專利名稱：逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電子電路，尤其涉及一種RF功率放大器電路。
背景技術(shù)：
功率放大器，例如在蜂窩通訊系統(tǒng)基站中所使用的功率放大 器，經(jīng)常工作在比峰值功率低得多的輸出功率電平上。不幸的是， 返回(back-off)功率電平會(huì)降低發(fā)射機(jī)中的功率放大器的效率。 在常規(guī)的放大器中，效率與輸入驅(qū)動(dòng)電平之間有著直接的關(guān)系。 因此，在RF輸入功率電平高到足以驅(qū)動(dòng)放大器至壓縮或飽和之 前，常常難以獲得高的效率(DC到RF的換能效率)。在多栽波 的通訊系統(tǒng)中，期望盡可能地使放大器保持線性，否則就不能工 作于高效率區(qū)域。
一種改進(jìn)返回功率電平的效率的功率放大器電路設(shè)計(jì)是Doherty放 大器電路，其合并來(lái)自主放大器或載波放大器的功率和輔助放大器或峰 值放大器的功率。參見(jiàn)，W.H.Doherty，，，A New High-Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves,"Proc.IRE Vol.24， No.9， pp. 1163-1182， 1936。圖1A示出了一種常規(guī)的Doherty電路20。如圖所示，分配器 (splitter) 22分解施加于輸入端21的輸入信號(hào)。接收來(lái)自分配器22輸 入信號(hào)的主放大器或載波放大器23和峰值放大器26 ^皮設(shè)計(jì)成以最佳效 率將最大功率傳輸?shù)截?fù)載R。載波放大器23從分配器22直接接收輸入 信號(hào)，而峰值放大器26則通過(guò)一個(gè)四分之一波長(zhǎng)(90°)變壓器25接收 輸入信號(hào)。載波放大器23的輸出通過(guò)另一個(gè)四分之一波長(zhǎng)(卯°)變壓 器24并與峰值放大器26的輸出在合并結(jié)點(diǎn)27合并。因此，載波放大器 23和峰值放大器26的輸出并不相互隔離。于是，當(dāng)峰值放大器26開(kāi)啟 時(shí)，呈現(xiàn)給栽》狄大器23的表觀負(fù)載(apparentload)也隨之變化。
載波放大器23作為標(biāo)準(zhǔn)B類型放大器進(jìn)4于偏置，而峰值放大器26設(shè)計(jì)成僅僅只放大超過(guò)某些最低閥值的信號(hào)。對(duì)于LDMOS功率晶體管 而言，這是通過(guò)將晶體管直流偏置在低于它的夾斷電壓的條件下來(lái)實(shí)現(xiàn) 的，其工作類似于C類放大器。兩個(gè)放大器的輸出通過(guò)特征阻抗R的四 分之一波長(zhǎng)傳輸線24相連接，并且最佳負(fù)載R的一半(one-half)負(fù)載 連接著峰值放大器26的輸出端。在峰值放大器26的輸入端，采用四分 之一波長(zhǎng)延遲25等分RF輸入功率，從而保證了兩個(gè)放大器在負(fù)載R/2 28 上的輸出功率處于同相。
通過(guò)將B類載波放大器23工作于大于兩倍最佳負(fù)載的表觀負(fù) 栽的阻抗，Doherty放大器電路就可在壓縮前獲得高的效率。(在 峰值放大器26變成有效之前，由于四分之一波長(zhǎng)變壓器24的存 在，使得呈現(xiàn)給載波放大器23的表觀負(fù)載阻抗為2R。)于是， 載波放大器23在其最大功率的一半處壓縮并達(dá)到峰值效率。第二 或峰值放大器僅僅只在輸入信號(hào)的峰值期間變成有效。當(dāng)峰值放 大器有效時(shí)，減少了呈現(xiàn)在栽波放大器23輸出端的表觀負(fù)栽阻抗 當(dāng)峰值放大器26輸出其全部功率時(shí)，將再次達(dá)到最大效率。因此， 載波放大器23保持在輸出功率6dB的飽和邊緣，并能夠維持近似 峰值的效率。
當(dāng)輸入到Doherty功率放大器電路的輸入RF功率不足以啟 動(dòng)峰值放大器26時(shí)，則由載波放大器23提供所有的輸出功率。 當(dāng)峰值放大器26關(guān)閉時(shí)，其輸出的阻抗非常高并且載波放大器23 的輸出功率被全部傳輸?shù)截?fù)栽R/2。如上所述，實(shí)際上四分之一波 長(zhǎng)變壓器24上呈現(xiàn)給載波放大器的負(fù)載為2R。因此，當(dāng)電壓飽 和時(shí)，該器件的電流為最大功率傳輸時(shí)的一半。這就導(dǎo)致該器件 只能傳輸其最大輸出功率的一半。因?yàn)殡娏髦械腞F和DC分量是 它們峰值的一半，所以在載波放大器以最大線性效率向負(fù)栽提供 最大輸出功率的一半時(shí)，效率將達(dá)到其最大值。
當(dāng)提供足夠的輸入RF功率從而允許峰值放大器26飽和時(shí)， 兩個(gè)并行的放大器將最大輸出功率均等地傳輸給負(fù)載R/2。然后， 呈現(xiàn)給各個(gè)放大器的表觀負(fù)載都為最佳負(fù)載R,并且在四分之一 波長(zhǎng)變壓器24兩端的負(fù)栽將保持為R。峰值放大器26設(shè)計(jì)成在載波放大器23剛開(kāi)始飽和時(shí)開(kāi)始工作。在該點(diǎn)能夠獲得最大的線 性效率。當(dāng)輸入RF驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步增加時(shí)，峰值放大器就開(kāi)始啟動(dòng) 并將輸出功率傳輸給負(fù)載。峰值放大器26所提供的附加電流具有 在四分之一波長(zhǎng)變壓器24的輸出端增加負(fù)栽阻抗的效應(yīng)。在變壓 器24的載波放大器端的效率變化將減少表觀負(fù)載阻抗并使載波放 大器23在其電壓保持飽和時(shí)能傳輸更多的功率。由于峰值放大器 的占空因子(duty factor)相對(duì)較低，因此在限值之間的效率僅 僅稍微偏離最大值。
人們已經(jīng)做出了一些努力來(lái)擴(kuò)展保持Doherty放大器的輸出 功率和近似峰值效率的范圍。例如，題為"N-way RF Power
