具有快速负载线调节的功率放大器 |
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| 申请号 | CN201310157961.9 | 申请日 | 2013-05-02 | 公开(公告)号 | CN103378811A | 公开(公告)日 | 2013-10-30 |
| 申请人 | 特里奎恩特半导体公司; | 发明人 | 彼得·V·赖特; | ||||
| 摘要 | 公开了具有快速负载线调节的功率 放大器 。本文中一般地描述了用于提供快速负载线调节的射频放大 电路 的设备、方法和系统的 实施例 。可以描述和要求保护其他实施例。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电路，包括： |
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| 说明书全文 | 具有快速负载线调节的功率放大器技术领域背景技术[0002] 正在努力增加蜂窝载波的日益不足的频率分配的容量。这些努力已经产生了与以前的方案相比具有较高的峰值-均值功率比（PAPR）的较新的调制方案。被称为为长期演进（LTE）的一种这样的调制方案可以具有大约10分贝（dB）的PAPR。 [0003] 除非由切换器（如直流（DC）-DC转换器）来驱动，否则射频（RF）功率放大器在从其最大设计功率输出等级回退（back off）时可能是无效的。使用切换器可以提供传统调制方案的有效方法，传统调制方案例如具有相对低的PARA（例如大约3dB或更小）的载波时分多址（CDMA）和无线-CDMA（W-CDMA）。在这些情况下，切换器仅必须跟随相对慢地变化的波形包络同时保持线性度的足够的动态余量以提供大范围的输出功率等级上的期望效率。 [0005] 在附图的图中，通过示例而非作为限制来说明本发明的实施例，附图中相似的附图标记表示相似的元件。 [0006] 图1示出了根据本发明的各个实施例的射频放大电路； [0007] 图2示出了根据一些实施例的射频放大电路； [0008] 图3（a）至图3（c）示出了根据一些实施例的切换元件组； [0009] 图4示出了根据一些实施例的堆叠式电容器布置； [0010] 图5示出了根据一些实施例的另一堆叠式电容器布置； [0011] 图6是示出了根据一些实施例的趋肤效应的图表； [0012] 图7是示出了根据一些实施例的放大操作的流程图；以及 [0013] 图8示出了根据本发明的各个实施例的具有RF放大电路的移动装置。 具体实施方式[0014] 将使用本领域普通技术人员通常采用的、用于向本领域其他普通技术人员传达其工作主旨的术语来描述说明性的实施例的各个方面。然而，对本领域普通技术人员而言将明显的是，可以仅利用所描述的方面中的一些方面来实现替选实施例。为了说明的目的，阐述了具体的装置和配置，以便提供对说明性的实施例的透彻理解。然而，对本领域普通技术人员而言将明显的是，可以在没有具体细节的情况下实现替选实施例。在其他实例中，为了不模糊说明性的实施例，省略或简化了众所周知的特征。 [0015] 此外，又将以最有助于理解本发明的方式将各种操作描述为多个离散的操作；然而，描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作必然是依赖于顺序的。特别地，不需要以呈现的顺序来执行这些操作。 [0016] 短语“在一个实施例中”被重复使用。该短语一般并不指代同一实施例；然而，该短语也可以指代同一实施例。除非上下文另外指出，否则术语“包括（comprising）”、“具有（having）”和“包括（including）”是同义的。 [0017] 在对可能与各个实施例一起使用的语言提供一些用于澄清的上下文方面，短语“A/B”以及“A和/或B”表示（A）、（B）或（A和B）；短语“A、B和/或C”表示（A）、（B）、（C）、（A和B）、（A和C）、（B和C）或（A、B和C）。 [0018] 本文中可以使用术语“耦接至”及其派生词。“耦接”可以表示以下中的一种或更多种。“耦接”可以表示两个或更多个元件处于直接的物理或电接触。然而，“耦接”也可以表示两个或更多个元件间接地彼此接触，但又仍彼此合作或交互，并且可以表示在被称为彼此耦接的元件之间耦接或连接了一个或更多个其他元件。 [0019] 可按照由块提供的操作而引入和描述各种块。这些块可以包括各种硬件、软件和/或固件元件以提供所描述的操作。虽然可以将这些块中的一些块示为具有一定程度的特殊性（例如，在设置的布置中提供分立元件），但是其他实施例可以采用元件/布置的各种修改来提供在特定的实施例的约束/目的内的相关联的操作。 [0020] 图1示出了根据各个实施例的射频（RF）放大电路100。RF放大电路100可以具有功率放大器（PA）104以接收输入RF信号RFin。功率放大器104可以输出RFin的放大版本，作为输出RF信号RFout。RF放大电路100可以包括匹配网络108，该匹配网络108将功率放大器104的输出处的相对低的阻抗（如2至4欧姆）变换成负载112处的相对较高的阻抗（如50欧姆）。 [0021] 由功率放大器104传送至负载112的功率可依赖于两个主要变量。第一个主要变量是提供到功率放大器104的电源电压Vcc。第二个主要变量是由功率放大器104所看到的阻抗。这也可以称为负载线（loadline）。负载线可以是匹配网络108的函数。 [0022] RF功率放大电路100可以包括与匹配网络108耦接的调节控制器116。调节控制器116可以以调节呈现给功率放大器104的负载线以实现高效放大的方式，例如通过给匹配网络108提供控制信号来控制匹配网络108。当在回退功率等级下操作和/或利用具有高PAPR的调节方案来操作时，本文中所描述的负载线的调节可以提高RF放大电路100的效率。 [0023] 图1示出了由功率放大器104所看到的匹配网络108的输入阻抗Zin的波形124。图1还示出了提供到负载112的匹配网络108的输出阻抗Zout的波形128。匹配网络108可以提供输入阻抗（也可称为负载线）的快速调节，以实现RF信号波形的快速幅度调制（AM）包络。输出阻抗可以保持在相对恒定的等级，例如，50欧姆。 [0024] 当操作在4代（4G）调制标准（例如LTE、OFDMA等）的典型的高PAPR信号波形下时，快速负载线调节可以提高RF放大电路100的效率。本文中，快速负载线调节可以被定义为如下的调节带宽：该调节带宽是与RF信号波形的幅度调制的带宽可比较的，或超过RF信号波形的幅度调制的带宽。在各个实施例中，调节带宽可以为大约5兆赫（MHz）或更大。 [0025] 在各个实施例中，电源电压可以是固定的，而负载线被调节。在其他实施例中，电源电压可以是可变的，但可以以与负载线变化的速率不同的速率改变。可以通过使用与功率放大器104的电源端耦接的切换器（例如DC-DC转换器）来改变电源电压。 [0026] 图2为根据一些实施例的可以用于提供上面所描述的快速负载线调节的RF放大电路200。RF放大电路200可以类似于RF放大电路100，并且基本上可以与RF放大电路100可交换。除非另外指明，否则，名称相似的部件可以彼此类似，并且基本上可以彼此可交换。 [0027] RF放大电路200可以包括具有三级即第一级208、第二级212和第三级216的功率放大器204。第三级可以向匹配电路220输出放大的RF信号。在其他实施例中，功率放大器204可以具有其他数量的级。 [0028] 匹配电路220可以是串联的LC匹配网络，该串联的LC匹配网络具有串联的电感元件224和228以及并联电容元件232、236和240。可以理解的是，匹配电路220可以包括元件的其他布置。 [0029] 调节控制器（例如调节控制器116）可以与串联的电感元件224和228和/或并联电容元件232、236和240中的一个或更多个元件耦接，并且可以对元件的参数进行调节以提供快速负载线调节。虽然在图2中所有的电感元件和电容元件被示出为可变元件，但是其他实施例可以包括固定元件和可变元件的各种组合。 [0030] 图3（a）至图3（c）示出了根据一些实施例的可以在匹配网络（例如匹配网络220）中使用的、被配置成提供快速负载线调节的切换元件组。 [0031] 图3（a）示出了根据一些实施例的切换电容器组300，切换电容器组300可以用作可被动态地控制以提供离散的电容的可变电容元件。切换电容器组300可以用于并联电容元件232、236和/或240中的一个或更多个。 [0032] 切换电容器组300可以包括彼此并联耦接的大量的电容器，例如304、308、312和316。电容器中的一个或更多个可以与开关（例如320、324和328）耦接，使得电容器可以通过相应的开关的操作被切换到切换电容器组300中或被切换出切换电容器组300。虽然图 3（a）中示出了四个电容器和三个开关，但是其他实施例可以具有其他数量的开关和/或电容器。 [0033] 图3（b）示出了根据一些实施例的切换电感器组330，该切换电感器组330可以用作可被动态地控制以提供离散的电感的可变电感元件。例如，切换电感器组330可以用于串联的电感元件224和/或228中的一个或更多个。 [0034] 切换电感器组330可以包括彼此并联耦接的大量的电感器，例如334、338、342和346。电感器中的一个或更多个可以与开关（例如350、354和358）耦接，使得电感器可以通过相应的开关的操作被切换到切换电感器组330中或被切换出切换电感器组330。虽然图 3（b）中示出了四个电感器和三个开关，但是其他实施例可以具有其他数量的开关和/或电感器。 [0035] 图3（c）示出了根据一些实施例的可以用作切换电感器组330的替选的切换电感器组362。例如，切换电感器组362可以用于串联的电感元件224和/或228中的一个或更多个。 [0036] 切换电感器组362可以包括与一个或更多个电容器（例如370、374和378）并联耦接的电感器366。电容器中的一个或更多个可以与开关（例如382、386和390）耦接，使得电容器可以通过相应的开关的操作被切换到切换电感器组362中或被切换出切换电感器组362。虽然图3（c）中示出了一个电感器、三个电容器和三个开关，但是其他实施例可以具有其他数量的开关、电容器和/或电感器。 [0037] 调节控制器（例如调节控制器116）可以以提供负载线的期望调节的方式来控制切换电容器组300、切换电感器组330和/或切换电感器组362的开关。 [0038] 为了获得4G波形所期望的带宽，图3的切换组的开关可以是半导体开关，而非可能会太慢的微机电系统（MEMS）开关。开关可以是砷化镓（GaAs）开关、蓝宝石上硅（SOS）开关、绝缘体上硅（SOI）开关、硅锗（SiGe）开关、互补金属氧化物半导体（CMOS）开关等。 [0039] 虽然图3中所示的实施例示出了彼此并联耦接的元件，但是其他实施例可以使用元件的串联-并联布置以实现元件值的期望变化。 [0040] 虽然关于图3中所示的这些基于开关的负载线调节解决方案在一些应用中是可行的，但这些解决方案也可能与各种挑战相关联。 [0041] RF波形的包络是模拟的且快速变化的。为了以保持期望的输出信号的保真度的方式将AM调制施加于RF波形，阻抗调节也应当以快速且连续的方式改变。然而，对于切换元件组方法，RF波形的包络被周期性地采样，并且输出等级被限制为由位（即，开关）的数量来设置的若干离散值。如果没有以足够小的采样周期来采样模拟波形，或以不充足的数量的离散状态来采样模拟波形，那么将生成噪声或不想要的频率成分。这被称为量化误差。 [0042] 该量化误差对期望的输出波形可能会是有害的。例如，量化误差可在与所指派的频带相邻的频带中产生频谱增长（spectral growth）或噪声，频谱增长或噪声可影响接收机灵敏度并产生可能高于管理要求所允许的、不想要的杂散发射。 [0043] 为了减小与RF功率放大电路的系统目标相符合的量化误差，必须使用最小数量的离散等级（即，位）来确保放大的RF波形的足够的保真度。