專利名稱：分布式環(huán)狀幾何圖形功率放大器體系結(jié)構(gòu)的制作方法
背景技術(shù)：
1、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及高頻功率放大器，更特別的是涉及用單片電路或其他方式來復(fù)合單獨的功率放大器以便實現(xiàn)功率復(fù)合以及阻抗變換的技術(shù)。
2、相關(guān)技術(shù)的說明設(shè)計具有適當(dāng)功率電平、效率以及增益的高頻功率放大器仍然是單片集成收發(fā)器研究中的主要挑戰(zhàn)之一。盡管在這個方向上已經(jīng)取得了某些進展，但是在有損耗片基(譬如硅或硅鍺)上設(shè)計真正集成的功率放大器一直是一個令人困惑的目標。
多種外加部件(譬如連接引線與外部平衡-不平衡變換器)被用作被調(diào)元件以便采用CMOS晶體管來獲得超過1W的輸出功率電平。譬如可以參看K.C.Tsai與P.R.Gray的“A 1.9GHz，1-W CMOS Class-B Power Amplifier forWireless Communications”(一個用于無線通信的1.9GHz、1W、B類CMOS功率放大器)，IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.34，no.7，pp.962-969，July 1999[1]；以及C.Yoo與Q.Huang的“A Common-Gate Switched，0.9WClass-B Power Amplifier with 41％PAE in 0.25μm CMOS”(一個以0.25μmCMOS制造的具有41％PAE的共柵切換的、0.9W、B類功率放大器)，Symposium on VLSI Circuits Digest，pp.56-57，Honolulu，June 2000[2]。利用硅雙極型(Si-Bipolar)晶體管可以獲得類似的性能。譬如可以參看Simbürger等人的“A Monolithic Transfomer Coupled 5-W Silicon Power Amplifier with59％PAE at 0.9 GHz(一個59％PAE、0.9GHz的單片電路變壓器耦合的5W硅功率放大器)”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.34，no.12，pp.1881-1892，Dec.1999[3]；以及W.Simbürger等人的“A Monolithic 2.5V，1WSilicon Bipolar Power Amplifier with 55％PAE at 1.9GHz(一個55％PAE、1.9GHz的單片電路2.5V、1W硅雙極性功率放大器)”，IEEE MTT-S Digest，vol.2，pp.853-856，Boston，June，2000[4]。
而且，用于具有更高擊穿電壓與更高片基電阻系數(shù)的有源器件的其他技術(shù)也已經(jīng)被用來增加集成放大器的輸出功率與效率。譬如，具有20V擊穿電壓的LDMOS晶體管已經(jīng)在半絕緣片基上使用，但是這種設(shè)計也只能提供200mW。參看Y.Tan等人的“A 900-MHz Fully Integrated SOI Power Amplifierfor Single-Chip Wireless Transceiver Applications(單芯片無線收發(fā)器應(yīng)用中的一個900MHz全集成SOI功率放大器)”，IEEE Solid-State Circ.，vol.35，no.10，pp.1481-1485，Oct.2000[5]。此外，絕緣片基上的砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)也已經(jīng)被用來集成功率放大器?？蓞⒁奍.Portilla，H.Garcia與E.Artal的“High Power-Added Efficiency MMIC Amplifier for 2.4GHz Wireless Communications(用于2.4GHz無線通信的高功率加效率的MMIC放大器)”IEEE Journal of Solid State Circuits，vol.34，no.1，pp.120-123，Jan.1999[6]。遺憾的是，與傳統(tǒng)的硅基晶體管(譬如CMOS)技術(shù)相比，這些技術(shù)成本顯著上升，制造也困難得多。
在設(shè)計高頻、低電壓功率放大器方面的這些現(xiàn)有成就如表1所示。
表1
在采用傳統(tǒng)硅技術(shù)(譬如CMOS)的全集成高速固態(tài)功率放大器的設(shè)計中存在兩個明顯的問題(1)使芯片上電感器與變壓器的損耗增加的有損耗片基的低電阻系數(shù)；以及(2)晶體管的低擊穿電壓。在為了更快速地運行而按比例逐步降低晶體管(如CMOS)的最小特征尺寸時，這些問題會變得更加突出。
更特別的是，有損耗片基的高導(dǎo)電率使長金屬導(dǎo)線(包括在同一塊片基上制造的傳統(tǒng)螺旋電感器)產(chǎn)生很大的功率損耗。如果使這些金屬導(dǎo)線變寬來減少電阻，那么金屬與片基之間的電容耦合效應(yīng)會使部分電流泄漏到該片基，從而增加了功率耗散。另一方面，如果將這些金屬導(dǎo)線變得足夠窄來有效克服這一問題，那么該金屬電阻會顯著增加，同樣會吸收(消耗)該功率中相當(dāng)大的部分。
舉例來說，傳統(tǒng)晶體管(譬如CMOS)的低擊穿電壓限制了該晶體管的最大允許漏極電壓變化幅度。因此就必須進行形式的阻抗變換來獲得更大的輸出功率。譬如說，如果不進行這種阻抗變換，那么±2V的漏極電壓變化幅度只能向一個50Ω負載提供40mW。雖然阻抗變換可以采用一個1∶n的變壓器來實現(xiàn)，不過，在一塊標準CMOS片基上的1∶n芯片螺旋變壓器的損耗很大，它會大大降低該放大器的性能。另一種方法是，可以采用芯片共振匹配技術(shù)，但是這種技術(shù)也會產(chǎn)生顯著的功率損耗。
總之，由于所有高頻功率放大器都明顯地需要某些電感器——實際上就是長金屬導(dǎo)線——來進行匹配、供電連接以及形式的功率復(fù)合，所以傳統(tǒng)的功率放大器往往功率效率很低，而且超過了某些功率與頻率就無法在商業(yè)上實施。
所以，非常希望有一種能用于功率放大器的低成本、全集成的拓撲結(jié)構(gòu)，它能夠以低成本、硅基處理方式制造，并能夠在微波與毫米波頻率范圍內(nèi)提供相當(dāng)高的輸出功率電平。同時也希望這樣一種拓撲結(jié)構(gòu)能夠利用若干單獨的功率放大器以及單片集成技術(shù)來實現(xiàn)。在理想情況下，這種體系結(jié)構(gòu)對有損耗片基IC以及無損耗片基IC的設(shè)計都是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足這些需求，它屬于一種分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它可以被用作一種功率復(fù)合與阻抗變換的裝置來以小型組件的形式獲得一個很高的輸出功率，而且能夠克服傳統(tǒng)有源器件(譬如短通道MOS晶體管)低擊穿電壓的缺點。
特別是，本發(fā)明屬于一種用于放大RF輸入信號的、分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它包括若干較小的推挽放大器。每個放大器包括兩個增益塊，每塊具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口。每個推挽放大器的兩個增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一個電感通路互相連接，而且共用一個連接到它們各自輸出端口正端的公共供電電壓。每個推挽放大器的每個增益塊的輸出端口的負端被連接到相鄰?fù)仆旆糯笃鞯囊粋€增益塊的輸出端口的負端，從而使得這些放大器被排列成互相連接的環(huán)狀幾何圖形，其中相鄰增益塊的相連的負端被連到一起以便形成一個虛擬的ac(交流)接地點。