Amplifier Circuit With Increased Back-Off Capability And Power Added Efficiency Using Selected Phase Lengths And Output Impedances"的美國(guó)專利No.6791417披露了 一種具有多個(gè) 峰值放大器的Doherty放大器。圖IB示出 一種4路Doherty放大 電路30。如圖所示，提供了一個(gè)栽波放大器33和三個(gè)峰值放大器 36A-C,其中峰值放大器36A-C通過(guò)90°變壓器35A-C連接著輸 出負(fù)載38。單個(gè)90°變壓器34將4路分配器32連接到載波放大 器34。通過(guò)將各個(gè)峰值放大器36A-C的DC偏置設(shè)置為合適的數(shù) 值，所增加的峰值放大器使得Doherty作用得到擴(kuò)展。栽波放大 器33和峰值放大器36A-C的輸出在合并節(jié)點(diǎn)37合并。對(duì)于上面 所加入的每個(gè)峰值放大器而言，它們都能在保持峰值效率的功率 范圍內(nèi)相應(yīng)增加6dB。 N路分配器中的有限損耗將會(huì)導(dǎo)致效率上 的一些限制。4路放大器可以將效率功率范圍擴(kuò)展到理論值上的 18dB。與二路Doherty放大器電路相比，這種4路結(jié)構(gòu)能夠提供 3dBm的整體功率增加。于是， 一個(gè)120瓦的峰值放大器的提供方 式為通過(guò)4路Doherty結(jié)構(gòu)且各路( 一個(gè)載波放大器和三個(gè)峰值 放大器)選用30瓦的晶體管。
題為"N-Way RF Power Amplifier Circuit With Increased Back-Off Capability And Power Added Efficiency Using Unequal Input Power Division"的美國(guó)專利NO.6737922披露了 一種采用不等分輸入功率分解的N路Doherty放大器。圖1C中示出了一種 采用不等分輸入功率分解的三路Doherty i支大器電路40。在電路 40中，輸入功率經(jīng)不等分地分解并施加于載波放大器43和一個(gè)或 多個(gè)峰值放大器46A、 46B，從而提高了功率附加效率(PAE)和 線性度。
更具體地說(shuō)，施加于輸入端口 41的輸入信號(hào)由第一分配器 42A分解。將-4.8dB信號(hào)電平施加于栽波;改大器43，同時(shí)將-1.8dB 的信號(hào)電平進(jìn)一步由第二分配器42B分解，該分配器等分地分解 -1.8dB輸入信號(hào)并將該分解信號(hào)通過(guò)四分之一波長(zhǎng)變壓器45A、 45B施加于峰值放大器46A。栽波放大器和峰值放大器的輸出在 合并節(jié)點(diǎn)47合并，該合并節(jié)點(diǎn)47與負(fù)載48相耦合。
在常規(guī)的Doherty功率放大器電路中，將相等的信號(hào)電平傳 輸給栽波和峰值放大器。因?yàn)榉逯捣糯笃髌命c(diǎn)被有意設(shè)置在閥 值附近，所以與載波放大器相比較，優(yōu)點(diǎn)是可采用更高的信號(hào)電 平來(lái)驅(qū)動(dòng)峰值放大器。相比相等分解形式，這種不等分功率分解 可使峰值放大器46A、 46B被RF信號(hào)更有效地"泵取"，從而補(bǔ)償 晶體管在閥值附近的跨導(dǎo)特性。
Doherty放大器的一個(gè)潛在缺點(diǎn)源于采用了多個(gè)電路單元，例 如連接各個(gè)晶體管的四分之一波長(zhǎng)變壓器以及合并晶體管輸出的 直接合并結(jié)點(diǎn)。這些電路單元會(huì)限制放大器的帶寬，在工作頻率 范圍內(nèi)，帶寬會(huì)影響放大器的效率和/或增益平穩(wěn)度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一些實(shí)施例的一種功率放大器電路，包括配置為接收輸入信 號(hào)的輸入結(jié)點(diǎn)，以及與輸入結(jié)點(diǎn)相耦合的不等分功率分配器，不等分功 率分配器配置為使用不等分功率分解來(lái)分解輸入信號(hào)、向第一輸出結(jié)點(diǎn) 提供第一功率電平信號(hào)和向第二輸出結(jié)點(diǎn)提供第二功率電平信號(hào)的。第 二功率電平信號(hào)具有不同于第一功率電平信號(hào)的功率電平。電路進(jìn)一步 包括笫一放大器路徑，其與不等分功率分配器的第一輸出節(jié)點(diǎn)相耦合并 包括配置為接收和放大第一功率電平信號(hào)的第一晶體管放大器，以及第二放大器路徑，其與不等分功率分配器的第二輸出節(jié)點(diǎn)相耦合并包括配 置為接收和放大第二功率電平信號(hào)的第二晶體管放大器。第二晶體管放 大器配置為在不同于第一晶體管放大器的輸入信號(hào)功率電平上開(kāi)啟。電 路進(jìn)一步包括不等分合并器，被配置為接收和合并來(lái)自第 一放大器路徑 的放大的第一功率電平信號(hào)和來(lái)自第二放大器路徑的放大的第二功率電 平信號(hào)。
第一晶體管放大器可偏置成在A/B類中工作，第二晶體管放大器可 偏置成在C類中的工作。
不等分功率分配器可配置為按功率劃分比率來(lái)分解輸入信號(hào)，不等 分功率合并器可配置為以與功率劃分比率相同的比率合并放大的第一功 率電平信號(hào)和放大的第二功率電平信號(hào)。
不等分功率分配器可配置為將輸入信號(hào)分解成在第一輸出結(jié)點(diǎn)為-A dB的信號(hào)和在第二輸出結(jié)點(diǎn)為-B dB的信號(hào)，不等分功率合并器配置為 合并在-AdB電平上的放大的第一功率電平信號(hào)和在-B dB電平上的放大 的第二功率電平，其中A不等于B。在一些實(shí)施例中，A等于-l， B等 于-6.9。
功率放大器電路可進(jìn)一步包括耦合在輸入結(jié)點(diǎn)和不等分功率分配器 之間的輸入電容器。功率放大器電路可進(jìn)一步包括與不等分合并器輸出 端相耦合的變壓器。
