美国射频芯片巨头 Qorvo 公布一项功率放大器专利
近期，美国射频芯片巨头 Qorvo 的这项发明专利（申请号：202511171615.5，公布号：CN 121727516 A）聚焦自偏置低谐波高效逆 D 类 RF 功率放大器电路系统，核心解决了传统 D 类功率放大器谐波分量高、偏置控制复杂、负载阻抗变化导致输出功率不稳定的行业痛点，专为 Zigbee、蓝牙低能量、超宽带等低功率低成本无线电场景设计，兼具高效率、低谐波、宽负载适配性三大核心优势，同时简化了射频芯片的外围设计，降低了整体系统成本。(图示来自专利文件，建议点击大图查看)我们一起来学习一下。No.1 专利研发背景传统射频功率放大器中，A/B/AB 类放大器线性好但效率低，而常规 D 类开关型放大器虽效率更高，却存在三阶谐波分量显著增加的问题；同时，低功率无线电应用中，天线阻抗的动态变化易导致输出功率波动，且传统偏置方案难以兼顾工艺、电压、温度（PVT）变化下的功率控制精度。Qorvo 此专利通过逆 D 类放大器架构 + 自偏置反馈回路 + 33% 占空比信号设计的组合方案，实现了 “高效率 + 低二阶 / 三阶谐波 + 恒定输出功率” 的三重突破，同时大幅减少芯片外滤波组件，适配低功耗、小型化的无线通信设备需求。No.2 核心电路系统架构该专利的功率放大器电路系统由逆 D 类功率放大器和自偏置电路系统两大核心部分组成，整体为全差分架构，搭配集成 RF 变压器实现平衡 - 不平衡转换，电路整体结构如图 1 所示。(图示来自专利文件，建议点击大图查看)1. 逆 D 类功率放大器核心设计逆 D 类放大器是实现高效率的基础，采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）开关型功率晶体管为核心，搭配共源共栅结构、RF 变压器和信号整形晶体管，解决了开关效率、电压隔离、谐波抑制的问题：主开关晶体管与共源共栅耦合：核心为 M1、M2 两个 LDMOS 开关晶体管，分别与 M3、M4 共源共栅耦合，将放大器输入与漏极高输出电压摆动隔离，避免 M3、M4 因高电压应力击穿，同时提升开关效率；电流波形整形：M5、M6 晶体管耦合在 M3、M4 源极与地之间，以高速操作将电流波形整形为接近方波，保证逆 D 类放大器的高效 RF 功率传输；集成 RF 变压器：变压器 16 的抽头输入绕组耦合 M1、M2 漏极，输出绕组耦合天线与地，同时搭配电容器 C1 实现调谐、滤波和阻抗匹配，且变压器作为平衡 - 不平衡转换器，直接抑制二阶谐波（H2）；偏斜校正驱动：由传输数字控制放大器 26 校正 RF 输入信号的定时失配，驱动器 24 为功率放大器提供驱动信号，保证开关动作的同步性，减少信号失真。2. 自偏置电路系统（核心创新点）自偏置电路系统是实现功率稳定、谐波控制和 PVT 适配的关键，由TX-LDO 低压差调节器、基于电流的数 / 模转换器（I-DAC）、数字处理器和电流镜反馈回路组成，形成闭环的栅极偏置电压控制：TX-LDO 调节器 30：为 M1、M2 生成受控栅极偏置电压vgate_pa，同时生成功率放大器工作电流I_PA（1mA~60mA 可调）和供电电压vdd_PA（1.2V~1.8V 可调），并通过电压比较器 32 将vdd_PA与外部参考电压vref_pa对比，动态调整偏置；电流镜与反馈电流缩放：功率放大器电流I_PA流经 PMOS 晶体管 MP1，由 MP2、MN1、MN2 以1:200 的比率镜像缩放，生成反馈电流，该电流与 I-DAC 生成的参考电流对比，作为 TX-LDO 调节栅极偏置的依据；4 位二进制缩放 I-DAC 34（图 2）：为 4 位二进制缩放 PMOS 电流源，最高有效位采用温度计编码的 16x 缩放结构，反馈电流调节范围为2μA~512μA，接收数字处理器的数字值生成参考电流；（图示来自专利图2，建议点击查看大图）数字处理器 36：实时接收栅极偏置电压vgate_pa反馈，通过固件 / 查找表生成数字值并经数字总线 38 发送至 I-DAC，实现反馈电流的数字化编程调整，进而精准控制I_PA和输出功率。