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    本發明的一個實施例涉及一種功率放大器，其包括以串並聯矩陣配置連接的多個放大元件，所述串並聯矩陣配置包含具有串聯連接的放大元件的並聯列。所述並聯列被連接到公共輸出路徑，所述公共輸出路徑被耦合到配置成將相等的供電電壓提供給每列的供電電壓源。一個或多個輸入信號(例如RF輸入信號)透過第一行放大元件上的輸入端子被連接到功率放大器。剩餘的放大元件具有連接到獨立控制信號的控制端子，這允許每個放大元件獨立於該矩陣中的其他放大元件而被操作。放大元件的該選擇性操作允許在寬範圍的功率放大器輸出功率上改進的效率。
    公开号:TW201320587A
    申请号:TW101128233
    申请日:2012-08-06
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Sandro Pinarello；Jan-Erik Mueller
    申请人:Intel Mobile Comm Gmbh；
    IPC主号:H03F1-00
    专利说明:
    用於改進的回退操作的一類功率放大器
    本發明是關於一種功率放大器，特別是有關於一種用於改進的回退操作的一類功率放大器。
    功率放大器是增大(即放大)電信號的功率的電子裝置。功率放大器被廣泛地用在低功率通信系統中。典型地，功率放大器位於傳輸鏈的輸出級，並且被配置成在射頻(RF)信號從天線被傳送之前增大其功率。
    採用功率放大器的通信系統可以根據某些通信標準(例如EDGE、WCDMA、LTE等等)來發送信號。許多這樣的通信標準允許具有不同發射統計的不同輸出功率位準。因此，功率放大器常常被操作以生成跨越寬的輸出功率範圍(例如從低輸出功率到最大輸出功率)的輸出信號。然而，當功率放大器被操作以輸出具有小於放大器被設計的最大輸出功率的信號時，功率放大器的效率降低。
    功率放大器的效率的降低可以透過降低在功率放大器的輸出端處的DC供電電壓以便降低功率放大器的總功率消耗來減輕。這種解決方案的有效性取決於功率放大器負載與輸出阻抗之間的最佳負載匹配，其由位於功率放大器的輸出端的輸出匹配網路來控制。為了保持高效率，輸出匹配網路在供電電壓改變時改變輸出阻抗。在沒有輸出阻抗的對應改變的情況下改變DC供電電壓引起阻抗不匹配，這降低了功率放大器的效率。
    現在將參考附圖來描述本發明，其中相同的附圖標記被用來始終指代相同的元件，並且其中所示的結構和裝置不一定是按比例繪製的。
    本發明的一些態樣提供在寬範圍的輸出功率上保持高效率的功率放大器。在一個實施例中，功率放大器包括以串並聯矩陣配置連接的多個放大元件，所述串並聯矩陣配置包含以串聯連接來連接的放大元件的並聯列。所述並聯列被連接到與供電電壓源耦合的公共輸出路徑，所述供電電壓源被配置成向每列提供相等的供電電壓。所述多個放大元件具有被連接到獨立控制信號的控制端子，這允許每個放大元件獨立於該矩陣中的其他放大元件而被操作。第一行的放大元件具有進一步連接到一個或多個輸入信號(例如RF輸入信號)的控制端子。當以最大輸出功率操作時，所有放大元件進行操作以放大(一個或多個)輸入信號。當以功率減小的、回退操作模式操作時，獨立的控制信號允許放大元件的子集操作為放大器，而剩餘的放大元件操作為基本上不消耗功率的開關。放大元件的該選擇性操作允許在寬範圍的功率放大器輸出功率上改進的效率。
    圖1示出如在此提供的功率放大器電路100的第一實施例的示意圖。
    功率放大器電路100包括處於串並聯矩陣配置的多個放大元件102。該串並聯矩陣配置包含M列104a-104m和N行106a-106n。各個列具有以串聯連接來連接的N個放大元件102a,x-102n,x。列104被並聯連接到與DC供電電壓源108耦合的公共輸出路徑，該DC供電電壓源108被配置成輸出可變供電電壓Vdd。可變供電電壓Vdd被相等地施加到每列中的最後一個放大元件102a,1-102a,m的輸出端子。
    每個放大元件102具有被配置成接收獨立控制信號的控制端子110。該獨立控制信號使每個放大元件能夠獨立於矩陣中的其他放大元件而被操作。因此，功率放大器的主動(active)區(例如，在功率放大器架構中充當放大器的放大元件的數目)可以結合對供電電壓Vdd的調整而被選擇性地調整，從而實現在寬範圍的功率輸出上矩陣阻抗和輸出負載阻抗之間的匹配。
    更特別地，在操作期間，對功率放大器的主動區和供電電壓的改變允許功率放大器電路100以最大功率輸出(即生成最大輸出功率)或者以一個或多個回退操作模式(例如生成減小的輸出功率)來高效地操作。
    例如，當以最大輸出功率操作時，功率放大器矩陣中的多個放大元件102被操作為放大器。特別地，所有放大元件102放大在控制端子110n處接收的(一個或多個)輸入信號(例如RF輸入信號)。例如，放大元件102a,1-102n,1放大在控制端子110n,1處接收的RF輸入信號，放大元件102a,2-102n,2放大在控制端子110n,2處接收的RF輸入信號，等等。
    當以回退操作模式操作時，為了保持與以最大輸出功率相同的效率，透過選擇性地將多個放大元件的子集操作為放大器而將剩餘的放大元件操作為非放大器(例如作為導通的或斷開的開關)來減小DC供電電壓Vdd並且減小功率放大器的主動區。