第一晶體管放大器可具有第一柵極寬度(gate wid也)，第二晶體管 放大器可具有大于第一柵極寬度的第二柵極寬度。
功率放大器電路可進(jìn)一步包括位于第一晶體管放大器和不等分合并 器之間的第一傳輸線和位于第二晶體管放大器和不等分合并器之間的第 二傳輸線，其中第一傳輸線的相位長(zhǎng)度可不同于第二傳輸線的相位長(zhǎng)度。
不等分的分配器可包括同相(in phase)的分配器，不等分的合并器 包括同相的合并器。
不等分功率分配器可進(jìn)一步配置為向第三輸出結(jié)點(diǎn)提供第三功率電 平信號(hào)。第三功率電平信號(hào)可具有與第一功率電平信號(hào)不同的功率電平。 功率放大器可進(jìn)一步包括第三放大器路徑，與不等分功率分配器上的第 三輸出結(jié)點(diǎn)相耦合并包括配置為接收和放大第三功率電平信號(hào)的第三晶體管放大器。第三晶體管放大器可以配置為在不同于第一或第二晶體管 放大器的功率電平上開(kāi)啟，并且不等分合并器可進(jìn)一步配置為接收和合 并來(lái)自第三放大器路徑的放大的第三功率電平信號(hào)和來(lái)自第一、第二放 大器路徑的放大的第一、第二功率電平信號(hào)。
不等分功率分配器可配置為按功率劃分比率來(lái)分解輸入信號(hào)，并且 不等分功率合并器配置為按與功率劃分比率相同的比率來(lái)合并放大的第 一功率電平信號(hào)和放大的第二功率電平信號(hào)。
不等分功率分配器可配置為將輸入信號(hào)分解成在第一輸出結(jié)點(diǎn)為-A dB的信號(hào)和在第二輸出結(jié)點(diǎn)為-B dB的信號(hào)以及在第三輸出結(jié)點(diǎn)為-C dB的信號(hào)，并且不等分功率合并器可配置為合并在-A dB電平上的放大 的第一功率電平信號(hào)、在-B dB電平上的放大的第二功率電平信號(hào)和在-C dB電平上的放大的第三功率電平信號(hào)。其中A不等于B并且A不等于 C。在一些實(shí)施例中，A等于-1.5, B等于-8.4和C等于-8.4。
第一晶體管放大器可偏置成在A/B類中工作，第二晶體管放大器可 偏置成在B類或C類中工作，第三晶體.管放大器可偏置成在C類中工作。
第一晶體管放大器可具有第一柵極寬度，第二晶體管放大器可具有 大于第一柵極寬度的第二柵極寬度，以及第三晶體管放大器可具有大于 第 一柵極寬度的第三柵極寬度。
功率放大器電路可進(jìn)一步包括位于第一晶體管放大器和不等分合并 器之間的第一傳輸線，位于第二晶體管放大器和不等分合并器之間的第 二傳輸線，以及位于第三晶體管放大器和不等分合并器之間的第三傳輸 線。第一傳輸線的相位長(zhǎng)度可不同于第二傳輸線的相位長(zhǎng)度或第三傳輸 線的相位長(zhǎng)度。
根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例的一種功率放大器電路，包括配置為接收和放 大輸入信號(hào)的第一晶體管放大器；配置為接收和放大與輸入信號(hào)成比例 的信號(hào)的笫二晶體管放大器，其中第二晶體管放大器被偏置為不同于第 一晶體管放大器的工作類型；以及配置為以不等于1的功率合并比率來(lái) 接收和合并由第一晶體管放大器輸出的放大的第一功率電平信號(hào)和由第 二晶體管放大器輸出的放大的第二功率電平信號(hào)的不等分合并器。


附圖為本發(fā)明提供進(jìn)一步的理解并結(jié)合并為本申請(qǐng)的一部分，闡釋
了本發(fā)明的特定實(shí)施例。附圖包括
圖1A-1C示出了 Doherty放大器的各種不同結(jié)構(gòu)。
圖2為根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路的示意性電路圖。
圖3為根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路的示意性電 路圖。
圖4A是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的功率、效率和增益的仿真結(jié)杲曲線。
圖4B是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 在一定工作頻率范圍內(nèi)的功率、效率和增益的仿真結(jié)果曲線。
圖4C是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的頻率和增益關(guān)系的仿真結(jié)果曲線。
圖5A是圖示說(shuō)明根據(jù)其它實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的頻率和增益關(guān)系的仿真結(jié)果曲線。
圖5B是圖示說(shuō)明根據(jù)其它實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 輸入和輸出的反射系數(shù)(reflection coefficients )的仿真結(jié)果曲線。
圖5C是圖示說(shuō)明根據(jù)其它實(shí)施例的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的功率、效率和增益的仿真結(jié)果曲線。
圖6A是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的功率、效率和增益的仿真結(jié)果曲線。
圖6B是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 在一定工作頻率范圍內(nèi)的功率、效率和增益的仿真結(jié)果曲線。
圖6C是圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路 的頻率和增益關(guān)系的仿真結(jié)果曲線。
具體實(shí)施例方式