在運行時，每個增益塊的輸入端口適合于接收一個ac輸入信號，該信號至少基本上與相鄰增益塊的輸入端口信號幅值相等、相位相反。這些推挽放大器互相連接，使得對運行中的基頻而言，各增益塊輸出端口的負端成為虛擬ac接地點。
按照本發(fā)明的一個更加詳細的方面，該分布式環(huán)狀幾何圖形的功率放大器包括至少兩個設(shè)計得能夠放大RF輸入信號的推挽放大器。一個第一推挽放大器包括一個第一增益塊與一個第二增益塊，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口與一個帶有正負端的輸出端口，這些增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接。一個第二推挽放大器包括一個第三增益塊與一個第四增益塊，該第三與第四增益塊中每一個都具有一個帶有正負端的輸入端口與一個帶有正負端的輸出端口，該第二推挽放大器的增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接。為了形成該“環(huán)狀”閉合回路，該第二與第三增益塊在它們各自輸出端口的負端互相連接，而該第四增益塊的輸出端口的負端被連接到該第一增益塊的輸出端口的負端，從而使得從該第四增益塊流出的所有ac電流基本上都流入該第一增益塊。該第四與第一增益塊可以(但通常不會)直接彼此相連。在典型的結(jié)構(gòu)中，在該第四與第一增益塊之間提供至少一個(最好多于一個)具有一對互聯(lián)增益塊的附加推挽放大器，以使得該第四增益塊的輸出端口的負端間接地經(jīng)由這至少一個附加的推挽放大器被連接到該第一增益塊的輸出端口的負端。
在一個更為詳細的實施例中，該功率放大器還包括一個第三與第四推挽放大器，從而形成一個具有八個增益塊的四側(cè)推挽功率放大器。特別是，該第三推挽放大器具有第五與第六增益塊，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口與一個帶有正負端的輸出端口，該第五與第六增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接。類似地，該第四推挽放大器具有第七與第八增益塊，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口與一個帶有正負端的輸出端口，該第七與第八增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接。該四側(cè)放大器器件互相連接，使得該第四增益塊的輸出端口的負端被連接到該第五增益塊的輸出端口的負端，該第六增益塊的輸出端口的負端被連接到該第七增益塊的輸出端口的負端，而該第八增益塊的輸出端口的負端被連接到該第一增益塊的輸出端口的負端。
包含本發(fā)明所采用的這些推挽放大器的增益塊可以根據(jù)希望的增益、電路復(fù)雜程度、成本以及其他因素而采用不同的結(jié)構(gòu)。在一個基本的實施例中，每個推挽放大器的每個增益塊都包括一個單獨的三端有源器件，譬如一個CMOS或雙極性晶體管，它們具有一個陰極、一個陽極與一個控制端。在另一個實施例中，每個推挽放大器的每個增益塊都包括一個復(fù)合器件，它至少有一個第一與一個最末三端有源器件。每個增益塊的有源器件以渥爾漫放大(cascoded)形式被連接到一起，使得該第一有源器件的陰極被當(dāng)作每個增益塊的輸出端口的負端，該最末有源器件的陽極被當(dāng)作每個增益塊的輸出端口的正端，而該第一有源器件的控制端被當(dāng)作該增益塊的輸入端口。與每個增益塊使用一個單獨晶體管的設(shè)計相比，由于采用了這種結(jié)構(gòu)，所以每個推挽放大器，從而每個功率放大器，都可以方便地提供更高的增益。
本發(fā)明的功率放大器可以使這些推挽放大器能夠單片集成到一塊單獨的芯片上。而且，每個推挽放大器的電感通路都只需要一塊金屬片，更獨特的是，實際上只需要一塊平直的金屬片。
在對本發(fā)明的設(shè)計的進一步改進中，該功率放大器還可以包括一個連接在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K的正端之間的共振諧波調(diào)節(jié)電容器。該放大器還可以包括一條放置在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K的輸入端口之間的電感回路，以便調(diào)節(jié)對該RF輸入信號的阻抗。
現(xiàn)在討論RF輸入信號這一側(cè)，為了使該電路正常運行，必須為所有增益塊的所有輸入端口提供平衡的輸入。為實現(xiàn)這一點，包括了一個輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)，它將需要放大的同相平衡輸入信號對稱地連接到所有增益塊的輸入端口。該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)可以對稱地連接來自該功率放大器的環(huán)狀幾何圖形內(nèi)側(cè)某點或者來自該功率放大器的環(huán)狀幾何圖形外側(cè)若干點的同相平衡輸入信號。
在該優(yōu)選實施例中，該功率放大器還包括一個連接到這些推挽放大器的、將被每個推挽放大器放大的信號加以復(fù)合的功率復(fù)合電路。為了進行功率復(fù)合，這些推挽放大器最好被設(shè)計成一個第一閉合回路以便構(gòu)成有源變壓器的一個環(huán)狀幾何圖形的初級繞組，而且該功率復(fù)合電路被設(shè)計成位于該初級繞組附近并與之具有磁耦合的、該有源變壓器的一個次級繞組。這樣，該次級繞組就具有一個能提供該第一閉合回路中這些推挽放大器的輸出之和的單獨輸出。
而且，該次級繞組可以方便地包括一個由寬度可變的金屬導(dǎo)線構(gòu)成的單匝或多匝電感器。該金屬導(dǎo)線具有對該片基呈現(xiàn)低ac電壓的若干較寬部分與對該片基呈現(xiàn)高ac電壓的若干較窄部分。這種幾何形狀的優(yōu)點是它進一步降低了功率損耗，因為它利用了在該ac電壓信號低的位置上較寬金屬具有低金屬電阻系數(shù)的特點，所以降低了損耗，而且利用了對該ac電壓信號高的位置上的較窄金屬片基具有低電容耦合的特點，從而進一步降低了損耗。采用這種方式，無論金屬電阻損耗還是電容耦合損耗都會被降低。
現(xiàn)在再回到該輸入電路，上面公開的輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)可以方便地包括位于該次級繞組附近的許多曲折輸入回路，從而提供了來自該次級繞組的磁耦合。這種幾何形狀提供了一個優(yōu)點，即它進一步提高了該功率放大器中每個推挽放大器的增益或線性度。
按照本發(fā)明的該希望實施例的另一個更為詳細的方面，可以提供一個在該初級與次級繞組附近并與之具有磁耦合的附加次級繞組，以便形成一個交叉指型變壓器，它具有因較低功率損耗而產(chǎn)生的優(yōu)點。另一種方法，或者說除了采用多個次級繞組的改進方法外，本發(fā)明的功率放大器還可以包括位于該初級與次級繞組附近并與之具有磁耦合的至少一個附加環(huán)狀幾何圖形初級繞組，以便形成一個交叉指型變壓器。