    在一個實施例中，放大元件102可以包括半導體裝置(即電晶體)。例如，放大元件可以包括砷化鎵(GaAs)半導體裝置。在這樣的實施例中，每個電晶體的控制端子110包括閘極端子，其被配置成接收閘極偏壓電壓以用於控制電晶體的源極端子112和汲極端子114之間電流的流動。一列堆疊的電晶體裝置以串聯連接來連接，使得第一電晶體的汲極114n被連接到下一電晶體的源極112，並且最後一個電晶體的汲極被配置成從DC供電電壓源108接收汲極電壓Vdd。最後一個電晶體的汲極還透過優化的輸出負載116被連接到功率放大器的輸出端子。
    本領域中具通常知識者將認識到，透過改變施加到電晶體的閘極偏壓電壓和/或汲極電壓，這樣的半導體電晶體裝置可以在操作為放大器、斷開的開關(即開路)和閉合的開關(例如短路)之間進行切換。
    例如，透過施加將電晶體驅動成操作的主動區(飽和區)的特定閘極偏壓電壓，該電晶體可以被操作為放大器。當操作為放大器時，該電晶體被配置成放大施加到閘極端子或源極端子的電流。因此，在最大輸出功率(即所有電晶體操作為放大器)，在輸入端子110n,1處施加的RF輸入信號被電晶體102n,1…102b,1和102a,1放大。如果閘極偏壓電壓被足夠地減小(例如VGS<VTH)，則該電晶體操作為關斷的開關(即汲極和源極之間不導通的開路)。如果閘極偏壓電壓被足夠地增大(例如增大到將電晶體驅動到歐姆區的值)和/或如果供電電壓被足夠地降低(例如降低到一個值，使得VGS-VTH高於Vdd)，則電晶體操作為接通的開關(即短路)。
    圖2示出以最大輸出功率操作的並且處於回退操作模式的功率放大器電路200的示意圖，該功率放大器電路200包括處於串並聯矩陣配置的多個電晶體。本領域中具通常知識者將認識到，儘管圖2在下面針對具有相等的寬度和/類型的電晶體的矩陣進行描述，但這是一個非限制性實例，其被提供以更好地解釋在本文公開的概念。
    參考圖2，經過列中的每個串聯耦合的電晶體的電流是相同的，並且列兩端的電壓降等於列中的每個串聯耦合的電晶體兩端的電壓降的總和。因此，在最大輸出功率(其中MxN電晶體操作為放大器)，電流ITS=IMAX/M被每個電晶體遞送並且電壓降VTS=Vdd，max/N被分佈在每個電晶體兩端(因為汲極電壓Vdd被相等地施加到每個並聯列)。因此，由每個電晶體看到的阻抗是ZTS=VTS/ITS=Zload．M/N=Zopt，並且每個電晶體的汲極效率(η)等於：η=Pout/Pdc=Pout/(Vdc．Idc)=Pout/(Vdd,max．Imax/(N．M))。
    在回退操作模式中，功率放大器電路的主動區被減小，使得LxP電晶體的子集202被配置成操作為放大器，而剩餘電晶體操作為幾乎沒有使用DC功率(例如不具有電流或電壓)的非放大器。如圖2所示，子集202包括串並聯矩陣的列中的放大元件的一部分(例如N個放大元件的列中的P個放大元件)以及串並聯矩陣配置矩陣的行中的放大元件的一部分(例如M個放大元件的行中的L個放大元件)。
    因此，在回退操作模式中，電流ITS=IMAX/M被每個啟動電晶體遞送，從而由功率放大器遞送的總電流是ITS=Imax．(L/M)。汲極電壓被減小到Vdd．P/N，從而電壓降VTS=Vdd,max．(P/N)/P=Vdd,max/N被分佈在每個電晶體兩端。因此，由每個電晶體看到的阻抗等於VTS/ITS=Zload．M/N，並且汲極效率(η)等於：η=Pout/Pdc=Pout/(Vdc．Idc)=Pout/(Vdd,max．Imax/(N．M))。
    因此，透過與供電電壓Vdd的改變成比例地調整功率放大器電路的主動區(即透過選擇性地改變操作為功率放大器矩陣內的放大器的電晶體的數目)，鑒於供電電壓Vdd的改變，功率放大器的效率保持不變。換言之，功率放大器的效率在回退操作模式中被保持，因為輸出功率Pout和DC電流之間的比與DC供電電壓比成正比地減小。這允許功率放大器的總效率在寬範圍的輸出功率上保持恒定。
    圖3a-3c示出如在此提供的示例性功率放大器的特定實例。圖3a示出功率放大器的示意圖。圖3b和3c顯示針對不同輸出功率被示出為電流源306(當以放大器模式操作時)、斷開的開關/開路310(當以斷開的開關模式操作時)、或閉合的開關/短路312(當以導通的開關模式操作時)的功率放大器中的電晶體的方塊圖，其中寄生電容308(例如閘極-源極電容)被顯示為與電流源306並聯。
    將認識到，在此提供的示例性功率放大器是簡化的實例，其被示出以更好地解釋在本文公開的發明概念。因此，本領域中具通常知識者將認識到，所示出的功率放大器可以被包括在較大的功率放大器矩陣內，或者所示的電晶體可以對應於一個或多個實際電晶體(例如堆疊的電晶體、疊接電晶體等等)。例如，圖3a中的電晶體M1可以對應於多個實際電晶體(例如兩個或更多個串聯/並聯耦合的電晶體)，其累積地具有由電晶體M1所代表的特性。
    參考圖3a，功率放大器300包括處於串並聯配置的2×2矩陣的電晶體M1-M4。在所示的實施例中，電晶體M1-M4中的每個具有基本上相等的閘極寬度並且屬於相同的類型(例如p型、n型)。在可替換實施例中，電晶體可以具有變化的閘極寬度(例如如圖13所示)和/或屬於變化的類型。