下文將參考示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳盡的 說(shuō)明。然而，本發(fā)明可能以多種不同的形式實(shí)施并且其解釋應(yīng)不限于這里所闡明的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例以讓該披露更徹底和完整并 更全面地將本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。貫穿全文，相同的 數(shù)字指示相同的單元。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管這里術(shù)語(yǔ)"第一"，"第二"等可能用于描述各種單元， 但這些單元應(yīng)該不受這些術(shù)語(yǔ)的限制。這些術(shù)語(yǔ)只是用來(lái)區(qū)別一個(gè)單元 和另一個(gè)單元。例如，第一單元可被稱作第二單元，同樣地，第二單元 可凈皮稱作第一單元，而不脫離本發(fā)明的范圍。這里所使用的術(shù)語(yǔ)"與/或" 包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出項(xiàng)的任意和所有的合并。
發(fā)明。正如這里所使用的單數(shù)形式"一個(gè)"和"這個(gè)"也包括了復(fù)數(shù)形式， 除非內(nèi)容中另外清楚指明之外。應(yīng)該進(jìn)一步理解，這里使用的術(shù)語(yǔ)"包
含"，"包括"，是指所述特征，整數(shù)，步驟，操作，元件和/或部分的表 述，但并不排除其中存在或附加的一個(gè)或多個(gè)其他特征，整數(shù)，步驟， 操作，元件，部分和/或組的表述。
除非另外定義，這里所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))在 本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員的一般理解下具有相同的意思。應(yīng)該進(jìn)一 步理解的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)的意思的解釋應(yīng)與它們?cè)诒菊f(shuō)明書和相 關(guān)領(lǐng)域中的意思一致并且不應(yīng)理想化或過(guò)于形式化地解釋，除非這里作 出了清楚的定義之外。
本發(fā)明的一些實(shí)施例所提供的在返回(線性)條件下具有增加效率 的功率放大器電路通常應(yīng)用于各種通訊應(yīng)用。根據(jù)一些實(shí)施例的電路包
括并行的放大器焊點(diǎn)(pads),在這些焊點(diǎn)中，晶體管以及各個(gè)路徑可采用 不同的偏置和匹配。輸入功率在并行放大器之間被不等分地劃分，并且 由于晶體管在各個(gè)路徑中采用不同的偏置，使得各個(gè)放大器對(duì)該點(diǎn)功率 的貢獻(xiàn)是不同的。本文將這種放大電路稱作為逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器 (PPGA )。
各個(gè)路徑所貢獻(xiàn)的功率采用不等分功率合并器合并到一起。不等分 功率合并器可鏡像反映在放大器輸入端的功率分配器。因?yàn)樵诟鱾€(gè)放大 器路徑上的放大器開(kāi)啟不同的輸入功率電平(由于它們不同的偏置和不 同的功率分解)，所以相比于常規(guī)的"單端"放大器，該放大器電路在小于壓縮點(diǎn)的輸出功率電平上的效率可以顯著地提高。
根據(jù)一些實(shí)施例的電路可區(qū)別于Doherty放大器結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诟鱾€(gè) 晶體管路徑的輸出端可能沒(méi)有直接合并節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)，根據(jù)一些實(shí)施 例的輸出合并器提供了在不同放大器鏈路之間的隔離。因此，當(dāng)并行放 大器中的任一放大器開(kāi)啟時(shí)，并不改變呈現(xiàn)給電路中的任何其它放大器 的阻抗。
圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的一種二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器 (PPGA)電路50。如圖所示，PPGA50包括與不等分功率分配器52相 耦合的輸入結(jié)點(diǎn)51。 一般來(lái)說(shuō)，不等分功率分配器將輸入信號(hào)分解成具 有不等分功率電平的兩個(gè)或多個(gè)輸出信號(hào)。在圖2所示的實(shí)施例中，不 等分功率分配器52分解輸入功率，并將-ldB施加于第一放大器路徑55A 和將-6.9dB施加于第二放大器路徑55B。
第一放大器路徑55A包括第一晶體管放大器53A,第二晶體管放大 器路徑55B包括第二晶體管放大器53B。第一和第二晶體管放大器53A、 53B通過(guò)各自50歐姆的傳輸線54A、 54B連接不等分合并器57。 一般來(lái) 說(shuō)，不等分合并器將兩個(gè)或多個(gè)不等分功率的輸入信號(hào)合并并單個(gè)輸出 信號(hào)。例如，對(duì)于一個(gè)-ldBZ-6dB不等分合并器而言，如果將1.26瓦和4 瓦的功率電平輸入到相關(guān)的端口，那么將輸出5.26瓦的全部功率。為了 改進(jìn)電路的增益平穩(wěn)度和效率，可以選擇傳輸線54A、 54B的相位。具 體來(lái)說(shuō)，在傳輸線54A和54B之間提供不同相位可改進(jìn)電路的增益平穩(wěn) 度和效率，因?yàn)楫?dāng)晶體管放大器53B開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)路徑55B會(huì)對(duì)不等分合 并器57呈現(xiàn)出不同的阻抗。在傳輸線54A和54B之間的相位差有助于 匹配從不等分合并器57所看到的這兩條路徑55A和55B的阻抗。