本發(fā)明還公開了一種將許多推挽放大器的已經(jīng)放大的輸出進行復(fù)合來構(gòu)成一個功率放大器的方法。在這種方法中，每個放大器包括兩個經(jīng)由一條電感通路互相連接的電感增益塊。該方法包括設(shè)計若干放大器來形成一個第一閉合回路，以使相鄰放大器的相鄰增益塊互相連接，并且在這樣互相連接后，在它們的連接處形成虛擬ac接地點，而且該方法包括以至少基本相等且相反的輸入信號來驅(qū)動相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K。按照本發(fā)明的一個更為詳細的方面，該方法還包括在一個次級線圈中將該第一閉合回路中的推挽放大器的輸出功率進行復(fù)合，其中該次級線圈位于該第一閉合回路附近并與之具有磁耦合。
本發(fā)明還描述了可以沉積在處理電壓信號的集成電路的一塊片基上的一個低損耗電感器，該電感器包括一個沉積在該片基上且具有第一與第二端點的長形導(dǎo)電體、沉積在這些端點之間的導(dǎo)電部分以及一個跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓，其中信號電壓被認定低于跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓的部分要比信號電壓被認定高于跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓的另一個部分更寬。
本發(fā)明另外還描述了一種使沉積在一個集成電路的一塊片基上的電感器的電氣損耗下降的方法，該電感器具有一個由若干互相連接的導(dǎo)電部分構(gòu)成的長形主體、一個平均寬度以及一個跨越該主體的平均ac信號電壓。該方法包括使該電感器主體上ac電壓信號高于跨越該電感器主體的平均ac信號電壓的那一部分的寬度小于該平均寬度；而使該電感器本體上ac電壓信號低于跨越該電感器本體的平均ac信號電壓的另一部分的寬度大于該平均寬度。
在下面結(jié)合所附例圖而作的詳細說明中，本發(fā)明的其他特征與優(yōu)點將會變得顯而易見，這些例圖采用示例方式來闡明本發(fā)明的原理。


圖1a是推挽放大器的一幅示意圖，該放大器包括一對用作本發(fā)明的基本構(gòu)成塊的增益塊；圖1b是圖1a所示推挽放大器的實施例的一幅示意圖，其中這些增益塊是經(jīng)由一條電感通路互相連接的若干單個晶體管；圖1c是一個與圖1b所示推挽放大器等價的電路；圖1d是圖1a所示推挽放大器的一個第二實施例的一幅電路圖，其中每個增益塊包括多個串聯(lián)到一起的晶體管；圖2a是本發(fā)明的分布式功率復(fù)合放大器結(jié)構(gòu)的一幅上層示意圖，其中四個圖1a所示類型的推挽放大器在相鄰放大器輸出的相鄰負端互相連接而構(gòu)成一個“環(huán)狀幾何圖形”；圖2b是本發(fā)明的分布式功率復(fù)合放大器結(jié)構(gòu)的實施例的一幅示意圖，其中四個圖1b所示類型的推挽放大器在相鄰的陰極處互相連接而構(gòu)成一個“環(huán)狀幾何圖形”；圖3a是對圖2b所示分布式放大器結(jié)構(gòu)的改進的一幅示意圖，其中一個用于阻抗變換的單匝導(dǎo)電線圈由該四推挽放大器結(jié)構(gòu)加以連接，一個共振電容器被連接在相鄰成對晶體管的陽極之間；圖3b是對圖3a所示分布式放大器結(jié)構(gòu)的改進的一幅示意圖，其中一個用于阻抗變換的、具有可變寬度的單匝導(dǎo)電線圈由該四推挽放大器結(jié)構(gòu)加以連接，一個共振電容器被連接在相鄰成對晶體管的陽極之間；圖4是對圖3所示分布式放大器結(jié)構(gòu)的改進的一幅示意圖，它表示該四側(cè)推挽放大器設(shè)計中具有代表性的一角，其中一個單獨的回路電感使相鄰晶體管的控制電極互相連接；圖5是本發(fā)明的集成環(huán)狀幾何圖形功率放大器的一幅示意圖，它表示一個新穎的輸入電路以及該輸入信號與每個有源器件連接的幾何圖形；圖6是本發(fā)明的四側(cè)推挽有源變壓器功率放大器的一個示意圖的一幅頂視圖，它表示一種對該有源器件施加正反饋的、改進的輸入連接幾何圖形；圖7a表示對本發(fā)明的四側(cè)推挽有源變壓器功率放大器的另一種改進，其中該有源變壓器的輸入線圈與該輸出線圈構(gòu)成交叉指型；圖7b表示與圖7a所示不同的另一種交叉指型，其中多個次級回路與多個初級回路構(gòu)成交叉指型；圖8是本發(fā)明的四側(cè)推挽環(huán)狀幾何圖形放大器的一幅電氣示意圖，圖中畫出了一個信號輸入電路；圖9是一幅曲線圖，它說明根據(jù)本發(fā)明設(shè)計制造的一個2.2W、2.4GHz、單級全集成功率放大器在2V供電情況下的增益與功率加效率(PAE)對輸出功率的關(guān)系；圖10是一幅曲線圖，它說明根據(jù)本發(fā)明設(shè)計制造的一個2.2W、2.4GHz、單級全集成功率放大器在1V供電情況下的增益與PAE對輸出功率的關(guān)系。
具體實施例方式
本發(fā)明改進了高頻功率放大器的性能與效率，特別是那些調(diào)制解調(diào)通信設(shè)備與系統(tǒng)中的放大器。
本發(fā)明公開了用作放大器或開關(guān)、或者用作放大器或開關(guān)部件的三端有源器件的新組合。術(shù)語“增益塊”在這里一般被用來描述能夠提供增益的任何部件或部件組合。所以，一個增益塊可以包括一個單獨的三端有源器件(譬如一個晶體管)，或者它們的組合。一個有源器件的三端在這里是指“控制端”、“陽極”以及“陰極”，舉例來說，它們分別對應(yīng)于一個FET晶體管(場效應(yīng)晶體管)的柵極(g)、漏極(d)與源極(s)，而且分別對應(yīng)于一個BJT晶體管(雙極結(jié)式晶體管)的基極、集電極與發(fā)射極。所以，這些術(shù)語應(yīng)按照它們最廣的意義來加以理解。因而，下文采用FET晶體管來加以說明與演示的實施例僅僅是為了示例，絕非試圖對本發(fā)明加以限制。
現(xiàn)在說明形成本發(fā)明的希望實施例的設(shè)計演變過程。
A)推挽驅(qū)動器圖1表示第一種基本推挽放大器的一幅上層的概念示意圖，該推挽放大器被用作本發(fā)明的分布式功率放大器的主要構(gòu)成塊。該放大器包括一個第一增益塊2，它具有一個帶有正負端的輸入端口3與一個帶有正負端的輸出端口4；一個第二增益塊6，它具有一個帶有正負端的輸入端口7與一個帶有正負端的輸出端口8。這些放大器在它們的輸出的各自正端經(jīng)由一條電感通路9被連接到一起。正如輸入端口3的“+”號與輸入端口7的“-”號所示，使該設(shè)計成為“推挽”放大器的特征就是，增益塊2的輸入端口3與增益塊6的輸入端口7按差動方式驅(qū)動，即由幅值相等但相位相反的RF信號驅(qū)動。這種拓撲結(jié)構(gòu)在接近電感通路9的中心位置形成一個“虛擬ac接地點”，如圖所示，在需要時它能夠被用作供應(yīng)dc偏壓Vdd的一個點，從而降低了對供電的濾波要求。
圖1b表示圖1a所示推挽放大器的一個特定實施例。在這個實施例中，每個增益塊僅僅是一個單獨的三端有源器件，這里畫成一個FET晶體管。特別是，該放大器包括一個第一晶體管12，它具有一個控制端(柵極)14、一個陽極(漏極)16與一個陰極(源極)18；還有一個第二晶體管22，它具有一個控制端(柵極)24、一個陽極(漏極)26與一個陰極(源極)28。陽極16與26經(jīng)由一塊金屬片20互相連接，并由一個公共漏極電壓Vdd 29提供偏壓。正如圖1c的等價電路圖所示，該金屬片20就像一個漏極調(diào)節(jié)電感器20那樣來使晶體管寄生電容與控制諧波信號發(fā)生共振。如同下面將要討論的那樣，該金屬片還可以作為分布式有源變壓器的一個初級電路或該電路的一部分。由于這些輸入以差動方式驅(qū)動，所以這種拓撲結(jié)構(gòu)在Vdd供電節(jié)點21(大約在、但并非一定在金屬片20的中點)為該漏極電壓的基頻以及奇次諧波形成一個虛擬ac接地點。這種虛擬接地是該推挽驅(qū)動器的一個重要特點，這樣就沒有必要在該供電處采用一個獨立的扼流電感器以及/或者一個大型的片上旁路電容器。