    分開的輸入信號RFin1和RFin2在電晶體M1和M2的DC解耦的閘極端子處被連接到功率放大器300。所述分開的RF輸入信號根據不同的放大路徑來放大，從而允許該矩陣被操作以高效地生成寬範圍的輸出功率。例如，輸入信號RFin1由包含放大電晶體M1和M3的矩陣的列連續地放大(即將功率輸出相加)，以及輸入信號RFin2由包含放大電晶體M2和M4的矩陣的列連續地放大。
    DC-DC轉換器302被耦合到具有最優輸出負載Zopt的公共輸出路徑。DC-DC轉換器302被配置成向電晶體M3和M4的汲極提供相等的供電電壓Vdd。
    偏壓控制器304被配置成生成多個獨立的閘極偏壓電壓Vg1-Vg4，其被施加到電晶體M1-M4的閘極端子，如圖中所示(例如Vg1被施加到電晶體M1的閘極，Vg2被施加到電晶體M2的閘極，等等)。將獨立的閘極偏壓電壓Vg1-Vg4施加到分開的電晶體閘極允許分開的電晶體單獨地操作為放大器、斷開的開關/開路、或者閉合的開關/短路。
    如圖3b所示，在最大輸出功率，電晶體M1-M4被操作為放大器(例如M1和M3放大RFin1並且M2和M4放大RFin2)。特別地，電晶體M3和M4的汲極被偏壓為標稱供電電壓Vdd。施加到電晶體M1和M2的閘極偏壓電壓具有相等的值(例如Vg1=Vg2)，其是根據功率放大器的期望類的操作來選擇的。施加到電晶體M3和M4的閘極偏壓電壓也具有相等的值(例如Vg3=Vg4)，其被選擇成使得在公共輸出路徑處的電壓擺動在矩陣的列之間被相等地劃分。
    這樣的偏壓條件使得電晶體M1和M3生成電流I，並且電晶體M2和M4具有電流I，總輸出電流為2I。此外，矩陣的每行經歷Vdd/2的電壓降(例如，電晶體M1和M2每個都經歷Vdd/2的電壓降，並且電晶體M3和M4每個都經歷Vdd/2的電壓降)，總電壓降為Vdd。這些偏壓條件導致總輸出功率為Pmax，它是針對恒定的輸出負載Zopt(以最優反射係數「opt達到的)而優化的。
    如圖3c中所示，在回退操作模式中，電晶體M3和M4的汲極被偏壓為減小的供電電壓Vdd/2。閘極偏壓電壓Vg2保持與在最大輸出功率(例如圖3b)時相同，使得電晶體M2繼續操作為放大器。閘極偏壓電壓Vg4被升高到使得電晶體M4操作為閉合的開關(即短路)的電壓值。閘極偏壓電壓Vg1和/或Vg3被降低到使得電晶體M1和M3操作為斷開的開關的電壓值。
    這樣的偏壓條件使得電晶體M2和M4具有電流I，並且電晶體M1和M3具有電流0，總輸出電流為I。此外，電晶體M2經歷Vdd/2的電壓降，並且電晶體M4經歷0的電壓降，總電壓降為Vdd/2。這些偏壓條件產生最大輸出功率的1/4的總輸出功率(即Pmax/4)。然而，總體功率放大器電路的效率(即功率放大器的主動區的效率)保持相同，並且電晶體保持以恒定負載阻抗Zopt(以達到以最優反射係數「opt的輸出功率)而優化。
    圖4a-4b示出示例性功率放大器電路400的一個可替換實施例的示意圖。功率放大器電路400包括在位於串聯連接的(即堆疊的)電晶體的相鄰列上的節點404a和404b之間的電連接402。電連接402使得電晶體M3和M4以並聯連接來連接。
    在最大輸出功率，電晶體M3和M4二者被偏壓為等於Vg3的閘極電壓，其被選擇以具有除這兩列電晶體的兩端的輸出電壓的值。相同的閘極偏壓電壓的使用使得電晶體M3和M4在方塊406中操作為單個電晶體。電晶體M1和M2可以被偏壓為具有相等值的閘極電壓(例如Vg1=Vg2)，其是根據功率放大器的期望類的操作來選擇的。
    在回退操作模式中，如圖4b所示，最上面的汲極的偏壓電壓可以被降低到Vdd/2，並且供應到電晶體M3和M4的閘極偏壓電壓Vg3可以被升高以驅動方塊406中的電晶體以操作為導通開關(即短路)。電晶體M3和M4的並聯連接降低功率放大器電路400中的損耗。
    再次參考圖4a，供電電壓Vdd和一些閘極偏壓電壓Vgx透過抗流器408被連接到功率放大器。抗流器408允許低頻(例如DC)信號透過，但是阻擋高頻(例如RF)信號。例如，位於電晶體M3和M4的汲極和供電電壓源Vdd之間的抗流器408a允許DC供電電壓Vdd自由地流動，同時阻擋經放大的RF信號的流動。
    RF輸入端RFin1和RFin2透過電容器410被連接到功率放大器。電容器410允許高頻RF信號透過，但是阻擋低頻(例如DC)信號。例如，位於RF輸入端RFin1和電晶體M1的閘極之間的電容器410a允許RF輸入信號自由地流動，同時阻擋DC閘極電壓Vg1的流動。
    圖5a-5c示出如在此提供的示例性功率放大器的一個可替換實施例。圖5a示出功率放大器電路500的示意圖。圖5b和5c顯示被示出為電流源、斷開的開關/開路、或閉合的開關/短路的、圖5a中的電晶體的方塊圖。
    參考圖5a，單個電晶體M2具有耦合到供電電壓源Vdd的汲極和連接到並聯電晶體MA和MB的源極。電晶體MA和MB每個分別具有單獨的RF輸入端RFinA和RFinB。在一個實施例中，如下所述，電晶體M2可以具有並聯電晶體MA和MB的閘極寬度的兩倍的閘極寬度，使得電晶體M2兩端的電流的密度與電晶體MA和MB兩端的電流的密度相同。
    可變調諧電容器Ctune被連接到電晶體M2的閘極。調諧電容器Ctune調節RF信號與供電電壓Vdd的耦合，使得供電電壓被相等地分佈在矩陣的行兩端(例如包含M2的行和包含MA和MB的行)。在一個實施例中，調諧電容器Ctune可以包括變容二極體。在一個可替換實施例中，調諧電容器Ctune可以包括在為製造功率放大器電路而選擇的技術中可用的標準電容器的可重新配置的組。