在一些實(shí)施例中，傳輸線54A可具有0。的電氣長(zhǎng)度(electrical length),而傳輸線54B可具有15。的電氣長(zhǎng)度。在更多的實(shí)施例中，傳 輸線54A可具有非零電氣長(zhǎng)度，例如15°,而在一些實(shí)施例中，傳輸線 54B可具有維持傳輸線54A和54B之間理想相位差的電氣長(zhǎng)度。例如， 傳輸線54A可具有15。的電氣長(zhǎng)度，而傳輸線54B可具有30°的電氣長(zhǎng)度。
不等分合并器57可"鏡像反映"不等分分配器52。也就是說(shuō)，不等分 合并器能接收來(lái)自第一放大器路徑55A的-ldB和來(lái)自第二放大器路徑55B的-6.9dB。不等分合并器可合并-ldB信號(hào)和-6.9dB信號(hào)并無(wú)損或微 損地輸出OdB合并信號(hào)(即，全功率)。然而，將會(huì)看到的是，在一些實(shí) 施例中，不等分合并器57可采用不同于不等分分配器52的比率來(lái)合并 來(lái)自放大器路徑55A和55B的信號(hào)。
第一晶體管放大器53A可偏置成在A/B類中工作并配置為在低輸入 功率電平開(kāi)啟。第二晶體管放大器53B可偏置成在C類中工作并配置為 施加于輸入結(jié)點(diǎn)51的輸入信號(hào)高于第一晶體管放大器53A的輸入功率電 平開(kāi)啟。 一些數(shù)字調(diào)制方案，例如WiMax，需要以相對(duì)較高的峰值與平 均(peak-to-average)的功率比率的線性工作。第一晶體管放大器53A 偏置成高線性和高效率地放大低功率的輸入信號(hào)，而第二晶體管放大器 53B偏置成高線性和高效率地放大較高功率的輸入信號(hào)。
第一和第二晶體管放大器53A、 53B可包括RF功率晶體管，例如 GaN-based 高電子遷移率晶體管 (high electron mobility transistors-HEMTs )?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)施例的GaN-basedHEMTs的合適 結(jié)構(gòu)在下列引用中有所描述例如，共同受讓的2001年7月12日提交 和2002年6月6日公告的美國(guó)專利(專利號(hào)為No. 6316793,公告號(hào)為 No. 2002/0066908A1 ),其題為"Aluminum Gallium Nitride/Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors Having A Gate Contact On A Gallium Nitride Based Cap Segment And Methods Of Fabrication Same";2001年5月11日提交和2002年11月14日7>告的美國(guó)專利(專 利號(hào)為No. 2002/0167023 ),其題為"Group lii Nitride Based High Electron Mobility Transistor(HEMT) Wi也Barrier/Spacer Layer";授予 Smorchkova等人、2002年11月14日/>告(公告號(hào)為No. 2002/0167023A1 )、題為"Group隱lii Nitride Based High Electron Mobility Transistor(HEMT) With Barrier/Spacer Layer"的美國(guó)專利，以及2003 年7月11日提交和2004年4月1日(公告號(hào)為No. 2004/0061129 )、 題為"Nitride-Based Transistors And Methods Of Fabication Thereof Using Non-Etched Contact Recesses，"的美國(guó)專利；上述披露通過(guò)全文引 用而合并與此。也可以采用其它類型的晶體管，例如，硅LDMOS、硅 碳化結(jié)構(gòu)MESFET, GaAsHEMT和/或SiGeHBTs。在一些實(shí)施例中，第一和第二晶體管放大器53A和53B可具有相等 的尺寸(即可以具有相等的柵極寬度等)。然而，在一些實(shí)施例中，晶體 管可具有不同的柵極寬度，以便于提供增強(qiáng)的備用效率和/或放大器增 益。例如，相比于第二晶體管放大器53B,第一晶體管放大器53A可具 有較短的柵極寬度。因此，偏置成在較高功率電平開(kāi)啟的第二晶體管放 大器，能夠在保留高程度的線性度同時(shí)，在較高的輸入功率條件下產(chǎn)生 較高的輸出功率。
合并后的信號(hào)通過(guò)90。阻抗匹配變壓器58施加于具有阻抗R的負(fù)載 59。應(yīng)該理解的是，本文的術(shù)語(yǔ)"變壓器"被用來(lái)泛指任何能改變輸入信 號(hào)相位并能包括諸如傳輸線的電抗性部件。
PPGA電路50的增益和輸入/輸出回波損耗的一些改進(jìn)都可以通過(guò) 優(yōu)化電路輸出端的變壓器68來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，在電路50的輸 入端提供串聯(lián)電容器56,這有助于限制通過(guò)不等分功率分配器52返回輸 入端口51的反射。也就^^說(shuō)，同相功率分配器，例如不等分功率分配器 52，在輸入端和輸出端之間幾乎沒(méi)有任何隔離。當(dāng)?shù)诙w管53B開(kāi)始 啟動(dòng)時(shí)，功率分配器52輸出端出現(xiàn)的阻抗可能改變。在輸入端提供串聯(lián) 電容器56可有助于增加電路的平均輸入阻抗并進(jìn)而改進(jìn)電路的輸入反射 系數(shù)。
圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器(PPGA)電 路60。相比于二路PPGA電路，三路PPGA可在較高的備用功率條件下 表現(xiàn)出改進(jìn)的效率。如圖3所示，三路PPGA60包括輸入結(jié)點(diǎn)61，它與 不等分功率分配器62相耦合。在圖3所示的實(shí)施例中，不等分功率分配 器62分解輸入功率并將-1.5dB施加于第一放大器路徑65A、將-8.4dB施 加于第二放大器路徑65B和將-8.4dB施加于第三放大器路徑65C。