圖1b所示的推挽放大器被用來作為下面開發(fā)與演示的環(huán)狀幾何圖形有源變壓器功率放大器的一個希望實施例的主要構(gòu)成塊。然而，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明中所用的推挽放大器并不局限于圖1b所示的單獨成對晶體管。本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)實際上包含了任何互相適當(dāng)連接的、作為推挽放大器來加以驅(qū)動的成對增益塊。舉例來說，圖1a所示的每個增益塊2與6可以包括一個復(fù)合有源器件結(jié)構(gòu)來獲得比單個成對晶體管更高的增益。
一種這樣的希望實施例是串聯(lián)設(shè)計，其中兩個或多個有源器件被串聯(lián)到一起以便產(chǎn)生增益更高的推挽放大器。特別是，在圖1d所示的串聯(lián)增益塊30中，第一個共陰極有源器件32的陰極33被用作該增益塊輸出端口的負端，最末的串聯(lián)有源器件36的陽極38被用作該增益塊的輸出端口的正端，而該第一共陰極器件32的控制端34是該增益塊的正輸入。下面將會進一步說明，在該第一與最末有源器件之間可以連接一個或多個附加有源器件以便進一步提高該增益塊的增益。
人們將會理解，其他已知的復(fù)合有源器件，譬如成對Darlington(達靈頓)晶體管，也可以被用作本發(fā)明所實施的增益塊。
B)四側(cè)推挽環(huán)狀幾何圖形如圖2a所示，在一個優(yōu)選實施例中，該“環(huán)狀幾何圖形”放大器包括四個推挽放大器40、60、80與100，總共有8個圖1a所示類型的增益塊。如圖所示，該器件被排列得使相鄰放大器的增益塊在它們各自輸出端口的負端被互相連接以便構(gòu)成一個閉合回路。所以，正如從一角所見，放大器40的增益塊50的輸出端口的負端被連接到放大器60的增益塊70的輸出端口的負端。
圖2b表示圖2a的放大器的一個實施例，其中每個圖1a所示類型的推挽放大器都是圖1b所示類型的一個單獨的雙晶體管推挽放大器，它們構(gòu)成了一個正方形的一側(cè)。由于四個推挽放大器40、60、80與100的這種整體布局，所以能夠分別使用四個平直寬邊的金屬導(dǎo)線42、62、82、102來作為漏極電感器。與一個品質(zhì)因數(shù)Q為5至10的螺旋電感器相比，一個片狀電感器具有較高的品質(zhì)因數(shù)，舉例來說，其Q值為20至30，因此降低了該無源網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗。如圖所示，該片狀電感器還為從供電電源流向晶體管漏極的電流提供了固有的低電阻通路。
在各個角上，相鄰放大器的相鄰晶體管的源極被連接到一起，而且共用一個公共接地點。正如符號“+”與“-”所示，在每個角上的兩個相鄰晶體管按照相反的相位被驅(qū)動。舉例來說，推挽放大器40的晶體管50的陰極(源極)58與放大器60的晶體管70的陰極(源極)72互相連接并被接地，標記為GND。而且，當(dāng)推挽放大器40的晶體管50的控制端(柵極)56受一個正相位信號驅(qū)動時，推挽放大器60的晶體管70的控制端(柵極)71則受一個負相位信號驅(qū)動。這樣，就在該正方形的每個角上產(chǎn)生一個虛擬ac接地點。這是該環(huán)狀幾何圖形的一個重要特征，因為如圖2b的電流回路所示，該ac信號的基波與奇次諧波將不會離開包含這四個金屬片的回路。所以，從這個正方形到供電電壓或接地點的任何連接將不會運載任何基頻或它的奇次諧波的ac信號。這實際上將供電連接中的損耗局限為該連線的dc電阻損耗，而采用較寬的金屬導(dǎo)線很容易使它達到最小。而且，供電濾波只需要一個很小的電容器，甚至不需要電容器。值得注意的是，圖2a與圖2b的拓撲結(jié)構(gòu)不會在供電與接地節(jié)點處對偶次諧波形成虛擬接地點。所以，與基波及奇次諧波相比，晶體管對偶次諧波具有較高的阻抗。這些相鄰的晶體管也共用一個公共電源。
應(yīng)當(dāng)理解，圖2a與圖2b所示的、貫串在其他圖形中的四(4)推挽放大器設(shè)計方案僅僅是本發(fā)明的環(huán)狀幾何圖形的一個示例。本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)至少包括兩(2)個如上所述互相連接并被驅(qū)動的推挽放大器，每個推挽對包括兩(2)個增益塊。增加互相連接的推挽對的數(shù)目具有兩個有利的效果。首先，整個電路輸出功率容量隨推挽放大器的數(shù)量增加而明顯增加。第二，該電路越來越明顯地呈現(xiàn)圓環(huán)形狀。之所以希望如此，是因為該電路越接近一個真正的圓形，該拓撲結(jié)構(gòu)的效率就越高。
這種拓撲結(jié)構(gòu)形成一個具有獨立輻射式RF功率輸出的分布式放大器。在下面“D”部分描述的實施例中，這些功率輸出被加以復(fù)合以便提供一個單獨的輸出，該輸出實際上是這些獨立輸出的和，而且其效率大大高于傳統(tǒng)上能得到的效率。但是應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)應(yīng)用場合不同，這些輸出可以是電磁復(fù)合的，也可以不是電磁復(fù)合的。舉例來說，這些輸出可以只是在自由空間輻射，或者只驅(qū)動獨立的負載。
C)阻抗與諧波控制為該功率放大器提供正確的阻抗對于正確運行是至關(guān)重要的。所有放大器在基頻都必須對該晶體管呈現(xiàn)正確的阻抗，而且對該放大器內(nèi)的信號中較高階次的諧波分量進行控制在一個開關(guān)放大器的性能中起著重要的作用。正如圖3a與圖3b所示，該正方形的每個角有一個電容器，通過在相鄰晶體管的漏極之間連接四個電容器110、120、130與140就可以實現(xiàn)這些功能。這些電容器有助于控制這些晶體管在基頻所面臨的阻抗、降低該輸出端的諧波電平，而且有助于向這些晶體管提供合適的阻抗以便用作開關(guān)放大器。因為基本推挽電路中使用了電感器，所以若不采取適當(dāng)?shù)拇胧诨l下對晶體管呈現(xiàn)的阻抗實際上很明顯是電感性的。將這些電容器與該電感并聯(lián)，就可以根據(jù)需要運行的類型而適當(dāng)改變該阻抗。譬如說，A類運行通常要求電容器的大小能使基頻下的阻抗呈現(xiàn)純電阻性。這些電容器的第二個優(yōu)點是，它們在諧波下的低阻抗將有助于從該輸出信號中過濾掉這些頻率，從而降低了對附加后置放大器濾波的需求。第三個優(yōu)點體現(xiàn)在作為一個高效開關(guān)放大器運行的情形，那就是安排這個電容器可以使諧波調(diào)節(jié)適合于實現(xiàn)E/F運行。由于它們被連接在兩個晶體管的漏極之間，所以它們將只影響基波與奇次諧波，這是因為偶次諧波電壓幅值與相位在這些電容器的兩端均相等。所以這些電容器被用來在基頻下獲得希望的電感性阻抗，而且被用來在奇次諧波下提供很低的阻抗，同時對偶次諧波則保持高阻抗。這種選擇性的阻抗控制可以使每個推挽放大器能被當(dāng)作一個運行在“逆F”類型、或者運行在一個被稱為“E/F類型”的組合類型的節(jié)省功率的開關(guān)放大器來加以驅(qū)動，舉例來說，后者包括E/F3類型以及E/Fodd類型。這種拓撲結(jié)構(gòu)還可以被用于許多其他放大器類型，譬如線性類型A、AB、B或C，或者非線性放大器類型，方法是通過調(diào)整漏極感抗以及拐角電容來使晶體管漏-體電容產(chǎn)生共振，從而為這些類型提供合適的負載。