    圖5b示出以最大輸出功率操作的功率放大器電路500。如圖5b所示，當以最大功率操作時，供電電壓被設置為Vdd並且電晶體MA、MB和M2被操作為放大器。電晶體MA和MB每個被配置成具有I/2的電流，並且電晶體M2被配置成具有I的電流，使得總輸出電流為I。
    圖5c示出以6dB回退操作模式操作的功率放大器電路500。如圖5c所示，當以回退操作模式操作時，供電電壓被減小到Vdd/2，閘極偏壓電壓Vg2被調整以短路電晶體M2，並且閘極偏壓電壓VgA被調整以關斷電晶體MA。所得到的總輸出電流是I/2，即在最大功率時電流的一半。此外，以相同的效率操作的電晶體MB輸出最大輸出功率的1/4的功率。
    圖6示出顯示處於回退操作模式的圖5a的功率放大器電路的寄生元件的方塊圖600。如圖6所示，可調諧電容器Ctune可以作為RF信號路徑上的旁路電容器被連接在M2的閘極處。在最大輸出功率，電容器Ctune可以被調諧以調節RF信號與在電晶體M2的閘極處的閘極偏壓電壓Vg2的耦合，使得供電電壓被相等地分佈在矩陣的行兩端。
    在回退操作模式中，電晶體M2被操作為具有電阻RC的短路(例如處於導通狀態的開關)，並且電晶體MA被操作為開路(例如處於斷開狀態的開關)。因為短路和開路的非理想性，所以放大電晶體MB將不以理論上預期的最優阻抗而在功率放大器輸出端處被給出，這是由於存在寄生(例如CGD、CGS)。
    在這樣的實施例中，電容器Ctune操作為RF輸出路徑(在MB的汲極處)和地之間的旁路電容器。電容器Ctune的電容可以被改變以使寄生電容對處於回退操作模式的放大功率放大器的效率的影響最小化(例如以便改進由電晶體MB看到的反射係數)。換言之，電容器Ctune可以被改變以在不調諧匹配網路602的情況下調諧啟動電晶體MB的負載。透過不改變匹配網路602，在最大輸出功率處的功率放大器性能不被降低。
    圖7示出操作功率放大器的示例性方法700的流程圖。儘管方法700在下面被示出和描述為一系列動作或事件，但是將認識到，所示出的這樣的動作或事件的排序不應在限制性意義上來解釋。例如，一些動作可以以不同的順序發生和/或與除了在此所示出和/或描述的那些之外的其他動作或事件同時地發生。另外，不是所有所示出的動作都會被需要以實施在此的公開的一個或多個方面或實施例。而且，在此所描繪的動作中的一個或多個可以以一個或多個單獨的動作和/或階段來執行。
    此外，所請標的可以被實施為方法、裝置或製造品，其使用標準編程和/或工程技術以產生軟體、韌體、硬體、或其任何組合以控制電腦來實施所公開的標的(例如，圖1、2等等所示的電路是可以被用來實施方法700的電路的非限制性實例)。如本文所使用的術語“製造品”意圖包括從任何電腦可讀裝置、載體或介質可訪問的電腦程式。當然，本領域中具通常知識者將認識到，在不偏離所要求保護的主題的範籌或精神的情況下可以對該配置做出許多修改。
    在702，以包含並聯列的串並聯矩陣配置來連接多個放大元件。更特別地，該串並聯矩陣配置包含M個並聯列，其中各個列具有以串聯連接來連接的N個放大元件。這些列被並聯連接到與DC供電電壓源耦合的公共輸出路徑，該DC供電電壓源被配置成提供供電電壓。
    在704，分開的輸入信號被提供給每列中第一串聯耦合的放大元件的控制端子。因此，分開的輸入信號被提供給每列以用於對該列進行操作(例如放大)。在一個實施例中，所述分開的輸入信號包括從公共RF輸入信號生成的RF輸入信號。
    在706，可變供電電壓被提供給每列中第一串聯耦合的放大元件的控制端子。
    在708，分開的控制信號被提供給包括在該矩陣內的分開的放大元件的控制端子。例如，分開的控制信號可以被提供給每個放大元件的單獨的控制端子。獨立控制信號的使用允許透過將放大器元件的子集獨立於矩陣中的其他放大元件而操作為放大器來調整功率放大器的主動區。例如，當以最大輸出功率操作時，所有放大元件都操作為放大器以放大(一個或多個)輸入信號。當以功率減小的、回退操作模式操作時，獨立控制信號允許放大元件的子集操作為放大器，而剩餘的放大元件操作為基本上不消耗功率的非放大器。
    因此，方法700允許結合功率放大元件的選擇性操作來調整可變供電電壓以放大輸入信號，從而導致在寬範圍的輸出功率上改進的功率放大器效率。
    將認識到，在功率放大器處接收的射頻輸入信號可以被分成兩個或更多個RF輸入信號，其被提供給在此提供的功率放大器串並聯矩陣配置的分開的列。兩個或更多個RF輸入信號的使用允許功率放大器矩陣的列被分開地操作以生成經放大的RF輸出信號。
    例如，單個RF輸入可以被劃分成兩個RF輸入。發明人已經認識到，將單個RF輸入信號劃分成兩個或更多個RF輸入信號可以以許多種方式來完成。圖8a-8c示出可以被用來將一個RF輸入信號RFin分成多個RF輸入信號(RFinA和RFinB)的電路的三個可能實施例。將認識到，這些實施例是非限制性實施例，並且發明人已經認識到可以達到類似目的的附加實施例。
    圖8a示出其中節點RFinA、RFinB和RFin被耦合到公共節點的電路。如圖8a所不，RF輸入信號被饋入節點RFin，該節點RFin被分成將RF信號輸出到節點RFinA的第一支路和將RF信號輸出到節點RFinB的第二支路。圖8b示出包括位於將RF信號輸出到節點RFinA的第一支路的開關802的電路的附加實施例。
