及第一 NMOS管Ml的柵極，第一 NMOS管Ml的漏極和第一PMOS管M2的漏極連接作為其輸出端。同樣，第二反相器包括兩個第二電容C2、第二NMOS管M3及第二 PMOS管M4。其中，第一反相器輸出端輸出的脈沖信號分別通過第二電容C2傳送到第二 PMOS管M4的柵極及第二 NMOS管M3的柵極。第二 PMOS管M4的源極接電源，第二 NMOS管M3的源極接地，第二 NMOS管M3的漏極和第二 PMOS管M4的漏極連接作為其輸出端。通過第一反相器及第二反相器，第一級單元10對鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號進行方波整形，從而使得脈沖信號的電平能夠達到預設的閾值，以足夠接近于理想方波。第二級單元20可以包括依次串接的第一增益放大模塊和至少一個第二增益放大模塊。在本發(fā)明的一實施例中，如圖1所示，第二級單元包括三個第二增益放大模塊，但本發(fā)明并不以此為限。第一增益放大模塊可以包括第三NMOS管M5及第三PMOS管M6。第二反相器輸出端與第三PMOS管M6的柵極及第三NMOS管M5的柵極相連，第三PMOS管M6的源極接電源，第三NMOS管M5的源極接地，第三NMOS M5管的漏極和第三PMOS管M6的漏極連接作為其輸出端。在本發(fā)明的一些實施例中，每一個第二增益放大模塊可以包括增益放大子模塊和增益控制子模塊，各增益控制子模塊分別接收系統(tǒng)輸入的通斷控制信號來切換各自相應的增益放大子模塊的工作狀態(tài)，以使第二級單元20輸出不同增益的放大信號。在本實施例中，增益控制子模塊有三個，即依次相連的第一增益控制子模塊、第二增益控制子模塊和第三增益控制子模塊，分別控制第一增益放大子模塊、第二增益放大子模塊和第三增益放大子模塊。第一增益控制子模塊、第二增益控制子模塊和第三增益控制子模塊的電路結(jié)構(gòu)相同，第一增益放大子模塊、第二增益放大子模塊和第三增益放大子模塊的電路結(jié)構(gòu)相同，下面就以第一增益控制子模塊和第一增益放大子模塊為例進行詳細說明。如圖1所示，第一增益控制子模塊包括反相器、第四NMOS管M8及第四PMOS管M9。第一增益放大模塊的輸出端與第四NMOS管M8的漏極及第四PMOS管M9的漏極相連，第四NMOS管M8的漏極和第四PMOS管M9的漏極連接作為其輸出端。第四PMOS管M9的源極接電源，第四NMOS管M8的源極接地。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，通斷控制信號為柵極通斷控制信號1(PA Gain Ctrl 1)，反相器的輸出端與第四PMOS管M9的柵極相連，反相器的輸入端接收柵極通斷控制信號PA Gain Ctrl I且與第四NMOS管M8的柵極相連。第一增益放大子模塊包括第五NMOS管M7及第五PMOS管MlO，第五PMOS管MlO的源極接電源，第五NMOS管M7的源極接地，第五PMOS管MlO的漏極和第四PMOS管M9的漏極連接，第五NMOS管WI的漏極與第四NMOS管M8的漏極連接作為其輸出端。當系統(tǒng)輸入的柵極通斷控制信號I (PA Gain Ctrl I)為高電平信號時，第四NMOS管M8，第四PMOS管M9，第五NMOS管M7及第五PMOS管MlO均導通，從而第一增益控制子模塊切換第一增益放大子模塊處于工作狀態(tài)。同理，第二增益控制子模塊(包括反相器、M12及M13)和第三增益控制子模塊(包括反相器、M16及M17)可以接收柵極通斷控制信號2 (PA Gain Ctrl 2)或柵極通斷控制信號3 (PA Gain Ctrl 3)切換第二增益放大子模塊包括(包括Mll及M14或第三增益放大子模塊M15及M18)處于工作狀態(tài)。由此可知，每一第二增益放大模塊的增益控制子模塊根據(jù)接收的柵極通斷控制信號(PA Gain Ctrl)來切換增益放大子模塊的工作狀態(tài)，以輸出不同增益的放大信號。因此，本發(fā)明可通過不同的通斷控制信號來控制不同的第二增益放大模塊工作，從而使第二級單元20輸出不同增益的放大信號。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，第二級單元20中還包括第六PMOS管M19，第六PMOS管M19的源極接電源，漏極與第一增益放大模塊中的第三PMOS管源極M6，以及每一個第二增益放大模塊中的第五PMOS管MlO源極相連。當?shù)诹鵓MOS管M19處于關閉狀態(tài)時，則第一增益放大模塊及各第二增益放大模塊均處于關閉狀態(tài)，也即是整個第二級單元20被關閉，因此，可通過第六PMOS管M19來控制整個第二級單元20的工作狀態(tài)。具體地說，對功率放大器的第二級單元20的增益控制可以通過以下方式來實現(xiàn)