D)輸出功率復(fù)合在該優(yōu)選實施例中，圖2b所示的、其四個較寬的片狀電感器構(gòu)成正方幾何形狀的四側(cè)推挽放大器設(shè)計被用來作為一個磁耦合有源變壓器的初級電路，以便復(fù)合這四個推挽放大器的輸出功率并使它們的小漏極阻抗與典型的50Ω非平衡或平衡負載相匹配。為了避免采用外部平衡-不平衡變換器來驅(qū)動共用單端天線、發(fā)射線路、濾波器以及RF開關(guān)，具有驅(qū)動一個非平衡負載的能力是至關(guān)重要的。正如圖2b所示，由交變相位驅(qū)動的這四個推挽放大器在基頻下沿該正方形產(chǎn)生一個均勻的環(huán)形電流，從而產(chǎn)生一個穿過該正方形的強磁通。
如圖3a所示，這個初級線圈功率放大器正方形內(nèi)部的一個單匝金屬線圈150可以被用來利用這個交變磁通產(chǎn)生電力，并作為該變壓器次級回路工作。它也提供一個8∶1的阻抗變換比，以便對這些晶體管的漏極呈現(xiàn)大約6.25Ω(50Ω/8)的阻抗。如果忽略這些損耗，那么對線性運行模式中的±2V漏極電壓變化，這個變換與復(fù)合過程對50Ω負載會使放大器的可能輸出功率從Pout Vdd2/(2×Rout)＝22/(2×50Ω)＝40mW提高到Pout 8×Vdd2/(2×Rout/8)＝8×2V2/(2×50/8)＝2.56W。因為該變壓器耦合因子k低于1(通常大約為k＝0.6～0.8)，所以一個電容器204被并聯(lián)到該輸出(見圖8)以便補償該變壓器的泄漏電感。
在圖3所示的次級繞組150的一個變體中，該次級繞組可以具有更有利的形式，即它可以包括一條寬度可變的金屬導(dǎo)線。從概念上講，該金屬導(dǎo)線上ac電壓比沉積該金屬導(dǎo)線的片基低的某些部分比較寬，而ac電壓比沉積該金屬導(dǎo)線的片基高的某些部分比較窄。這種幾何形狀提供了進一步降低功率損耗的優(yōu)點，因為它利用了ac電壓信號(比該片基)低的位置上較寬金屬具有較低金屬電阻的特點，所以降低了損耗，而且它利用了ac電壓(比該片基)高的位置上對一個較窄金屬的片基具有低電容耦合的特點，從而進一步降低了損耗。采用這種方式，無論金屬電阻損耗還是電容耦合損耗都會下降。
所以作為一個示例，如圖3b所示，該初級線圈內(nèi)部的一個寬度可變的單匝正方形金屬線圈被用來利用該交變磁通產(chǎn)生電力，并被用作該變壓器的次級回路，這又進一步改進了該器件的效率。特別是，從輸出逆時針進行觀察，該基本上為正方形的次級線圈的平直部分150a～150e逐漸變寬，從而形成一個不平衡的單匝正方形電感器。該電感器沿整個長度的平均寬度可以與圖3a所示的不可變次級回路情況相等，所以能夠保持相同的總導(dǎo)體電阻，而同時降低總體損耗。對這種以及其他的集成電路應(yīng)用場合，也可以采用不改變寬度就能降低電感器上損耗的其他幾何形狀，譬如多匝正方形螺旋線、多匝環(huán)形螺旋線、帶有分度間隔的線形電感器、一個錐狀線形電感器以及一個彎曲線形電感器。
現(xiàn)在回到圖3a，由于推挽拓撲結(jié)構(gòu)的對稱性，這些偶次諧波受到明顯排斥，所以不會有效地耦合到次級150。而且晶體管的漏-體電容以及拐角電容器實際上會短路除基頻信號以外的所有奇次諧波，從而衰減了該輸出中的奇次諧波。
與傳統(tǒng)諧波控制放大器類型(譬如類型F、逆類型F)的設(shè)計相比，本發(fā)明的環(huán)狀幾何圖形有源變壓器拓撲結(jié)構(gòu)還提供了另一個優(yōu)點。與需要對每個諧波進行獨立調(diào)整的這些單端諧波控制放大器類型不同，為了實現(xiàn)E/F類型的設(shè)計，這個拓撲結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中只需要在基頻下進行調(diào)整。一旦基頻設(shè)置完畢，所有其他諧波將會自動具有需要的阻抗。這是因為該E/F運行模式可以通過在選定的奇次諧波下呈現(xiàn)低阻抗、在偶次諧波下呈現(xiàn)一個容性阻抗1/(jωCs)、而在基波下呈現(xiàn)一個具有合適電感量的負載阻抗來實現(xiàn)。采用較大的調(diào)節(jié)電容器110、120、130與140就可以對奇次諧波獲得低阻抗，這些電容器在奇次諧波下與該晶體管漏極有效并聯(lián)。然而，對偶次諧波，這些晶體管只“看見”它們自己的輸出電容。這是因為每個晶體管在這些頻率下具有相同的信號幅值與相位，所以該電路中連接在這些晶體管之間的所有其他部件都不會導(dǎo)通這些諧波的電流，因而它們對阻抗不產(chǎn)生影響。為了在比該基頻略高的頻率上產(chǎn)生共振，調(diào)節(jié)連接在晶體管漏極之間的RLC電路就可以獲得該電感性基頻阻抗。改變這種調(diào)節(jié)，就可以改變該基頻下的負載阻抗來實現(xiàn)能獲得高效運行的零電壓切換條件。所以，利用該電路對稱性來分離偶次與奇次諧波，該電路就可以按照這種方法來提供奇次諧波下的低阻抗、偶次諧波下的電容性阻抗以及一個合適的電感性負載，從而只需要仔細調(diào)節(jié)基頻阻抗即可。
E)輸入功率分離與匹配現(xiàn)在再看輸入信號，在圖2a、圖2b與圖3的四側(cè)推挽設(shè)計中，一個典型的50Ω不平衡輸入必須加以匹配并被變換成為八(8)個柵極上的四個平衡驅(qū)動信號，這一難題與對輸出網(wǎng)絡(luò)所述的情況相似。為了處理這一問題，在該正方形每角的柵極之間連接了一個柵極匹配電感回路，總共四(4)個回路，以便使柵極電容在基頻發(fā)生共振。圖4畫出了一個角，其中一個電感回路180被連接在晶體管160與170各自的柵極162與172之間，圖中示意性地畫成一個電感器180。與通常的螺旋電感器相比，該單獨的差動驅(qū)動回路電感器具有較高的Q值(10～15)。這些電感回路的中點形成虛擬ac接地點，所以就不需要利用一個大電容器來使這點ac接地，同時還能阻斷該ac電壓。
如圖5所示，該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)包括三個部分，即(1)一個1∶1的輸入螺旋變壓器平衡-不平衡變換器190；(2)將平衡信號傳送到該正方形中心點195的差動接線192a與192b；以及(3)將中心點195對稱連接到所有晶體管柵極的分離網(wǎng)絡(luò)194。所以，分離網(wǎng)絡(luò)194向每個推挽的成對晶體管的柵極提供同相平衡輸入信號。在圖6所示的一個優(yōu)選實施例中，分離網(wǎng)絡(luò)194包括精確成形的金屬導(dǎo)線194a～194f，它們沿著預(yù)定的曲折通路到達晶體管。這就提供了從輸出變壓器(次級線圈)196到每個輸入連接點的正向磁耦合，從而進一步提高了每個獨立放大器的增益，也就提高了整個放大器的增益。
一個并聯(lián)電容器205(見圖8)以及串聯(lián)電容器206、207a與207b也被連接到該輸入端以便使泄漏電感產(chǎn)生共振，并在1∶1螺旋式片上平衡-不平衡變換器190的輸入側(cè)提供對50Ω的匹配?？梢园l(fā)現(xiàn)，因為不采用任何連接導(dǎo)線來作為電感器，所以就不需要為獲得最佳運行而精確調(diào)節(jié)它們的數(shù)值。
輸入饋送也可以換一種方法從該回路的外部進行，從而降低由該輸出的磁耦合所感應(yīng)的電流引起的功率損耗。
F)交叉指型對本發(fā)明的有源變壓器耦合的功率放大器的另一種改進如圖7a所示。在這里所討論的類型的高頻平面有源變壓器中，初級回路200中的電流往往集中在它們的金屬導(dǎo)體的面向次級電路204的邊緣。而且，該次級電路的電流也集中在它的導(dǎo)體的面向該初級繞組的邊緣。這種“電流集聚”增加了較寬金屬導(dǎo)體中的損耗，因為這些導(dǎo)體實際上正在被當(dāng)成具有較高電阻的較窄導(dǎo)體來使用。