    圖8c示出包括功率分配器804的電路的附加實施例，其被用來從被饋入節點RFin的RF輸入信號來在節點RFinA和RFinB處生成RF信號。功率分配器將來自節點RFin的RF輸入信號接受為輸入，並且基於其而輸出信號，即在節點RFinA和RFinB處輸出的RF信號。在節點RFinA和RFinB處輸出的RF信號具有基本上相等的幅度並且在其之間具有高度隔離。
    儘管在此所示的實施例已經示出2×2矩陣，但是將認識到，在此公開的基本思想可以被應用於具有更大數目的放大元件的矩陣配置。例如，圖9示出具有3×3矩陣的電晶體的功率放大器電路900的另一實施例的示意圖，其允許功率放大器電路900以多個回退操作模式來操作。在一個實施例中，電晶體M1-M9具有基本上相等的閘極寬度，使得每行的電流密度基本上相等。該矩陣還包括在矩陣中堆疊的電晶體的列的內部節點之間的互連902a-902c。
    在供電Vdd並且在閘極端子偏壓為Vg3、Vg2=Vg2’、Vg1=Vg1’=Vg1”的情況下實現功率放大器的最大輸出功率，這使得所有電晶體充當放大器並且相等地劃分在並串聯矩陣的行兩端的輸出電壓。可以透過將供電電壓降低到Vdd．2/3並且透過升高Vg3以將電晶體M7、M8和M9切換為導通開關來實現具有3.5dB回退的第一回退操作模式。閘極偏壓Vg2和/或Vg1可以被降低以便關斷支路M4-M1。可以透過進一步將最上面的汲極偏壓降低到Vdd/3，透過經由作用於閘極偏壓電壓Vg2’而接通電晶體M5和M6，並且透過關斷電晶體M2，可以實現具有9.5dB回退的第二回退操作模式。
    將認識到，在可替換實施例中可以改變堆疊的電晶體之間的互連的位置。正如本領域中具通常知識者將認識到的那樣，對於互連的這種改變將不影響在此公開的功率放大器的概念上的功能，但是可以出於設計原因而被利用。
    例如，圖10a示出具有電晶體矩陣的內部節點之間的互連1002的功率放大器電路1000的示意圖的一個可替換實施例。圖10b-10d在視覺上例示了不同操作模式。
    如圖10b所示，功率放大器電路1000使用Vg1=Vg2=Vg3、Vg4=Vg5=Vg6和Vg7=Vg8=Vg9的閘極偏壓配置來實現針對供電電壓Vdd的最大輸出功率。這樣的閘極偏壓使得功率放大器電路1000的所有級放大以及生成在並串聯矩陣的行兩端被相等地劃分的輸出電壓。所得到的輸出功率是最大輸出功率。
    如圖10c所示，可以透過將供電電壓降低到(2*Vdd)/3並且透過將閘極偏壓電壓Vg4、Vg5和Vg6升高到將電晶體M4、M5和M6切換到導通狀態(即到短路)的值來實現第一回退操作模式。閘極偏壓電壓Vg3和Vg9被降低以便關斷電晶體M3和M9(即到開路)。這種第一回退操作模式的所得到的輸出功率將是最大輸出功率的4/9(即3.5dB回退)。
    如圖10c所示，可以透過進一步將供電電壓降低到Vdd/3並且透過進一步調整閘極偏壓電壓Vg7、Vg8和Vg9以接通電晶體M7、M8和M9以及降低閘極偏壓電壓Vg1以關斷電晶體M1來實現第二回退操作模式。這種第二回退操作模式的所得到的輸出功率將是最大輸出功率的1/9(即9.5dB回退)。
    圖11a-11d示出功率放大器的另一可替換實施例。圖11a示出功率放大器電路1100的示意圖。圖11b-11d顯示被示出為電流源、斷開的開關、或短路的、電晶體的方塊圖。
    如圖11a所示，單個電晶體M6(其具有等於圖9中的電晶體M7-M9的閘極寬度的總和的閘極寬度)具有耦合到供電電壓Vdd的汲極和耦合到兩個並聯電晶體M4和M5的源極。在一個實施例中，電晶體M4和M5的累積閘極寬度等於電晶體M6的閘極寬度。電晶體M4具有耦合到電晶體M1的源極。在一個實施例中，電晶體M1和M4具有相等的閘極寬度。電晶體M5具有耦合到並聯電晶體M2和M3的源極。在一個實施例中，電晶體M2和M3的累積閘極寬度等於電晶體M5的閘極寬度。
    在圖11b中用圖形表示對應於最大輸出功率的操作模式，其中矩陣中的所有電晶體是放大的。
    可以透過將供電電壓降低到(2*Vdd)/3並且透過將Vg6升高到將電晶體M6切換到導通狀態(即M6充當短路)的電壓值來實現第一回退操作模式。閘極偏壓Vg1和/或Vg4被降低以便關斷電晶體M1和M4。這種第一回退操作模式的所得到的輸出功率將是最大功率的4/9(即3.5dB回退)。
    透過進一步將供電電壓降低到Vdd/3並且透過改變閘極偏壓Vg5以接通電晶體M5以及透過改變閘極偏壓Vg2從而關斷電晶體M2來實現第二回退操作模式。這種第二回退模式的輸出功率將是最大輸出功率的1/9(即9.5dB回退)。
    圖12示出如在此提供的示例性功率放大器電路1200的一個可替換實施例。圖12的功率放大器電路1200利用疊接放大器來代替在先前實施例中示出的電晶體。例如，圖12示出包括兩個電晶體的疊接放大器1202，其中一個操作為共源極並且另一個操作為共閘極。
