低輸出阻抗的rf放大器的制造方法
【專利說明】低輸出阻抗的RF放大器
本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/059488，國際申請日為2010年12月8日，進(jìn)入中國國家階段的申請?zhí)枮?01080063037.9，名稱為“低輸出阻抗的RF放大器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及多級射頻(RF)功率放大器(PA)，尤其涉及的是與之關(guān)聯(lián)的低輸出阻抗的RF放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]使用了幾乎所有可能的RF調(diào)制技術(shù)的幾乎所有的無線通信和控制系統(tǒng)的硬件實施方式，全都包含了 RF功率放大器(PA)作為必要組件。關(guān)于RF調(diào)制技術(shù)的示例包括但不局限于GMSK、8PSK、16-QAM、64-QAM，其中RF信號振幅可以始終恒定，并且可以采用處于連續(xù)或離散范圍的任何值。關(guān)于此類系統(tǒng)的示例包括但不局限于蜂窩GSM、CDMA、W-CDMA語音和數(shù)據(jù)終端、W1-F1、藍(lán)牙、遙控器、RFID讀取器。
[0003]用于蜂窩之類的無線應(yīng)用的RF功率放大器必須產(chǎn)生很高的增益和很高的輸出功率電平。在典型的RF發(fā)射機(jī)中，PA的輸出功率和增益需求是通過使用多個級聯(lián)的放大級滿足的，其中每一級都可以使用一個或多個有源設(shè)備，例如硅MOSFET和BJT、GaAs MESFET以及HBT。
[0004]圖1a顯示了本領(lǐng)域已知的多級PA的一個示例。在實施現(xiàn)有技術(shù)的多級PA的過程中，其中將會遭遇到大量的設(shè)計權(quán)衡。雖然圖1a描述的是使用NM0SFET設(shè)備作為有源元件，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯，諸如FET或BJT之類的其他類型的其他有源設(shè)備也是可以替代使用的。圖1a所示的PA具有兩個增益級120和121，其后跟隨的是匹配網(wǎng)絡(luò)122。輸出節(jié)點105與負(fù)載相耦合，其中在這里象征性地將所述負(fù)載呈現(xiàn)成是大小通常是50歐姆的電阻器113。匹配網(wǎng)絡(luò)122扮演的是阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的角色，它會將大小為50歐姆的相對較高的負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換成最終的PA級121的輸出端103看到的較低阻抗(例如5歐姆)。較低的阻抗限制了在節(jié)點103上呈現(xiàn)并且是將需要的最大輸出功率注入負(fù)載113所必需的最大電壓擺動。圖1a例示的匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感器110和電容器112，其與輸出級負(fù)載電感器108 —起形成了一個調(diào)諧變換電路。電容器111會阻止在匹配網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點104上呈現(xiàn)的DC電壓到達(dá)負(fù)載113。
[0005]PA輸出放大器級121包括以共源極配置的方式連接的有源設(shè)備MOSFET 109，以及連接在輸出節(jié)點103與電源Vdd之間的負(fù)載電感器108。流經(jīng)晶體管109的電流受連接至級輸出節(jié)點102的柵極端子與連接至接地端的源端子102之間的電壓差控制。晶體管109的漏極與級輸出節(jié)點103相連。作為晶體管109的共源極配置的直接結(jié)果，漏極節(jié)點上的電壓信號與柵極節(jié)點上的電壓信號大體上上是反相的。電感器108扮演了兩個角色:它會將DC電力提供給活動設(shè)備109，并且它使得與部件122相結(jié)合的諧振變換網(wǎng)絡(luò)完整。借助AC耦合電容器115，輸出放大器級121在節(jié)點102上接收來自前置放大器級120的輸入。
[0006]前置放大器級120包括以共源極配置的方式連接的有源設(shè)備MOSFET 107，以及連接在輸出節(jié)點114與電源Vdd之間的負(fù)載電感器106。流經(jīng)晶體管107的電流受連接至級輸入節(jié)點101的柵極端子與連接至接地的源端子之間的電壓差控制。晶體管107的漏極與級輸出節(jié)點114相連。作為晶體管107的共源極配置的直接結(jié)果，漏極節(jié)點上的電壓信號與柵極節(jié)點上的電壓信號大體上上是反相的。電感器106扮演了兩個角色:它會向有源設(shè)備107提供DC電力，并且使得與部件121呈現(xiàn)的輸入電容相結(jié)合的并聯(lián)諧振儲能電路完整。在圖1a呈現(xiàn)的特定電路中，AC耦合電容器115將節(jié)點114上呈現(xiàn)的DC電位與適合晶體管109的控制端子的偏壓的DC電位相隔離。在其他實施例中，作為審慎選擇電源電壓的結(jié)果，電容器115將被消除，并且節(jié)點114與102將會分擔(dān)相同的電位。前置放大器級120則在節(jié)點101上接收其輸入。
[0007]在圖1b中通過波形而從質(zhì)量方面示出了圖1a中給出的PA操作。前置放大器級120在節(jié)點101上接收底部圖表所示的正弦電壓波形。結(jié)果，如圖1b的中間圖表例示的那樣，前置放大器的輸出節(jié)點114以及類似放大器級121的輸入節(jié)點102將會呈現(xiàn)出與節(jié)點101上的波形大體上反相的電壓波形。同樣，如圖1b的頂部圖表例示的那樣，放大器級121在其輸出節(jié)點103上產(chǎn)生一個電壓波形，其中該波形與節(jié)點102上的波形大體上反相。