只能通过增加位的数量来减小量化误差。在切换元件实现方式中，这直接转换成针对必须被调节的每个部件而必须使用的开关和元件的数量。这可能导致迫使切换元件组的大小和成本增加以便满足系统目标。 [0044] 切换元件组的另一考虑是相关联的插入损耗。半导体开关具有相对高的导通电阻，例如，约2欧姆。由于功率放大器的输出阻抗通常在2至4欧姆的范围中，因此如果这样的开关用于切换靠近功率放大器104的元件，则可能会发生插入损耗的显著增加，即，效率降低。因此，事实上，有可能利用该方法只能切换靠近负载112的元件，这些元件处于较高阻抗环境中并且在匹配网络108的与功率放大器104相反的一端。这可能会限制匹配网络的阻抗调谐范围。 [0045] 作为依赖于开关对负载线进行调节的替选，一些实施例提供如下的电抗元件：这些电抗元件可以使其相关联的电抗值以连续或模拟的方式被快速调节。例如，一些实施例可以动态地调节匹配网络中的可变电容器的各个电容值。可变电容器可以包括变容二极管或利用电压敏感介质、钛酸锶钡（BST）介质构造的电容器。这些可变电容器可以被分别称为变容管电容器和BST电容器。对于这两种技术，可以以连续模拟的方式通过所施加的电压来调节电容器值。 [0046] 在一些实施例中，匹配网络220的并联电容元件232、236和/或240中的一个或更多个可以利用可变电容器来替代。在一些实施例中，串联的电感元件224和/或228中的一个或更多个可以由与电感器并联耦接的可变电容器来替代。 [0047] 模拟负载线调节技术的使用可以与大量的优点相关联。这些优点包括但不限于：由于模拟控制而导致的对失真的限制；与产生低导通阻抗（例如，BST电容器的大约200毫欧姆）的变容管和BST电容器相关联的高质量因素，这可以使得变容管和BST电容器能够在匹配网络108中的任何位置（包括在功率放大器104的输出端）用作可更改阻抗元件；无源元件（例如变容管和BST电容器）的高可靠性；无源晶片所需要的最少封装要求；调节控制器116的低成本，由于控制信号的带宽仅是几十MHz，在互补金属氧化物半导体（CMOS）中可以实现该低成本；以及不存在切换尖刺（switching spur）。 [0048] 应当注意，本文中所描述的负载线调节架构不需要强制地由模拟控制信号来调节。一些实施例可以使用数字控制信号，假定这样的数字控制信号的带宽满足或超过调制波形的期望带宽。具有带有模拟能力的负载线调节架构的另外的优点在于使用者可以决定对于给定应用所期望的控制信号的量化的级别。这与切换元件组实施例形成对照，在切换元件组实施例中，量化被硬件所固定。 [0049] 虽然上面所讨论的两种类型的可变电容器对于快速负载线调节能够足够快速地被调节，但在其实现中存在应该考虑的某些因素。这些因素源于这一事实：两种类型的可变电容器均是二端器件。因此，跨越器件的RF信号可导致电容的自调节，这可导致RF波形的失真。为了克服这一点，可以堆叠大量的可变电容器以将跨越任何单独的电容器的RF电压摆动减小。然而，为了保持调节电压低，例如小于30V，可以采用电阻馈电网络，使得调节电压跨越各个可变电容器被有效地并联施加。电阻网络可以采用具有1千欧或更大的值的电阻器以确保跨越堆叠式可变电容器的最小RF损耗。这可能会导致馈电网络的高的电阻-电容（RC）时间常数，该高的电阻-电容（RC）时间常数限制了可变电容器的电容可以被调节的速率。这样的布置的调节响应时间可在20至25微秒的数量级。然而，为了实现具有10至20兆赫（MHz）的信号带宽的波形的有效放大，可能会期望10至20纳秒的调节响应时间。 [0050] 图4示出了根据一些实施例的可以用于减小RC时间常数的堆叠式电容器布置400。堆叠式电容器布置（或简称“布置400”）可以包括馈电网络404，馈电网络404可以与具有彼此串联耦接的多个可变电容器412的电容器线408耦接，可变电容器412可以是变容管或BST电容器。馈电网络404可以被配置成接收例如来自调节控制器116的调节控制信号Vc。