    在一個實施例中，疊接放大器1202a包括兩個堆疊的電晶體M6和M5，它們可以具有相同的寬度。疊接放大器1202a的源極被耦合到並聯連接的兩個疊接放大器1202b和1202c。疊接放大器1202b包括電晶體M1和M2，它們可以具有電晶體M5和M6的閘極寬度的一半的閘極寬度。疊接放大器1202b包括電晶體M3和M4，它們可以具有電晶體M5和M6的閘極寬度的一半的閘極寬度。在一個可替換實施例中，疊接放大器1202b和1202c可以具有基本上等於疊接放大器1202a的閘極寬度的不相等的閘極寬度。在另一可替換實施例中，疊接放大器1202b和1202c可以具有不等於(例如寬於)疊接放大器1202a的閘極寬度的總閘極寬度。
    阻塞電容器C6、C2和C4被相應地設計以達到疊接放大器關於增益、輸出功率和效率方面的需求。偏壓由受控的偏壓框來提供。電容器Ctune平衡在行兩端(例如M6、M5和M2以及M4、M1和M3)的最上面的汲極處的RF擺動，並且也可以被實現為變容二極體或者被實現為在被選擇用於製造電路的技術中可用的標準電容器的動態可重新配置的組。
    圖13示出如在此提供的示例性功率放大器電路1300的一個可替換實施例。圖13設計的功率放大器電路1300是從圖12的實施例中透過將電晶體M5和M3劃分成具有不同閘極節點的兩個並聯電晶體(分別是圖13中的M6-M7和M2-M3)而導出的。
    功率放大器電路1300可以以最大輸出功率並且以各種回退位準操作模式來操作，如下面在表1中所總結的那樣。
    為了確保每個電晶體上的電流密度保持不變而不管回退模式如何，電晶體M1、M3、M4和M6可以被選擇以具有相同的寬度，電晶體M2可以被選擇以具有M1的寬度的兩倍的寬度，電晶體M5和M7可以被選擇以具有M1的寬度的三倍的寬度，並且電晶體M8可以被選擇以具有M1的寬度的四倍的寬度。在圖13中示出關於參考電晶體M1的寬度w而被標準化的寬度。
    電晶體M1、M2和M3的閘極是DC解耦的。RF輸入信號被輸入到功率放大器以作為在電晶體M1、M2和M3的閘極端子處的RFin1、RFin2和RFin3。阻塞電容器C4、C5和C8以及調諧電容器C6和C7可以包括變容二極體或者在被選擇用於製造電路的技術中可用的可切換標準電容器的組。
    圖14示出顯示作為回退(以dB計)的函數的功率放大器(類似於圖13中示出的功率放大器)的效率的測量的圖1400，其中輸出負載被保持在針對最大輸出功率而優化的值。回退沿著x軸從在最大輸出功率處的0dB延伸到近似-25dB。虛線1402顯示所有放大元件都作為放大器來操作的(例如以最大輸出功率)的功率放大器的效率。如圖1400所示，虛線1402的效率隨著提供給頂部的疊接放大器的汲極的供電電壓被降低而減小。
    實線1404顯示其中最上面的疊接放大器被切換到短路並且底部疊接放大器之一被關斷(例如處於回退操作模式，其具有的主動區為最大輸出功率的主動區的1/3)的功率放大器的效率。如圖1400所示，在近似-7dB的回退處，回退操作模式1404的效率改進為超過最大輸出功率1402。因此，圖1400示出，當放大元件的子集操作為放大器並且剩餘放大元件操作為非放大元件時，回退操作模式在高回退處(低輸出功率)實現較大的效率。因此，所公開的功率放大器電路(其被配置成以最大輸出功率和以回退操作模式這二者來操作)可以在寬範圍的輸出功率上處於高效率。
    圖1400還示出使用回退操作模式實現的對DC-DC轉換器(例如對應於DC-DC轉換器302)的效率的改進。如圖14所示，為了達到某一輸出功率，相對于完全地接通的結構，部分關斷的解決方案需要較高的最上面的汲極電壓。例如，對於回退模式1404，在2V的功率處實現-7dB的回退，而對於以最大輸出功率1402操作的功率放大器，在近似1.6V的較低功率處實現-7dB的回退。因為DC-DC轉換器的效率連同所產生的電壓一起下降，所以使用回退操作模式改進了功率放大器的總效率。
    儘管已經相對於一個或多個實施示出並描述了本發明，但是在不偏離所附權利要求書的精神和範籌的情況下可以對所示的實例做出改變和/或修改。例如，儘管功率放大器矩陣已經常常被描述為2×2或3×3矩陣的電晶體，但是將認識到，在此公開的概念可以被應用於任何大小的矩陣的電晶體。此外，在附加實施例中，所公開的功率放大器可以被應用於多級功率放大器的一個或多個級。
    此外，功率放大器的操作的類不是對這裏給出的本發明的限制性應用。本領域中具通常知識者將認識到，操作的任何類(例如A、A/B等等)可以實施根據這裏描述的硬體的放大級。此外，即使附圖示出了包括n-mos電晶體的功率放大器，但是本領域中具通常知識者將認識到，在此給出的思想可以被實施為n-mos電晶體、p-mos電晶體、或其組合的矩陣。
    特別關於由上述的組件或結構(元件、裝置、電路、系統等等)執行的各種功能，用來描述這樣的組件的術語(包括對“裝置”的提及)意圖對應於(除非另有所示)執行所述的組件的規定的功能的任何組件或結構(例如其在功能上是等同的)，即使在結構上不等同於執行本文示出的本發明的示例性實施中的功能的所公開的結構。另外，雖然已相對於幾個實施中的僅僅一個公開了本發明的特定特徵，但是如可能對於任何給定的或特定的應用所期望的並且有利的那樣，這樣的特徵可以與其他實施的一個或多個其他特徵進行組合。此外，就在發明內容及實施方式和申請專利範圍中使用術語“包括(including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(with)”、或其變體的程度而言，這樣的術語意圖以與類似於術語“包括(comprising)”的方式而為包含性的。
    100‧‧‧功率放大器電路