[0008]由于輸出放大器121在節(jié)點103上看到的是低負(fù)載阻抗，因此，流經(jīng)有源設(shè)備109的最大電流很大。由此，有源設(shè)備的物理尺寸將會很大。對有源設(shè)備來說，最大的非理想性是其端子之間的寄生電容。由于尺寸很大，設(shè)備109會在節(jié)點103與接地之間、節(jié)點102與接地之間以及節(jié)點103與節(jié)點102之間呈現(xiàn)很大的電容。
[0009]處于節(jié)點103與接地之間的有源設(shè)備的寄生電容可被認(rèn)為是嵌入在諧振變換網(wǎng)絡(luò)中的，并且不會顯著提高PA設(shè)計中涉及的權(quán)衡難度。
[0010]節(jié)點102與接地之間的有源設(shè)備的寄生電容會向前置放大器呈現(xiàn)出很大的電容負(fù)載。該電容必須通過前置放大器的輸出電感器106來被有效地諧振消除，否則前置放大器的增益將會塌陷到一個無法接受的值。由于電感器106的品質(zhì)因素Q非常有限，因此，針對前置放大器級的大電容負(fù)載值在可實現(xiàn)的前置放大器增益方面造成了大量的設(shè)計限制因素。
[0011]最為重要的是，處于節(jié)點103與節(jié)點102之間的有源設(shè)備的寄生電容在輸出放大器121的輸出與輸入端之間開放了一條反饋路徑，由此極大增大了電路不穩(wěn)定的概率。位于放大器121輸出和輸入端的電路網(wǎng)絡(luò)是有可能調(diào)諧在相同RF頻率上的調(diào)諧的諧振電路。對低于諧振的信號頻率來說，輸入和輸出電路將會呈現(xiàn)出電感阻抗，其與節(jié)點103與節(jié)點102之間的寄生電容以及活動設(shè)備109 —起形成了圖2所述的哈特利正弦振蕩器結(jié)構(gòu)。
[0012]參考圖2，有源設(shè)備201對應(yīng)于圖1a中的設(shè)備109。當(dāng)在低于諧振的頻率上操作時，電感器202對應(yīng)的是通過將電感器106與介于節(jié)點102和接地之間的寄生電容相結(jié)合而在節(jié)點102上呈現(xiàn)的電感阻抗。當(dāng)在低于諧振的頻率上操作時，電感器203對應(yīng)的是通過將電感器108與介于節(jié)點103和匹配網(wǎng)絡(luò)122之間的寄生電容相結(jié)合而在節(jié)點103上呈現(xiàn)的電感阻抗。電容器204對應(yīng)的是節(jié)點103與節(jié)點102之間的寄生電容。
[0013]由于在確保電容反饋連同電感負(fù)載所創(chuàng)建的負(fù)阻抗不會克服輸入電路的電阻損失的過程中涉及進(jìn)行權(quán)衡，因此，在PA的輸出放大器中，哈特利振蕩器結(jié)構(gòu)的存在將會產(chǎn)生大量的設(shè)計限制因素。參考圖la，輸入電路損失受電感器106的品質(zhì)因素控制。作為共源極(共發(fā)射極)配置的結(jié)果，前置放大器有源設(shè)備107對電阻損失的作用微乎其微。為了保證不滿足振蕩狀況，有必要權(quán)衡以下的一個或多個設(shè)計參數(shù)。這其中的一個權(quán)衡包括減小電感器106的品質(zhì)因素Q。然而，這樣做可能會嚴(yán)重限制前置放大器級120的可實現(xiàn)增益。另一個參數(shù)包括減小有源設(shè)備109的輸出放大器的跨導(dǎo)增益Gm。這種減小限制了輸出放大器121的可實現(xiàn)增益，并且增大了輸入節(jié)點102的最大擺動，由此顯著影響了 PA線性。
[0014]節(jié)點103與節(jié)點102之間的活動設(shè)備寄生電容創(chuàng)建的反饋路徑引入了另一個設(shè)計限制因素，那就是處于所關(guān)注的頻率并在輸入節(jié)點102與接地之間體現(xiàn)的電阻負(fù)載。理論上，如果沒有反饋寄生電容，那么有源設(shè)備109在節(jié)點102上呈現(xiàn)的阻抗將會是純電容性的。然而，大反饋電容會在節(jié)點102上呈現(xiàn)活動設(shè)備跨導(dǎo)的一小部分，由此實際向前置放大器級120添加了附加電阻負(fù)載。由于級120具有共源極(或共發(fā)射極)特性，因此，任何附加電阻負(fù)載都會直接變換成符合比例的增益降級。由于設(shè)備109是大跨導(dǎo)設(shè)備，因此，前置放大器的增益降級可能會很明顯。
[0015]本領(lǐng)域已知的用于緩解以上列舉的一些限制因素的方法是在前置放大器級120與輸出放大器121之間插入匹配網(wǎng)絡(luò)。這種級間匹配網(wǎng)絡(luò)會對級121的輸入呈現(xiàn)很低阻抗，同時為前置放大器級120保持大負(fù)載阻抗。在圖1a例示的特例中，AC耦合電容器115是作為前置放大器級120與輸出放大器121之間的鏈路存在的，并且該特例可被設(shè)計成致使電感器106、電容器115以及節(jié)點102與接地之間的組合形成一個阻抗變換匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3詳細(xì)顯示了圖1a中給出的級間匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。匹配網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點301對應(yīng)的是前置放大器輸出節(jié)點114。匹配網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點302對應(yīng)的是最終的放大器級輸入節(jié)點102。電感器303和電容器304分別對應(yīng)的是電感器106和電容器115。電容器305對應(yīng)的是節(jié)點102與接地之間朝著最終放大器級