為了降低這些損耗，該初級電路可以包括一個安排在該次級回路或輸出回路204路徑內(nèi)部的第二回路202，從而使這些線圈構(gòu)成“交叉指型”。采用這種方法，該初級的電流就被分離到、或分布到一對輸入回路200與202的邊緣，從而有效地使流過電流的邊緣數(shù)加倍。這樣就能有效地降低總體金屬電阻，從而降低總體損耗。應(yīng)當(dāng)理解，這些次級回路可以被連接到一起，也可以不連接到一起。還可以采用其他的交叉指型方案。一個這樣的方案如圖7b所示，其中多個次級回路與多個初級回路構(gòu)成交叉指型。
G)試驗結(jié)果如上所述，本發(fā)明的新穎環(huán)狀幾何圖形拓撲結(jié)構(gòu)既可以被用來實現(xiàn)線性功率放大器，也可以被用來實現(xiàn)開關(guān)功率放大器。作為本發(fā)明的概念的演示，制造了一個2.2W、2.4GHz、E/F3類型、單級全集成環(huán)狀幾何圖形開關(guān)功率放大器，并以BiCMOS處理技術(shù)、采用0.35μm CMOS晶體管進行了測試。
該處理過程產(chǎn)生了三個金屬層，頂層厚3μm，距片基4.3μm，該片基具有8Ω·cm的電阻系數(shù)。該芯片連同墊片的面積為1.3mm×2.0mm。為了核實該放大器的性能，作為該設(shè)計環(huán)節(jié)的一部分，在一個完整的結(jié)構(gòu)上進行了采用SONNET的準3D電磁模擬以及采用ADS的電路模擬。
該設(shè)計電路的完整電路圖如圖8所示。這些電氣部件通常對應(yīng)于圖2～圖5所示的物理部件。特別是，構(gòu)成圖2b所示有源變壓器初級線圈的四個推挽放大器40、60、80與100在圖8中被畫成漏極電感器Ld，每一端有一個被彼此反相驅(qū)動的晶體管。圖4的晶體管輸入匹配回路180用柵極電感器Lg180表示，180在該正方形的每個角重復(fù)出現(xiàn)。圖3～圖5所示的正方形次級線圈150用變壓器151、152、153與154的四個串聯(lián)次級線圈表示，它們分別與作為推挽放大器40、60、80及100的構(gòu)成部分的四個初級線圈相匹配。輸入匹配變壓器或平衡-不平衡變換器190用變壓器T1(190)表示。正如該示意圖所示(圖中沒有明確畫出物理連接)，變換后的平衡輸入信號具有一個正輸入210與一個負輸入212，它們被分離后送到該放大器的作了相應(yīng)標記的輸入。具體地講，正輸入210被連接到每個推挽放大器的適當(dāng)晶體管的“+”相位柵極，“-”相位輸入212被連接到每個推挽放大器的適當(dāng)晶體管的“-”相位柵極。該樣機也實現(xiàn)了圖6所示的曲折輸入回路設(shè)計以便進行輸入功率分離。
在測試該設(shè)計的性能時，該芯片直接用導(dǎo)電粘合劑粘到一個鍍金黃銅散熱器以便有效散熱。該芯片接地墊片用導(dǎo)線連接到該散熱器。該輸入與輸出端用導(dǎo)線連接到一塊印刷電路板(PCB)上的50Ω微波傳輸帶導(dǎo)線。該供電與柵極偏壓墊片也用導(dǎo)線連接。該輸入采用通過一個有向耦合器連接到該電路輸入的商業(yè)功率放大器驅(qū)動以便測量該輸入回波損耗。該輸出通過一個20dB衰減器以及2.9GHz低通濾波器被連接到一塊功率表以避免測量諧波信號功率。所有的系統(tǒng)功率損耗都已經(jīng)過校準，包括接頭與杜勞特鉻合金鋼(Duroid)板損耗。該連接導(dǎo)線的功率損耗被包含在該放大器的被測性能之內(nèi)。
采用一個2V供電獲得了2.4GHz下2.2W的輸出功率，增益為8.5dB。相應(yīng)的功率加效率(PAE)為31％，漏極效率為36％。若以差動方式獲得輸出，那么在Pout為1.9W、增益為8.7dB、漏極效率為48％時，PAE達到41％。圖8與圖9分別表示2V與1V供電時增益與PAE對輸出功率的關(guān)系。小信號增益為14dB，而輸入反射系數(shù)為-9dB。該3dB帶寬為中心點在2.44GHz的510MHz。20GHz以下的所有諧波都低于基波，其差超過64dB。這個芯片顯示，本發(fā)明的單片電路設(shè)計的可實施性與性能都比傳統(tǒng)設(shè)計有所提高。
本發(fā)明詳細說明了以單片電路方式復(fù)合有源器件輸出功率的技術(shù)。在如此描述了本發(fā)明的示例性實施例后就可以明顯地看到，那些熟悉技術(shù)的人員也會想到其他的方法、修改與改進。此外也很明顯的是，本發(fā)明并不限于CMOS技術(shù)、任何特定的頻率范圍、任何特定的輸出功率電平、任何特定的有源器件數(shù)量、任何類型的運行方式或諧波調(diào)節(jié)策略。因而，本發(fā)明只由如下權(quán)利要求加以界定。
權(quán)利要求
1.一個用于放大RF輸入信號的、分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它包括多個推挽放大器，每個放大器包括兩個增益塊，每個增益塊具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口，其中(i)每個推挽放大器的兩個增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接，而且在它們各自輸出端口的正端共用一個公共供電電壓；(ii)每個推挽放大器的每個增益塊的輸出端口的負端被連接到一個相鄰?fù)仆旆糯笃鞯囊粋€增益塊的輸出端口的負端，使得這些放大器組成一個互相連接的環(huán)狀幾何圖形，相鄰增益塊的互相連接的負端被連接到一起形成一個虛擬ac接地點；而且(iii)每個增益塊的輸入端口適合于接收一個至少基本上與相鄰增益塊的輸入端口幅值相等、相位相反的ac輸入信號。
2.一個分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它包括(a)一個適合于放大RF輸入信號的第一推挽放大器，它包括一個第一增益塊與一個第二增益塊，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口，這些增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接；以及(b)一個第二推挽放大器，它包括一個與該第二增益塊相鄰的第三增益塊以及一個第四增益塊，該第三與第四增益塊中每塊都具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口，該第二推挽放大器的增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接，其中該相鄰的第二與第三增益塊在它們各自輸出端口的負端互相連接而形成一個虛擬ac接地點，而且該第四增益塊的輸出端口的負端被連接到該第一增益塊的輸出端口的負端，使得從該第四增益塊流出的所有ac電流基本上都流入該第一增益塊，而且其中每個相鄰增益塊的輸入端口適合于接收一個至少基本上幅值相等、相位相反的輸入信號。
3.權(quán)利要求2的功率放大器，其中這些推挽放大器互相連接，使得對基頻運行而言，虛擬ac接地點出現(xiàn)在這些增益塊的輸出端口的負端。
4.權(quán)利要求2的功率放大器，它還包括至少一個附加的、具有一對互聯(lián)增益塊的推挽放大器，使得該第四增益塊的輸出端口的負端經(jīng)由至少一個附加推挽放大器被間接地連接到該第一增益塊的輸出端口的負端。
5.權(quán)利要求2的功率放大器，它還包括(a)一個具有第五與第六增益塊的第三推挽放大器，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口，該第五與第六增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接，以及(b)一個具有第七與第八增益塊的第四推挽放大器，每個增益塊都具有一個帶有正負端的輸入端口以及一個帶有正負端的輸出端口，該第七與第八增益塊在它們各自輸出端口的正端經(jīng)由一條電感通路互相連接，其中該第四增益塊的輸出端口的負端被連接到該第五增益塊的輸出端口的負端，該第六增益塊的輸出端口的負端被連接到該第七增益塊的輸出端口的負端，而且該第八增益塊的輸出端口的負端被連接到該第一增益塊的輸出端口的負端。