    102‧‧‧放大元件
    102a,1-102n,m‧‧‧放大元件
    104a-104m‧‧‧a列-m列
    106a-106n‧‧‧a行-n行
    108‧‧‧DC供電電壓源
    110‧‧‧控制端子
    110a,1-110n,m‧‧‧控制端子
    112‧‧‧源極、源極端子
    114‧‧‧汲極、汲極端子
    116‧‧‧輸出負載
    200‧‧‧功率放大器電路
    202‧‧‧子集
    300‧‧‧功率放大器
    302‧‧‧DC-DC轉換器
    304‧‧‧偏壓控制器
    306‧‧‧電流源
    308‧‧‧寄生電容
    310‧‧‧斷開的開關/開路
    312‧‧‧閉合的開關/短路
    400‧‧‧功率放大器電路
    402‧‧‧電連接
    404a-404b‧‧‧節點
    406‧‧‧方塊
    408a-408c‧‧‧抗流器
    410a-410c‧‧‧電容器
    500‧‧‧功率放大器電路
    600‧‧‧方塊圖
    602‧‧‧匹配網路
    700‧‧‧流程圖
    702-708‧‧‧步驟
    802‧‧‧開關
    804‧‧‧功率分配器
    900‧‧‧功率放大器電路
    902a-902c‧‧‧互連
    1000‧‧‧功率放大器電路
    1002a-1002c‧‧‧互連
    1100‧‧‧功率放大器電路
    1200‧‧‧功率放大器電路
    1202a-1202c‧‧‧疊接放大器
    1300‧‧‧功率放大器電路
    1400‧‧‧功率放大器的效率測量圖
    1402‧‧‧虛線、最大輸出功率
    1404‧‧‧回退操作模式、回退模式
    圖1示出如在此提供的功率放大器電路的第一實施例的示意圖。
    圖2示出以最大輸出功率操作的並且處於回退(back-off)操作模式的功率放大器電路的示意圖，所述功率放大器電路包括處於串並聯矩陣配置的多個電晶體。
    圖3a示出包括2×2電晶體矩陣的示例性功率放大器的示意圖。
    圖3b和3c顯示被示出為電流源、斷開的開關、或短路的、圖3a的功率放大器中的電晶體的方塊圖。
    圖4a-4b示出包括位於串聯連接的電晶體的相鄰列上的節點之間的電連接的功率放大器電路的一個可替換實施例的示意圖。
    圖5a示出如在此提供的功率放大器電路的一個可替換實施例的示意圖。
    圖5b和5c顯示針對不同輸出功率被示出為電流源、斷開的開關、或短路的、圖5a的功率放大器中的電晶體的方塊圖。
    圖6示出顯示圖5a的功率放大器電路的寄生元件的方塊圖。
    圖7示出用於操作功率放大器的示例性方法的流程圖。
    圖8a-8c示出可以被用來將一個RF輸入信號分成多個RF輸入信號的電路的三個可能實施例。
    圖9示出包括3×3電晶體矩陣的功率放大器電路的另一實施例的示意圖，其中在所述矩陣的內部節點之間具有互連。
    圖10a示出顯示電晶體矩陣的內部節點之間的互連的一個可替換實施例的功率放大器的示意圖。
    圖10b-10d顯示針對不同輸出功率被示出為電流源、斷開的開關、或短路的、圖10a的功率放大器中的電晶體的方塊圖。
    圖11a示出圖9中所示的功率放大器的另一可替換實施例。
    圖11b-11d顯示針對不同輸出功率被示出為電流源、斷開的開關、或短路的、圖11a的功率放大器中的電晶體的方塊圖。
    圖12示出包括疊接(cascoded)電晶體的示例性功率放大器的一個可替換實施例。
    圖13示出包括疊接電晶體的示例性功率放大器的一個可替換實施例。
    圖14示出顯示作為輸出功率的函數的功率放大器(類似於圖13所示的功率放大器)的效率的測量的圖。
    100‧‧‧功率放大器電路
    102‧‧‧放大元件
    102a,1-102n,m‧‧‧放大元件
    104a-104m‧‧‧a列-m列
    106a-106n‧‧‧a行-n行
    108‧‧‧DC供電電壓源
    110‧‧‧控制端子
    110a,1-110n,m‧‧‧控制端子
    112‧‧‧源極、源極端子
    114‧‧‧汲極、汲極端子
    116‧‧‧輸出負載
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種功率放大器電路，包括：多個放大元件，其被佈置成包含列和耦合到公共輸出路徑的並聯行的串並聯矩陣配置，其中各個並聯行包括以串聯連接來連接的該多個放大元件中的兩個或更多個，其中該等放大元件分別包括控制端子，其被配置成接收允許放大元件被獨立地操作的獨立控制信號，使得在功率減小的、回退操作模式中，該多個放大元件的子集能夠被啟動以操作為放大器，而剩餘的放大元件操作為基本上不消耗功率的非放大器。
    [2] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，其中，該多個放大元件的該子集包括該並聯行的至少一行中的該等放大元件的一部分和該等列的至少一列中的放大元件的一部分。
    [3] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，還包括供電電壓源，其被耦合到該公共輸出路徑，並且被配置成向該串聯連接中的一些最後放大元件的輸出端子提供可變供電電壓。