3. 自偏置反馈闭环逻辑功率放大器与自偏置电路之间形成闭合的自偏置反馈回路，核心逻辑为：将天线负载的实际电流与 I-DAC 参考电流对比，动态调整栅极偏置电压vgate_pa，从而改变功率放大器工作电流I_PA，即使天线负载阻抗发生变化，仍能维持输出功率的恒定。No.3 关键技术设计与谐波抑制原理该专利实现低二阶 / 三阶谐波的核心在于全差分架构 + 33.33% 占空比 RF 输入信号的组合设计，同时兼顾漏极效率的提升，相关波形与频谱对比如图 3-6 所示：(专利图3)（专利图4）（专利图5）专利图5二阶谐波（H2）抑制：放大器为全差分架构，二阶谐波分量在两个差分输出端为同相，经集成 RF 变压器直接抑制，无需额外滤波组件；三阶谐波（H3）抑制：摒弃传统逆 D 类放大器的 50% 占空比方波信号，采用33.33% 占空比 RF 输入信号（图 5），该设计不会显著改变一阶谐波（有效信号）功率，却能大幅降低三阶谐波分量（图 6），同时让开关晶体管导通时的功率耗散减少，漏极效率显著提升；对比优势：50% 占空比信号的三阶谐波振幅更高（图 4），而 33.33% 占空比信号在保留有效功率的前提下，实现了 H3 的大幅衰减，且差分架构让 H2 被变压器完全抑制，最终实现低 H2/H3 双谐波抑制。No.4 、核心性能与技术优势相较于传统射频功率放大器架构，该专利的电路系统具备六大核心优势，且经实验验证性能表现优异：高效率低功耗：逆 D 类开关架构 + 33% 占空比设计，大幅提升漏极效率，降低电流消耗，显著改善无线设备的电池寿命；极低谐波失真：全差分架构 + 集成 RF 变压器抑制 H2，33.33% 占空比信号减少 H3，无需额外芯片外滤波组件，降低系统成本和体积；负载阻抗自适应：自偏置反馈回路实时调节输出功率，即使天线负载阻抗变化，仍能维持输出功率恒定（图 7 显示不同负载电阻下输出功率波动极小）；PVT 适配性强：基于 I-DAC 的自偏置架构简化了输出功率编程，有效抵消工艺、电压、温度变化带来的性能漂移；精准的功率控制：I-DAC 支持 2μA~512μA 反馈电流调节，数字处理器实现数字化编程，功率放大器电流I_PA在 1mA~60mA 精准可调；高集成度：将 RF 变压器、偏置电路、驱动电路集成于一体，适配小型化无线通信设备的设计需求。No.5 、电路系统的应用场景该功率放大器电路系统并非独立器件，而是集成于无线通信装置的传输电路中（图 9），可广泛应用于支持低功率、低成本无线通信的各类设备，核心应用场景包括：短距离无线通信设备：Zigbee 模块、蓝牙低能量（BLE）设备、近场通信（NFC）设备；超宽带（UWB）设备：UWB 测距、定位模块，带宽支持 3.1GHz~10.5GHz（带宽 > 500MHz）；便携式智能设备：智能手表、手环、无线耳机、移动终端；物联网（IoT）节点：低功耗传感器、物联网网 关、智能家居控制模块；其他射频设备：无线局域网（WLAN）设备、导航装置、射频接入点（AP）。总结Qorvo 的这项自偏置低谐波高效逆 D 类 RF 功率放大器专利，是针对低功率低成本无线电应用的一次重要技术创新，其核心价值在于打破了传统 D 类放大器 “高效率与低谐波不可兼得” 的折中困境，同时通过自偏置反馈回路解决了负载阻抗变化导致的功率不稳定问题。该设计不仅实现了效率、谐波、功率稳定性的三重提升，还通过高集成度减少了外围组件，降低了系统成本和体积，完美适配物联网、便携式智能设备、短距离无线通信等场景的低功耗、小型化需求，也体现了射频功率放大器向数字化偏置、高集成度、宽场景适配发展的行业趋势。来源：射频学堂