馈电网络404可以包括大量的频变电阻元件416，这些频变电阻元件416被设计成增加馈电网络404的调节响应时间。这可以允许负载线的快速调节，例如，纳秒数量级的调节。 [0051] 电阻元件416可以各自包括电阻器420和电感器424。电阻元件416可以包括：第一级电阻元件416_1，例如与电容器线408直接耦接的那些元件；以及第二级电阻元件 416_2，例如耦接在第一级电阻元件416_1与调节控制器之间的那些元件。在其他实施例（例如具有不同数量的堆叠式电容器的实施例）中，馈电网络404可以包括其他级的电阻元件。 [0052] 第一级电阻元件416_1中的一些可以具有具有电阻R_1的电阻器和具有电感L_1的电感器。最靠近RF端口1和RF端口2的、与电容器线408耦接的第一级电阻元件416_1可以具有大小是其他第一级部件的大小的两倍的部件，即，具有电阻2R_1的电阻器和具有电感2L_1的电感器。第二级电阻元件416_2可以具有具有电阻R_2的电阻器和具有电感L_2的电感器。 [0053] 电阻器420和电感器424可以提供具有频变阻抗的电阻元件416，该电阻元件416在例如小于等于100MHz的调节带宽内设置相对低的阻抗，，并且在大于等于700MHz的信号带宽内设置相对高的阻抗。此外，馈电网络404可以提供在期望范围（例如10至20纳秒）中的调节响应时间。在一些实施例中，对于信号带宽所期望的各个阻抗可以是几千欧（kΩ）的数量级，其可以对应于相对大的电感器。 [0054] 图5示出了根据其他实施例的可以用于减小RC时间常数的堆叠式电容器布置500。在该实施例中，电容器线504包括堆叠式可变电容器508，堆叠式可变电容器508与相对于图4来示出和描述的电容器类似。然而，布置500包括馈电网络512，馈电网络512具有由多个电阻迹线516组成的电阻元件，电阻迹线516是由具有相对高的磁导率（如大约 100或更大）的材料来制作的。材料可以包括但不限于铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）等。这些材料可以具有明显的趋肤效应，随着频率增加，该趋肤效应将电流限制到迹线的外部附近。因此，电阻迹线516可以具有随着频率增加的有效电阻。 [0055] 图6示出了根据一些实施例的显示趋肤效应的图表600。具体地，针对铜（Cu）604、镍（Ni）608和铁（Fe）提供了作为信号频率的函数的、被测量为比率Rf/R0的迹线电阻比率。Rf为具有2微米厚度的迹线在频率f处的电阻，并且R0为该迹线在DC即f=0处的电阻。可以看出，在增加的频率处，对于给定厚度的导体，由高磁导率的导体构造的迹线将比由相对低磁导率的材料（诸如Cu）制造的迹线展现出电阻的更大的增加。 [0056] 在一些实施例中，可以以电感的方式来形成电阻迹线516，例如，形成一个或更多个电感器，由此增强期望的效应。 [0057] 如所描述的，在馈电网络512中利用电阻迹线516可以导致低频（例如小于约20MHz）处的有效阻抗被减小到高频（例如大于约1000MHz）处的有效阻抗的十分之一或更小。这可以提供期望的RF隔离以及具有减小的RC时间常数，该减小的RC时间常数导致可变电容器508的电容的调节响应时间在期望范围（例如10至20纳秒）内。 [0058] 在一些实施例中，电阻迹线516可以具有一致的截面几何图形。在其他实施例中，不同的电阻迹线516可以包括不同的截面几何图形。 [0059] 图7是示出根据一些实施例的例如RF放大电路100的放大操作700的流程图。放大操作700可以包括在块704处对RF信号进行放大。放大RF信号可以通过RF功率放大器（例如功率放大器104）的一个或更多个级来完成。 [0060] 放大操作700还可以包括在块708处接收包络调制信号。可以通过调节控制器116来完成包络调制信号的接收。在一些实施例中，可以从收发器电路接收包络调制信号，并且该包络调制信号可以表示特定的传输调制方案（例如LTE）的波形包络的实时变化。 [0061] 放大操作700还可以包括在块712处对负载线进行调节。