第一放大器路徑65A包括第一晶體管放大器63A，第二放大器路徑 65B包括第二晶體管放大器63B和第三晶體管路徑65C包括第三晶體管 放大器63C。第一、第二和第三晶體管放大器63A、 63B和63C通過(guò)各 自的50-歐dif傳輸線64A、64B和64C連接不等分合并器67。傳輸線64A、 64B和64C的電氣長(zhǎng)度可選擇為提供從合并器67所看的匹配輸出阻抗。
不等分合并器67可"鏡像反映，，不等分分配器62。也就是說(shuō)，不等分合并器可接受來(lái)自第一放大器路徑65A的-1.8dB以及來(lái)自第二和第三放 大器路徑65B和65C的-8.4dB。不等分合并器能夠合并-1.8dB信號(hào)和兩 個(gè)-8.4dB信號(hào)并無(wú)損或微損地輸出0dB (例如，全功率)的合并信號(hào)。 然而，在一些實(shí)施例中，不等分合并器67可使用與不等分分配器62不 同的比率來(lái)合并來(lái)自放大器路徑65A和65B的信號(hào)。
第一晶體管放大器63A可偏置成在A/B類中工作并配置為在低輸入 功率電平啟動(dòng)。第二和第三晶體管放大器63B和63C可偏置成在C類中 工作并配置為在較高輸入功率電平啟動(dòng)。在一些實(shí)施例中，晶體管放大 器63A-C的所有偏置點(diǎn)都可以不同。例如，第一晶體管放大器63A可以 偏置成在A/B類中工作，第二晶體管放大器63B可以偏置成在B類中工 作，第三晶體管放大器63C可以偏置成在C類中工作，使得所有三個(gè)放 大器隨著輸入功率的增加而依次開(kāi)啟。
合并后的信號(hào)通過(guò)90。阻抗匹配變壓器68施加于具有阻抗R的負(fù)栽69。
因此，根據(jù)一些實(shí)施例的電路可以包括在對(duì)晶體管路徑的輸入處的 不等分的同相功率分配器(例如不等分的Wilkinson分配器)和在輸出 處的類似的不等分功率合并器。在晶體管之間可能沒(méi)有任何直接的連接。 在放大器路徑中的晶體管可采用不同的偏置并具有不同的輸入RF功率 電平，因此可以逐級(jí)不同的功率電平來(lái)開(kāi)啟晶體管。當(dāng)所有路徑都全功 率上電開(kāi)啟時(shí)，采用相同尺寸的單端輸出放大器就能夠?qū)崿F(xiàn)全部輸出功 率。根據(jù)一些實(shí)施例的放大器電路所具有的帶寬可受晶體管匹配網(wǎng)絡(luò)控 制且不受任何附加部分控制。因此，根據(jù)一些實(shí)施例的放大器電路可具 有以頻率為函數(shù)的平坦的增益特性(flatter gain characteristic )，并同樣 具有改進(jìn)的效率增強(qiáng)帶寬。
另外，由于根據(jù)一些實(shí)施例的放大器電路可采用不等分的同相分配 器、耦合器或四重功率(quda power)合并器，因此采用與Doherty相 似的驅(qū)動(dòng)電平，電路的輸出返回?fù)p耗可以更高和更穩(wěn)定，其中輸出回波 損耗直接與通過(guò)Doherty合并節(jié)點(diǎn)相耦合的驅(qū)動(dòng)電平有關(guān)。
對(duì)兩例采用GaN HEMT晶體管的PPGA實(shí)施例進(jìn)行了仿真才莫擬。 第一個(gè)仿真模擬的電路是如圖2所示的包括-ldB和-6.9dB分配器/合并器的二路PPGA電路。第二個(gè)電路是如圖3所示的包括-1.5dB、 -8.4dB和 -8.4dB分配器/合并器的三路PPGA電路。
圖4A的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路的功率、效率和增益。根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器(PPGA)在沒(méi)有圖2所示的輸入電容器56或者變壓器 58的條件下進(jìn)行了 3.6GHz的仿真才莫擬。也對(duì)常規(guī)(非Doherty)并行放 大器的拓樸結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，在該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)放大器都偏置成在A/B 類中工作并且輸入功率在放大器之間等分地分解。常規(guī)放大器的輸出功 率(以dBm為單位)以曲線102表示，PPGA的輸出功率以曲線104表 示。常規(guī)放大器的增益(以dB為單位)以曲線112表示，PPGA的增益 以曲線114表示。常規(guī)改大器的效率(％)以曲線106表示，PPGA的 效率以曲線108表示。PPGA的效率較常規(guī)的放大器拓樸有明顯的增加， 而增益和輸出功率則十分接近。
圖4B的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路和常規(guī)并行放大器在3.3GHz到3.9GHz工作頻率范 圍內(nèi)的功率、效率和增益。常規(guī)放大器的輸出功率(以dBm為單位)以 曲線簇102a表示，PPGA的輸出功率以曲線簇104a表示。常規(guī)放大器 的增益(以dB為單位)以曲線簇112a表示，PPGA的增益以曲線簇114a 表示。常亂改大器的效率(％)以曲線簇106a表示，PPGA的效率以曲 線簇108a表示。在工作頻率范圍內(nèi)，PPGA的效率較常規(guī)的放大器拓樸 有明顯的增加，而增益和輸出功率則十分接近。
圖4C的仿真模擬結(jié)果曲線120圖示說(shuō)明了根據(jù)一些實(shí)施例的二路逐 級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路的頻率和增益之間的關(guān)系。如圖所示，在工作頻 率范圍內(nèi)增益仍然相對(duì)較平坦。