(1)第一檔增益控制
當需要打開第一檔增益時，通過柵極通斷控制信號I (Gain Ctrl I)的控制使M8、M9處于工作狀態(tài)，此時M7 M10開始工作，為整個功率放大器提高了第一檔的增益；
(2)第二檔增益控制
當需要打開第二檔增益時，通過柵極通斷控制信號2 (Gain Ctrl 2)的控制使M12、M13處于工作狀態(tài)，此時MlfM14組成的放大模塊開始工作，為整個功率放大器提高了第二檔的增益；
(3)第三檔增益控制
當需要打開第三檔增益時，通過柵極通斷控制信號3 (Gain Ctrl 3)的控制使M16、M17處于工作狀態(tài)，此時M15118組成的放大模塊開始工作，為整個功率放大器提高了第三檔的增益。第二級單元20中的M19起到了控制功率放大器100開關的作用，當M19的柵電壓控制M19處于關閉狀態(tài)時，整個第二級單元20被關閉，節(jié)省了發(fā)射機功率放大器100的功
率消耗。在該實施例中，整個發(fā)射機所發(fā)射信號的中心頻率為420MHz，發(fā)射峰值功率為3dBm。整個功率放大器100在發(fā)射數(shù)據(jù)“ I ”時消耗的功耗為5mA，發(fā)射效率約為44%，發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時消耗的功耗為0. 4mA。所以，該功率放大100，在發(fā)射數(shù)據(jù)時的平均功耗為2. 5mA。當三檔增益都被關閉時，功率放大器的發(fā)射功率為-1SdBm;第一檔增益控制被打開時，功率放大器的發(fā)射功率為-1OdBm ;第二檔增益控制被打開時，功率放大器的發(fā)射功率為_2dBm ;第一檔增益控制被打開時，功率放大器的發(fā)射功率為3dBm。此外，由于流經(jīng)第二級單元20的電流相對較大，在本發(fā)明的一實施例中，為了使功率放大器的第一級單元10和第二級單元20不互相影響，確保各自完成相應的功能，第一級單元10的電源和第二級單元20的電源為兩個分離的不同電源，同樣的，第一級單元10的接地端與第二級單元20的接地端分開。如圖1中所示，第一級單元10的電源為第一電源VDDl，接地端為第一接地端GNDl ;第二級單元20的電源為第二 VDD2，接地端為第二接地端GND2。如此一來，第一級單元10和第二級單元20的電源與接地端都分開版圖布局，從而減小版圖寄生以及封裝鍵合線的影響。功率放大器還包括依次串接的第三電容C3和一個電感LI，第三電容C3的輸入端與第二級單元20的輸出端相連，電感LI的輸出端作為功率放大器的輸出端。第二級單元20輸出的不同增益的放大信號通過第三電容C3和電感LI傳送到功率放大器的輸出端。此外，由于無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常采用通斷鍵控(OOK)調(diào)制方式，其本身對功率放大器的線性度要求不高，因此，為了提高發(fā)射效率，在本發(fā)明的一實施例中，功率放大器為非線性的D類功率放大器。超低功耗D類功率放大器的性能既實現(xiàn)了低功耗的需求，也實現(xiàn)了增益可變的功能。綜上所述，本發(fā)明提供一種功率放大器，通過第一級單元和第二級單元相繼對接收的鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號進行方波整形及增益切換，不僅能夠?qū)崟r調(diào)整功率放大器的增益，更有效提升了功率放大器效率，避免了發(fā)射機不必要的功耗，從而實現(xiàn)發(fā)射機的超低功耗。以上所述的僅為本發(fā)明的實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器,其特征在于,包括 第一級單元，接收鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號并對其進行方波整形，以使所述脈沖信號的電平達到預設的閾值；其包括依次串接的第一反相器和第二反相器； 第二級單元，與所述第一級單元相耦接，接收經(jīng)過方波整形的脈沖信號；其包括依次串接的第一増益放大模塊和至少ー個第二増益放大模塊；所述第二増益放大模塊包括増益放大子模塊和增益控制子模塊；所述增益控制子模塊接收系統(tǒng)輸入的通斷控制信號，切換相應的所述增益放大子模塊的工作狀態(tài)，以使所述第二級單元輸出不同増益的放大信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在于，所述第一反相器包括兩個第一電容、第一 