负载线的调节可以基于所接收的包络调制信号。可以通过调节控制器（例如调节控制器116）来完成负载线的调节，该调节控制器提供控制信号以改变切换元件组（例如300、330或362）的有效电容或者改变堆叠式电容器布置（例如400或500）的各个可变电容器的电容。在一些实施例中，可以通过馈电网络（例如馈电网络404或516）将控制信号提供到电容器。 [0062] 根据一些实施例，在图8中示出了示例性无线通信装置800的框图。无线通信装置800可以具有包括功率放大器（PA）808的RF放大电路804、匹配网络（MN）812和调节控制器（MC）816。RF放大电路804可以类似于RF放大电路100，并且基本上可以与RF放大电路100可交换。 [0063] 除了RF放大电路804之外，无线通信装置800可以具有至少如所示的彼此耦接的天线结构820、Tx/Rx（发送/接收）开关824、收发器828、主处理器832和存储器836。尽管将无线通信装置800示为具有发送和接收能力，但其他实施例可以包括仅具有发送能力或仅具有接收能力的装置。 [0064] 在各个实施例中，无线通信装置800可以是但不限于移动电话、寻呼装置（paging device）、个人数字助理、文本消息装置、便携式计算机、台式计算机、基站、用户站、接入点、雷达、卫星通信装置、或能够无线发送/接收RF信号的任何其他装置。 [0065] 主处理器832可以执行存储在存储器836中的基本操作系统程序，以控制无线通信装置800的整体操作。例如，主处理器832可以通过收发器828来控制信号的接收和信号的发送。主处理器832能够执行驻留在存储器836中的其他处理和程序，并且可以如执行的处理所期望的那样将数据移到存储器836中或移出存储器836。 [0066] 收发器828可以接收来自主处理器832的传出数据（例如，语音数据、网络数据、电子邮件、信令数据等），可以生成RFin信号以表示传出数据，并且将RFin信号提供到功率放大器808。收发器828还可以向调节控制器816提供包络跟踪信号。调节控制器816可以基于包络跟踪信号来生成被提供到匹配网络812的调节控制信号。 [0067] RF放大电路804可以对从收发器828接收的RFin信号进行放大以提供RFout信号。RFout信号可以被提供到Tx/Rx开关824，然后被提供到天线结构820以用于无线（over-the-air,OTA）发送。在一些实施例中，Tx/Rx开关824可以包括双工器。 [0068] 以类似的方式，收发器828可以通过Tx/Rx开关824接收来自天线结构820的传入OTA信号。收发器828可以对传入信号进行处理并且将其发送给主处理器832以用于进一步处理。 [0069] 在各个实施例中，天线结构820可以包括一个或更多个定向天线和/或全向天线，包括例如偶极子天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线或适合于RF信号的OTA发送/接收的任何其他类型的天线。 [0070] 本领域普通技术人员将会认识到，通过示例给出了无线通信装置800，并且为了简单和清楚起见，仅将无线通信装置800的构造和操作示出和描述到理解实施例所必需的程度。根据特定的需要，各种实施例设想用于执行与无线通信装置800相关联的任何适当任务的任何适当部件或部件的组合。此外，应该理解，无线通信装置800不应当被解释为限制可以实现实施例的装置的类型。 [0071] 尽管已经根据上述实施例描述了本发明，然而本领域普通技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，所计算的用于实现相同目的的各种各样的替选和/或等同实现可以替代所示出和描述的具体的实施例。本领域普通技术人员将很容易理解，本发明可以以各种各样的实施例来实现。本描述意在被视为用于进行本发明的实施例的说明而非限制。 |
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