6.權(quán)利要求2的放大器，其中每個增益塊包括至少一個第一與一個最末三端有源器件，每個器件具有一個陰極、一個陽極與一個控制端，每個增益塊的有源器件被以渥爾漫放大形式聯(lián)接到一起，使得該第一有源器件的陰極被用作每個增益塊的輸出端口的負端，該最末有源器件的陽極被用作每個增益塊的輸出端口的正端，而且該第一有源器件的控制端是該增益塊的輸入端口。
7.權(quán)利要求2的功率放大器，其中這些推挽放大器以單片電路方式集成。
8.權(quán)利要求2的功率放大器，其中每個推挽放大器的電感通路是一塊金屬片。
9.權(quán)利要求8的功率放大器，其中該電感通路基本上是一塊平直金屬片。
10.權(quán)利要求2的功率放大器，它還包括一個連接在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K的輸出端口的正端之間的共振諧波調(diào)節(jié)電容器。
11.權(quán)利要求2的功率放大器，它還包括一個安排在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K的輸入端口之間的電感回路，以便調(diào)節(jié)對該RF輸入信號呈現(xiàn)的阻抗。
12.權(quán)利要求2的功率放大器，它還包括一個將需要放大的同相平衡輸入信號對稱地連接到所有增益塊的輸入端口的輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)。
13.權(quán)利要求12的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)對稱地連接來自該功率放大器環(huán)狀幾何圖形內(nèi)部某點的同相平衡輸入信號。
14.權(quán)利要求12的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)對稱地連接來自該功率放大器環(huán)狀幾何圖形外部多個點的同相平衡輸入信號。
15.權(quán)利要求2的放大器，它還包括一個連接到這些推挽放大器的、能對由每個推挽放大器放大的信號進行復(fù)合的功率復(fù)合電路。
16.權(quán)利要求15的功率放大器，其中這些推挽放大器被設(shè)計成一個第一閉合回路來構(gòu)成有源變壓器的一個環(huán)狀幾何圖形初級繞組，而且該功率復(fù)合電路被設(shè)計成位于該初級繞組附近、并與之具有磁耦合的該有源變壓器的一個次級繞組，該次級繞組具有一個能提供該第一閉合回路中這些推挽放大器輸出之和的輸出。
17.權(quán)利要求16的功率放大器，其中該次級繞組是一個單匝電路。
18.權(quán)利要求16的功率放大器，其中該次級繞組是一個具有多個可變寬度部分的導(dǎo)電體。
19.權(quán)利要求16的功率放大器，它還包括一個能將需要放大的、來自該功率放大器的環(huán)狀幾何圖形內(nèi)部某點的同相平衡輸入信號對稱地連接到每個增益塊的每個輸入端口的輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)。
20.權(quán)利要求19的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)包括多個位于該次級繞組附近的曲折輸入回路，從而提供來自該次級繞組的磁耦合，以便提高每個推挽放大器的增益與線性度。
21.權(quán)利要求16的功率放大器，它還包括至少一個位于該初級與次級繞組附近、并與之具有磁耦合的附加次級繞組以便形成一個交叉指型變壓器。
22.權(quán)利要求16的功率放大器，它還包括至少一個位于該初級與次級繞組附近、并與之具有磁耦合的附加環(huán)狀幾何圖形初級繞組以便形成一個交叉指型變壓器。
23.一個用于放大RF輸入信號的、分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它包括多個推挽放大器，每個放大器包括一個第一三端有源器件與一個第二三端有源器件，每個有源器件都具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極，而且適合于放大輸入信號，其中(i)每個推挽放大器的兩個有源器件在它們各自的陽極經(jīng)由一條電感通路互相連接，而且在它們的各自陽極共用一個公共供電電壓；(ii)每個推挽放大器的一個有源器件的陰極被直接連接到一個相鄰?fù)仆旆糯笃鞯囊粋€相鄰有源器件的陰極，使得這些放大器構(gòu)成一個互相連接的環(huán)狀幾何圖形，相鄰有源器件的那些直接相連的陰極被連接到一起來形成一個虛擬ac接地點；而且(iii)每個相鄰有源器件的控制電極適合于接收一個至少基本上幅值相等、相位相反的輸入信號。
24.一個分布式的、環(huán)狀幾何圖形的功率放大器，它包括(a)一個適合于放大RF輸入信號的第一推挽放大器，它包括(i)一個具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極的第一三端有源器件，(ii)一個具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極的第二三端有源器件，以及(iii)一條將該第一與第二有源器件的陽極互相連接的電感通路，這些陽極共用一個公共供電電壓；以及(b)一個適合于進一步放大該RF輸入信號的第二推挽放大器，它包括(i)一個鄰近該第二有源器件、且具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極的第三三端有源器件，(ii)一個具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極的第四三端有源器件，以及(iii)一條將該第三與第四有源器件的陽極互相連接的第二電感通路，該第三與第四有源器件的陽極共用一個公共供電電壓，其中該第一與第二推挽放大器被互相連接成一個環(huán)狀幾何圖形，使得該第二有源器件的陰極被連接到該第三有源器件的陰極以便形成一個虛擬ac接地點，該第一有源器件的陰極被連接到該第四有源器件的陰極，使得從該第四有源器件流出的所有ac電流基本上都流入該第一有源器件，而且其中每個相鄰有源器件的控制電極適合于接收一個至少基本上幅值相等、相位相反的輸入信號。
25.權(quán)利要求24的放大器，其中該第二有源器件的陰極被直接連接到該第三有源器件的陰極，而且該第一有源器件的陰極經(jīng)由至少一個附加的推挽放大器被間接連接到該第四有源器件的陰極。
26.權(quán)利要求25的放大器，它還包括(a)一個具有第五與第六有源器件的第三推挽放大器，每個器件都具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極，該第五與第六器件在陽極處經(jīng)由一條電感通路互相連接，以及(b)一個具有第七與第八有源器件的第四推挽放大器，每個器件都具有一個陽極、一個陰極與一個控制電極，該第七與第八器件在陽極處經(jīng)由一條電感通路互相連接，其中該第四有源器件的陰極被連接到該第五有源器件的陰極，該第六有源器件的陰極被連接到該第七有源器件的陰極，而且該第八有源器件的陰極被連接到該第一有源器件的陰極。
27.權(quán)利要求24的功率放大器，其中該推挽放大器以單片電路方式集成。
28.權(quán)利要求24的功率放大器，其中每個推挽放大器的電感通路是一塊金屬片。
29.權(quán)利要求28的功率放大器，其中該電感通路基本上是一塊平直金屬片。
30.權(quán)利要求24的功率放大器，它還包括一個連接在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K的輸出端口的正端之間的共振諧波調(diào)節(jié)電容器。