NMOS管及第一 PMOS管；其中，所述第一 NMOS管的漏極和所述第一 PMOS管的漏極連接作為其輸出端，所述第一 PMOS管的源極接電源，所述第一 NMOS管的源極接地，所述鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號分別通過所述第一電容傳送到所述第一 PMOS管的柵極及所述第一 NMOS管的柵極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述第二反相器包括兩個第二電容、第二 NMOS管及第ニ PMOS管；其中，所述第二 NMOS管的漏極和所述第二 PMOS管的漏極連接作為其輸出端，所述第二 PMOS管的源極接電源，所述第二 NMOS管的源極接地，所述第一反相器輸出端輸出的脈沖信號分別通過所述第二電容傳送到所述第二 PMOS管的柵極及所述第二 NMOS管的柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在于，所述第一増益放大模塊包括第三NMOS管及第三PMOS管；其中，所述第三NMOS管的漏極和所述第三PMOS管的漏極連接作為其輸出端，所述第三PMOS管的源極接電源，所述第三NMOS管的源極接地，所述第二反相器輸出端與所述第三PMOS管的柵極及所述第三NMOS管的柵極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在干， 所述增益控制子模塊包括反相器、第四NMOS管及第四PMOS管；其中，所述第四NMOS管的漏極和所述第四PMOS管的漏極連接作為其輸出端，所述第四PMOS管的源極接電源，所述第四NMOS管的源極接地，所述的通斷控制信號為柵極通斷控制信號，所述反相器的輸出端與所述第四PMOS管的柵極相連，所述反相器的輸入端接收所述柵極通斷控制信號且與所述第四NMOS管的柵極相連； 所述增益放大子模塊，包括第五NMOS管及第五PMOS管；其中，所述第五PMOS管的漏極和所述第四PMOS管的漏極連接，且所述第五PMOS管的源極接電源，所述第五NMOS管的源極接地，所述第五NMOS管的漏極與所述第四NMOS管的漏極連接作為其輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率放大器，其特征在干，所述第二級單元還包括控制所述第二級單元工作狀態(tài)的所述第六PMOS管，所述第六PMOS管的源極接電源，所述第六PMOS管漏極與所述第一増益放大模塊中的第三PMOS管源極，以及所述第二増益放大模塊中的第五PMOS管源極相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在于，所述第一級單元的電源所述第二級單元的電源為兩個分離的不同電源，同樣，所述第一級單元的接地端與所述第二級單元的接地端分開。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在于，還包括依次串接的第三電容和一個電感，所述的第三電容的輸入端與所述第二級單元的輸出端相連，所述電感的輸出端為所述功 率放大器的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種功率放大器，該功率放大器包括第一級單元以及第二級單元；第一級單元接收鎖相環(huán)傳來的高頻脈沖信號并對其進行方波整形，以使脈沖信號的電平達到預設的閾值，其包括依次串接的第一反相器和第二反相器；第二級單元與第一級單元相耦接，接收經(jīng)過方波整形的脈沖信號，其包括依次串接的第一增益放大模塊和至少一個第二增益放大模塊，該第二增益放大模塊包括增益放大子模塊和增益控制子模塊；增益控制子模塊接收系統(tǒng)輸入的通斷控制信號，切換相應的增益放大子模塊的工作狀態(tài)，以使第二級單元輸出不同增益的放大信號。本發(fā)明的功率放大器實時調(diào)整功率放大器的增益，提升了功率放大器效率，實現(xiàn)了發(fā)射機的超低功耗。
文檔編號H03F3/24GK102983822SQ20121034984
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者李琛 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司