    [4] 根據申請專利範圍第3項所述的功率放大器電路，還包括：偏壓控制器，其被配置成選擇性地將獨立控制信號提供給該多個放大元件的控制端子，其中該等獨立控制信號使得各個放大元件操作為放大器、斷開的開關、或閉合的開關。
    [5] 根據申請專利範圍第4項所述的功率放大器電路，其中，該偏壓控制器被配置成基於該可變供電電壓的值來調整操作為放大器的放大元件的數目，使得該供電電壓的變化與功率放大器輸出功率和功率放大器輸出電流的變化成比例。
    [6] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，其中，該並聯行的該串聯連接中的第一放大元件的該等控制端子被配置成接收分開的RF輸入信號，該分開的RF輸入信號根據該功率放大器的不同放大路徑來放大。
    [7] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，還包括：在相鄰並聯行的該串聯連接中的放大元件之間的電連接。
    [8] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，其中該行的至少一行包括：第一電晶體，其具有被配置成接收第一射頻輸入信號的閘極端子，該第一電晶體與第二電晶體並聯連接，該第二電晶體具有被配置成接收第二射頻輸入信號的閘極端子；以及第三電晶體，其具有耦合到該第一和第二電晶體的汲極的源極；其中該第一和第二電晶體具有該第三電晶體的閘極寬度的一半的閘極寬度。
    [9] 根據申請專利範圍第8項所述的功率放大器電路，還包括調諧電容器，其被耦合到該第三電晶體的閘極端子，並且被配置成當在該功率減小的、回退操作模式期間作為放大器時調整該第一或第二電晶體所看到的輸出阻抗。
    [10] 根據申請專利範圍第1項所述的功率放大器電路，其中，並聯行包括：第一疊接放大器，其被配置成接收第一射頻輸入信號，該第一疊接放大器與第二疊接放大器並聯連接，該第二疊接放大器被配置成接收第二射頻輸入信號，其中該第一和第二疊接放大器包括堆疊的電晶體；以及第三疊接放大器，其具有耦合到該第一和第二疊接放大器的汲極的源極。
    [11] 一種功率放大器，包括：多個電晶體裝置，其被佈置成包括並聯行的串並聯矩陣配置，該並聯行具有耦合到公共輸出路徑的串聯連接的電晶體裝置，其中：該電晶體裝置分別包括被配置成接收獨立閘極偏壓電壓的閘極端子，該獨立閘極偏壓電壓控制該電晶體的源極和汲極之間電流的流動；該並聯行的第一串聯連接的電晶體的閘極端子被配置成還接收分開的RF輸入信號；供電電壓源，其被耦合到該公共輸出路徑，並且被配置成將可變供電電壓提供給該串聯連接中的該等最後電晶體裝置的汲極端子；以及偏壓控制器，其被配置成選擇性地將該獨立閘極偏壓電壓提供給該多個電晶體裝置的該等閘極端子，其中該等獨立閘極偏壓電壓使得各個電晶體裝置操作為放大器、斷開的開關、或閉合的開關，其中在功率減小的、回退操作模式中，該多個電晶體裝置的子集被啟動以操作為放大器，而剩餘的該等電晶體裝置操作為基本上不消耗功率的非放大器。
    [12] 根據申請專利範圍第11項所述的功率放大器，其中，該子集包括該並聯行的至少一行中的該等電晶體裝置的一部分和該串並聯矩陣的至少一列中的該等電晶體裝置的一部分。
    [13] 根據申請專利範圍第11項所述的功率放大器，還包括：在相鄰並聯行的該串聯連接中的電晶體裝置之間的電連接。
    [14] 根據申請專利範圍第11項所述的功率放大器，其中，該分開的RF輸入信號根據該功率放大器的不同放大路徑來放大。
    [15] 一種用於操作功率放大器的方法，包括：連接處於包括串聯連接的放大元件的並聯行的串並聯矩陣配置的多個放大器；將可變供電電壓提供給該等最後串聯連接的放大元件；以及將獨立控制信號提供給分開的放大元件的控制端子，使得該多個放大元件的子集能夠被啟動以操作為放大器，而剩餘的放大元件操作為基本上不消耗功率的非放大器。
    [16] 根據申請專利範圍第15項所述的方法，還包括：將分開的輸入信號提供給該並聯行的該等最後放大元件的該控制端子。
    [17] 根據申請專利範圍第15項所述的方法，其中，該等控制信號將各個放大元件操作為短路、放大器、或開路。
    [18] 根據申請專利範圍第17項所述的方法，其中，在最大輸出功率，該多個放大元件被配置成操作為放大器。
    [19] 根據申請專利範圍第17項所述的方法，其中，在回退操作模式中，該多個放大元件的子集被配置成操作為放大器，而該多個放大元件中的剩餘放大元件被配置成操作為短路或開路。
    [20] 根據申請專利範圍第19項所述的方法，其中，該子集包括至少一個該並聯行中的該等放大元件的一部分和該串並聯矩陣的至少一列中的放大元件的一部分。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US13/221,118|US8482348B2|2011-08-30|2011-08-30|Class of power amplifiers for improved back off operation|
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