31.權(quán)利要求24的功率放大器，它還包括一條安排在相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徲性雌骷膬蓚€控制電極之間的電感回路，以便調(diào)節(jié)對該RF輸入信號呈現(xiàn)的阻抗。
32.權(quán)利要求24的功率放大器，它還包括一個將需要放大的同相平衡輸入信號對稱地連接到每個有源器件的每個控制電極的輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)。
33.權(quán)利要求32的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)對稱地連接來自該功率放大器環(huán)狀幾何圖形內(nèi)部某點的同相平衡輸入信號。
34.權(quán)利要求32的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)對稱地連接來自該功率放大器環(huán)狀幾何圖形外部多個點的同相平衡輸入信號。
35.權(quán)利要求24的功率放大器，它還包括一個連接到這些推挽放大器、對由每一個這些推挽放大器放大的信號進行復(fù)合的功率復(fù)合電路。
36.權(quán)利要求35的功率放大器，其中這些推挽放大器被設(shè)計成一個第一閉合回路來形成有源變壓器的一個環(huán)狀幾何圖形初級繞組，而且該功率復(fù)合電路被設(shè)計成一個該有源變壓器的位于該初級繞組附近、并與之具有磁耦合的次級繞組，該次級繞組具有一個能提供該第一閉合回路中的推挽放大器的輸出之和的輸出。
37.權(quán)利要求36的功率放大器，其中該次級繞組是一個單匝電路。
38.權(quán)利要求36的功率放大器，其中該次級繞組是一個具有多個可變寬度部分的導(dǎo)電體。
39.權(quán)利要求36的功率放大器，它還包括一個將來自該功率放大器的環(huán)狀幾何圖形內(nèi)部某點待放大的同相平衡輸入信號對稱地連接到每個有源器件的每個控制電極的輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)。
40.權(quán)利要求39的功率放大器，其中該輸入功率分離網(wǎng)絡(luò)包括多個位于該次級繞組附近的曲折輸入回路，從而提供來自次級繞組的磁耦合，以便提高每個推挽放大器的增益與線性度。
41.權(quán)利要求36的功率放大器，它還包括至少一個位于該初級與次級繞組附近、并與之具有磁耦合的附加次級繞組以便構(gòu)成一個交叉指型變壓器。
42.權(quán)利要求36的功率放大器，它還包括至少一個位于該初級與次級繞組附近、并與之具有磁耦合的附加環(huán)狀幾何圖形初級繞組以便構(gòu)成一個交叉指型變壓器。
43.一個分布式的、有源變壓器耦合的功率放大器，它包括(a)一個第一推挽放大器，它包括一個第一三端有源器件與一個第二三端有源器件，每個器件都具有一個陰極、一個陽極與一個控制電極，這些有源器件在它們各自的陽極經(jīng)由一條第一電感通路互相連接，這些陽極在該電感通路上的某點共用一個公共供電電源；(b)一個第二推挽放大器，它包括一個第三三端有源器件與一個第四三端有源器件，每個器件都具有一個陰極、一個陽極與一個控制電極，該第三與第四有源器件在它們各自的陽極經(jīng)由一條第二電感通路互相連接，這些陽極在該電感通路的某點共用一個公共供電電源；(c)一個第三推挽放大器，它包括一個第五三端有源器件與一個第六三端有源器件，每個器件都具有一個陰極、一個陽極與一個控制電極，該第五與第六有源器件在它們各自的陽極經(jīng)由一條第三電感通路互相連接，這些陽極在該電感通路的某點共用一個公共供電電源；以及(d)一個第四推挽放大器，它包括一個第七三端有源器件與一個第八三端有源器件，每個器件都具有一個陰極、一個陽極與一個控制電極，該第七與第八有源器件在它們各自的陽極經(jīng)由一條第四電感通路互相連接，這些陽極在該電感通路的某點共用一個公共供電電源；這些放大器被互相連接成一個環(huán)狀幾何圖形，使得每個放大器的每個有源器件的陰極被連接到相鄰放大器的相鄰有源器件的陰極，兩個陰極被互相連接形成一個虛擬ac接地點，而且每個有源器件按照與相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徲性雌骷南辔幌喾吹南辔粊磉\行。
44.一種對多個推挽放大器的已放大輸出進行復(fù)合來構(gòu)成一個功率放大器的方法，每個推挽放大器具有兩個電感性互相連接的增益塊，該方法包括(a)配置該多個放大器來構(gòu)成一個第一閉合回路，使得相鄰放大器的相鄰增益塊被互相連接，而且在互相連接后形成虛擬ac接地點；以及(b)用至少基本上等幅且反相的輸入信號來驅(qū)動相鄰?fù)仆旆糯笃鞯南噜徳鲆鎵K。
45.權(quán)利要求44的方法，它還包括在位于該第一閉合回路附近、并與之具有磁耦合的次級線圈中對該第一閉合回路內(nèi)的推挽放大器的輸出功率進行復(fù)合。
46.一個在處理電壓信號的集成電路的一塊片基上進行沉積的低損耗電感器，它包括一個放置在該片基上的長形導(dǎo)電體，它具有第一與第二端點，位于這些端點之間的導(dǎo)電部分，以及一個跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓，使得其上信號電壓被認定低于跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓的一個部分要比該電感器上其信號電壓被認定高于跨越該導(dǎo)電體的平均ac信號電壓的另一個部分更寬。
47.權(quán)利要求46的電感器，其中該導(dǎo)電體是一個單匝電路。
48.權(quán)利要求47的電感器，其中該單匝電路包括多個平直的、互相連接的金屬部分。
49.權(quán)利要求46的電感器，其中該導(dǎo)電體是一個多匝電路。
50.權(quán)利要求46的電感器，其中該電感器的一端接地，使得該電感器不平衡。
51.權(quán)利要求46的電感器，其中該電感器的兩端均不接地，使得該電感器平衡。
52.一種用來降低放置在集成電路的一塊片基上的電感器的電氣損耗的方法，該電感器具有一個帶有多個互相連接的導(dǎo)電部分的長形主體、一個平均寬度、一個跨越該主體的平均ac信號電壓，該方法包括(a)在該電感器主體的一部分的ac電壓信號高于跨越該電感器主體的平均ac信號電壓處，相對于該平均寬度減少該部分的寬度，以及(b)在另一部分的ac電壓信號比跨越該電感器主體的平均ac信號電壓相對低處，增加該另一部分的寬度。
全文摘要
本發(fā)明公布一種分布式功率放大器拓撲結(jié)構(gòu)以及器件，它能有效且經(jīng)濟地增強要被放大的RF信號的功率輸出。該功率放大器包括若干互相連接成新穎環(huán)狀幾何圖形的推挽放大器，它們最好能當(dāng)作有源變壓器的一個初級繞組，該有源變壓器的相鄰放大器件的信號輸入由幅值相等、相位相反的輸入信號驅(qū)動。該拓撲結(jié)構(gòu)也公布了使用一個與初級繞組的幾何形狀相匹配的次級繞組以及能夠有效復(fù)合這些獨立功率放大器功率的其他變化形式。該新穎的體系結(jié)構(gòu)能夠設(shè)計RF、微波以及毫米波頻率的低成本、全集成、高功率放大器。
文檔編號H03F3/42GK1496605SQ01820340
公開日2004年5月12日 申請日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月10日
發(fā)明者青木一朗, 賽德－阿里·赫杰米里, 戴維·拉特利奇, ⒗鎩ず戰(zhàn)苊桌, 拉特利奇 申請人:加利福尼亞技術(shù)協(xié)會