圖5A的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了根據(jù)更多實(shí)施例的二路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路的頻率和增益122之間的關(guān)系。尤其是，仿真模擬 了包括輸入電容器和輸出變壓器的二路PPGA。當(dāng)包括了輸入電容器和 輸出變壓器時(shí)，增益特性得到了顯著的增加。
圖5B的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了用于包括輸入電容器和輸出 變壓器的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路的輸入和輸出反射系數(shù)Sll和S22。
圖5C的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了包括輸入電容器和輸出變壓 器的二路逐級(jí)功率產(chǎn)生放大器電路相比于常規(guī)并行放大器的功率、效率 和增益。常規(guī)放大器的輸出功率以曲線142表示，PPGA的輸出功率以 曲線144表示。常規(guī)放大器的增益(以dB為單位)以曲線152表示， PPGA的增益以曲線154表示。常規(guī)放大器的效率(％ )以曲線146表 示，PPGA的效率以曲線148表示。
圖6A的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路的功率、效率和增益。常規(guī)三路放大器的輸出功率 (以dBm為單位)以曲線202表示，三路PPGA的輸出功率以曲線204 表示。常規(guī)三路放大器的增益(以dB為單位)以曲線212表示，三路 PPGA的增益以曲線214表示。常規(guī)三路放大器的效率(％)以曲線206 表示，三路PPGA的效率以曲線208表示。三路PPGA的效率較常規(guī)的 三路放大器拓樸有明顯的增加，而增益和輸出功率則十分接近。
圖6B的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了根據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路在工作頻率范圍內(nèi)的功率、效率和增益。常規(guī)三路 放大器的輸出功率(以dBm為單位)以曲線蔟202a表示，三路PPGA 的輸出功率以曲線簇204a表示。常規(guī)三路放大器的增益(以dB為單位) 以曲線簇212a表示，三路PPGA的增益以曲線簇214a表示。常規(guī)三路 放大器的效率(％)以曲線簇206a表示，三路PPGA的效率以曲線蔟 208a表示。在該頻率范圍下，PPGA的效率較常規(guī)的放大器拓樸在除接 近帶寬邊緣之外的工作頻率范圍內(nèi)，其相近于常規(guī)的單末端拓樸，都有 明顯的增加，而增益和輸出功率則十分接近。
圖6C的仿真模擬結(jié)果曲線圖示說(shuō)明了才艮據(jù)一些實(shí)施例的三路逐級(jí) 功率產(chǎn)生放大器電路的頻率和增益之間的關(guān)系。如圖所示，在大約 3.6GHz的工作頻率附近，增益是相對(duì)較平坦的。
本發(fā)明的一些實(shí)施例在高效通訊功率放大器中是有用的，這些功率 放大器用于窄帶和寬帶應(yīng)用(諸如CDMA、 W-CDMA、 WIMAX等)， 使用一些不同調(diào)制方案(諸如FM、 QPSK、 QAM等)。
在附圖以及說(shuō)明中，已經(jīng)披露了本發(fā)明的典型實(shí)施例，盡管采用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但它們僅用于寬泛地表述并不用來(lái)限制，本發(fā)明的范 圍由所附的權(quán)利要求書來(lái)闡述。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器電路，包括輸入節(jié)點(diǎn)，配置為接收輸入信號(hào)；不等分功率分配器，與所述輸入節(jié)點(diǎn)相耦合并配置為采用不等分的功率分解來(lái)分解輸入信號(hào)，向第一輸出節(jié)點(diǎn)提供第一功率電平信號(hào)和向第二輸出節(jié)點(diǎn)提供第二功率電平信號(hào)，其中，所述第二功率電平信號(hào)具有不同于所述第一功率電平信號(hào)的功率電平；第一放大器路徑，與所述不等分功率分配器的第一輸出節(jié)點(diǎn)相耦合并包括第一晶體管放大器，第一晶體管放大器配置為接收和放大第一功率電平信號(hào)；第二放大器路徑，與所述不等分功率分配器的第二輸出節(jié)點(diǎn)相耦合并包括第二晶體管放大器，第二晶體管放大器配置為接收和放大第二功率電平信號(hào)，其中，所述第二晶體管放大器配置為在不同于第一晶體管放大器的輸入信號(hào)功率電平開(kāi)啟；以及，不等分合并器，配置為接收和合并來(lái)自第一放大器路徑的放大的第一功率電平信號(hào)與來(lái)自第二放大器路徑的放大的第二功率電平信號(hào)。
2. 如權(quán)利要求l所述的功率放大器電路，其特征在于，所述第一晶 體管放大器偏置成在A/B類中工作，以及所述第二晶體管放大器偏置成 在C類中工作。
3. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等分 功率分配器配置為按功率劃分比率來(lái)分解輸入信號(hào)，以及所述不等分功 率合并器配置為按與功率劃分比率相同的比率來(lái)合并放大的第一功率電 平信號(hào)和放大的第二功率電平信號(hào)。
4. 如權(quán)利要求3所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等分 功率分配器配置為將輸入信號(hào)分解成在第一輸出結(jié)點(diǎn)為-A dB的信號(hào)和 在第二輸出結(jié)點(diǎn)為-B dB的信號(hào)，以及所述不等分功率合并器配置為合并 -AdB電平的放大第一功率電平信號(hào)和-B dB電平的放大第二功率電平， 其中，A不等于B。
5. 如權(quán)利要求3所述的功率放大器電路，其特征在于，所述A等于-1和B等于-6.9。
6. 如權(quán)利要求l所述的功率放大器電路，其特征在于，進(jìn)一步包括 耦合在輸入結(jié)點(diǎn)和不等分功率分配器之間的輸入電容器。
7. 如權(quán)利要求l所述的功率放大器電路，其特征在于，進(jìn)一步包括 與不等分合并器的輸出端相耦合的變壓器。
8. 如權(quán)利要求l所述的功率放大器電路，其特征在于，所述第一晶 體管放大器具有第一柵極寬度，以及所述第二晶體管放大器具有大于所 述第 一柵極寬度的第二柵極寬度。
9. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器電路，其特征在于，進(jìn)一步包括 位于所述第一晶體管放大器和不等分合并器之間的第一傳輸線，以及位 于所述第二晶體管放大器和不等分合并器之間的第二傳輸線，其中，所 述第一傳輸線的相位長(zhǎng)度不同于所述第二傳輸線的相位長(zhǎng)度。
10. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等 分分配器包括同相分配器，以及所述不等分合并器包括同相合并器。
11. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等 分功率分配器進(jìn)一步配置為向第三輸出結(jié)點(diǎn)提供第三功率電平信號(hào)，其 中，所迷第三功率電平信號(hào)具有與所述第一功率電平信號(hào)不同的功率電 平；所述功率放大器進(jìn)一步包括與所述不等分功率分配器上的第三輸出 結(jié)點(diǎn)相耦合并包括第三晶體管放大器的第三放大器路徑，第三晶體管放 大器配置為接收和放大所述第三功率電平信號(hào)，其中，所述第三晶體管 放大器配置為在不同于所述第一或笫二晶體管放大器的功率電平開(kāi)啟； 所述不等分合并器進(jìn)一步配置為接收和合并來(lái)自第三放大器路徑的放大 笫三功率電平信號(hào)與來(lái)自第一、第二放大器路徑的第一、第二功率電平 信號(hào)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等 分功率分配器配置為按功率劃分比率分解輸入信號(hào)，以及所迷不等分功 率合并器配置為按與功率劃分比率相同的比率合并放大的第一功率電平 信號(hào)和放大的第二功率電平信號(hào)。
13. 如權(quán)利要求12所述的功率放大器電路，其特征在于，所述不等 分功率分配器配置為將輸入信號(hào)分解成在第一輸出結(jié)點(diǎn)為-A dB的信號(hào)和在第二輸出結(jié)點(diǎn)為-B dB的信號(hào)以及在第三輸出結(jié)點(diǎn)為-C dB的信號(hào)， 以及所述不等分功率合并器配置為合并-A dB電平的放大的第一功率電 平信號(hào)、-B dB電平的放大的第二功率電平和-C dB電平的放大的第三功 率電平，其中A不等于B， A不等于C。
14. 如權(quán)利要求13所述的功率放大器電路，其特征在于，所述A等 于-1.5， B等于-8.4和C等于-8.4。
15. 如權(quán)利要求ll所述的功率放大器電路，其特征在于，所述第一 晶體管放大器偏置成在A/B類中工作，所述第二晶體管放大器偏置成在 B類或C類中工作，以及所迷第三晶體管放大器偏置成在C類中工作。
16. 如權(quán)利要求ll所述的功率放大器電路，其特征在于，所述第一 晶體管放大器具有第一柵極寬度，所述第二晶體管放大器具有大于所述 第一柵極寬度的第二柵極寬度，以及所述第三晶體管放大器具有大于所 述第 一柵極寬度的第三柵極寬度。
17. 如權(quán)利要求11所述的功率放大器電路，其特征在于，進(jìn)一步包 括位于所述第一晶體管放大器和不等分合并器之間的第一傳輸線、位于 所述第二晶體管放大器和不等分合并器之間的第二傳輸線以及位于所述 第三晶體管放大器和不等分合并器之間的第三傳輸線，其中，所述第一傳輸線的相位長(zhǎng)度不同于所述第二傳輸線的相位長(zhǎng)度和所述第三傳輸線 的相位長(zhǎng)度。
18. —種功率放大器電路，包括 第一晶體管放大器，配置為接收和放大輸入信號(hào)； 第二晶體管放大器，配置為接收和放大與所述輸入信號(hào)成比例的信號(hào)，其中，所述第二晶體管放大器采用不同于所述第一晶體管放大器的 工作類型進(jìn)行偏置；以及，不等分合并器，配置為以不等于1的功率合并比率來(lái)接收和合并由 所述第一晶體管放大器輸出的第一功率電平信號(hào)和由所述第二晶體管放 大器輸出的第二功率電平信號(hào)。
19. 一種功率放大器電路，包括不等分功率分配器，采用不等分功率分解來(lái)分解輸入信號(hào)，從而提 供第 一功率電平信號(hào)和第二功率電平信號(hào)；第一放大器路徑，包括放大所述第一功率電平信號(hào)的第一晶體管放大器；第二放大器路徑，包括放大所述第二功率電平信號(hào)的第二晶體管放 大器，其中，所述第二晶體管放大器配置為以不同于所述第一晶體管放大器的輸入信號(hào)功率電平開(kāi)啟；以及，不等分合并器，合并所述第一功率電平信號(hào)與所述第二功率電平信號(hào)。
全文摘要
一種功率放大器電路包括不等分功率分配器，它采用不等分的功率分解來(lái)分解輸入信號(hào)并提供第一功率電平信號(hào)和第二功率電平信號(hào)。第一放大器路徑包括放大第一功率電平信號(hào)的第一晶體管放大器，第二放大器路徑包括放大第二功率電平信號(hào)的第二晶體管放大器。第二晶體管放大器配置為以不同于第一晶體管放大器的輸入信號(hào)功率電平開(kāi)啟。不等分合并器合并放大的第一功率電平信號(hào)和放大的第二功率電平信號(hào)。
文檔編號(hào)H03F1/07GK101577528SQ20091014103
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
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