CN102265511A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大器的预驱动器，包括负载网络，其中以下元件按照以下顺序连接：电阻器-电感器-电容器。也描述了包含这种预驱动器的功率放大器，制造用于放大器的预驱动器的方法以及执行功率放大的方法。

Description

功率放大器
本发明涉及RF功率放大器。本发明尤其适用于，但是并非限制于，RF功率放大器的预驱动器。
RF功率放大器链通常由预驱动器驱动的功率级放大器组成。出于成本和集成因素的考虑，对于所有RF功率放大器链构造块，已经进行了广泛的尝试来使用主流数字CMOS技术。然而，主流CMOS技术中极低的击穿电压不允许在CMOS技术中实现所功率放大器的功率级放大器。使用低压一般需要逐步减少天线阻抗到极小的值。这增加了放大器中匹配网络损失。因此，通常以其他的比如GaAs和GaN等技术来实现RF功率放大器的功率级放大器。当以RF频率操作时，这些技术相比于CMOS技术能经受更高的电压。
与CMOS技术中使用的电压电平相比，功率级放大器的晶体管技术需要的驱动信号摆动是较高的。因此，需要预驱动器来连接CMOS到功率级放大器。需要预驱动器在消耗尽可能小的功率的情况下提供具有足够功率的非常高的摆动电压来驱动功率级放大器。
图1示意性地示出了通过键合线(bondwire)连接到GaN功率级放大器的CMOS器件。必须考虑通过这种键合线引入的寄生电感，以避免导致功率损失的失配。
以目前的CMOS技术设计预驱动器来驱动晶体管是一项非常具有挑战性的任务。
获得高电压摆动的常用方法之一是使用共发共基放大(cascoding)。然而，共发共基放大会由于器件的寄生电容而降低效率。与单一器件方法相比，需要一个高的偏置电压。此外，也需要额外的电路来偏置晶体管的栅极以保护它们免受氧化物击穿。
E类功率放大器是公知的。E类功率放大器的开关损失已被消除。因此，E类功率放大器具有极高的效率。图2示意性示出了一个典型的E类放大器100。所述典型的E类放大器包括负载网路。所述负载网络包括电感器L0、电容器C0和电阻器R，按照电感器L0-电容器C0-电阻器R的顺序连接。E类功率放大器的负载质量因子(QL)选择在4-5左右，以消除标准通信应用(比如GSM)中较高的谐波(harmonics)。在QL和负载网络电路元件之间保持以下关系(QL＝1/(ω*R*C0)＝(ω*L0)/R)。
本发明人已经认识到希望使主流数字CMOS技术能被高效地用在RF功率放大器链中的功率级放大器中。
本发明人已经认识到希望提供单个预驱动器电路，在该单个预驱动器电路中，可以倍增电压和消除功率放大器晶体管中的开关损失。
本发明人已经认识到有利的是提供预驱动电路，该预驱动器电路能用于驱动比它的电源电压高很多的电压。
在第一方面，本发明提供了一种用于放大器的预驱动器，包括：第一电阻器，第一电感器和第一电容器，其中，第一电阻器的第一端子连接到第一电感器的第一端子，第一电感器的第二端子连接到第一电容器的第一端子。
所述预驱动器进一步包括开关，其中，第一电阻器的第二端子连接到所述开关的第一侧，第一电容器的第二端子连接到所述开关的第二侧。
所述开关可以是晶体管。
预驱动器进一步包括：第二电容器；第二电阻器和偏置电压源；其中，第一电阻器的第一端子连接到第二电容器的第二端子；第二电阻器的第一端子连接到第一电感器的第二端子；第二电阻器的第二端子连接到所述偏置电压源。预驱动器可以进一步包括开关，其中，第二电容器的第一端子连接到开关的第一侧，第一电容器的第二端子连接到开关的第二侧。开关可以是晶体管。
预驱动器可进一步包括放大器输出，其中，放大器输出连接到第一电感器的第二端子。
放大器输出可以驱动功率晶体管。
可以在开关晶体管的漏极提供电源电压；并且，为了操作，功率晶体管在它的栅极需要具有比所述电源电压高的摆动电压的驱动信号。
在另一方面，本发明提供一种功率放大器，包括根据以上任何方面的预驱动器。
在另一方面。本发明提供了一种制造用于放大器的预驱动器的方法，所述方法包括：提供第一电阻器、第一电感器和第一电容器，将第一电阻器的第一端子连接到第一电感器的第一端子，将第一电感器的第二端子连接到第一电容器的第一端子。
所述方法可进一步包括：提供开关，将第一电阻器的第二端子连接到所述开关的第一侧，将第一电容器的第二端子连接到所述开关的第二侧。
所述开关可以是晶体管。
所述方法可进一步包括：提供第二电容器、第二电阻器和偏置电压源；将第一电阻器的第一端子连接到第二电容器的第二端子；将第二电阻器的第一端子连接到第一电感器的第二端子；将第二电阻器的第二端子连接到所述偏置电压源。
在另一方面，本发明提供了一种执行功率放大的方法，所述方法包括使用根据以上方面的预驱动器或者功率放大器。
在另一方面，本发明提供了一种用于放大器的预驱动器，包括负载网络，在所述负载网络中，以下元件按照以下的顺序连接：电阻器-电感器-电容器。
参考附图，现在将示例性地描述本发明的实施例，在附图中：
图1示意性地示出了通过键合线连接到GaN功率级的CMOS设备；
图2示意性地示出了典型的E类放大器；
图3示意性地示出了根据本发明第一实施例的修改的E类放大器；
图4示意性地示出了(不是按照比例)修改的E类预驱动器。
图3示意性地(不是按照比例)示出了根据本发明第一实施例的修改的E类放大器1，该修改的E类放大器1包括电压源2和一组负载网络，该组负载网络包括：第一电感器4，晶体管6，第一电容器8，电阻器10，第二电感器12和第二电容器14。
电压源供给0.3V的电压。
第一电感器4的第一端子连接到电压源2，第一电感器4的第二端子连接到晶体管6的漏极端子。
晶体管6的栅极端子接收RF输入信号。晶体管6用作修改的E类放大器1的开关。晶体管6为薄氧化物CMOS驱动器。薄氧化物具有1.2V的栅极-源极氧化物击穿电压。
第一电容器8的第一端子连接到晶体管6的漏极端子。第一电容器8的第一端子连接到电阻器10的第一端子。第一电容器8的第二端子连接到晶体管6的源极端子。
电阻器10的第一端子连接到晶体管6的漏极端子。电阻器10的第二端子连接到第二电感器12的第一端子。
第二电感器12的第二端子连接到第二电容器14的第一端子。
第二电容器14的第二端子连接到晶体管6的源极端子。
修改的E类放大器1包括相对于图2所示E类放大器而重新组织的负载网络。特别地，以下元件按照以下的顺序连接：电阻器10-第二电感器12-第二电容器14。相对于图2中示出的E类放大器，重新组织该修改的E类放大器1的负载网络，使得负载网络的布置与图1所示通过键合线连接到GaN晶元的CMOS晶元中的负载网络的布置相对应，其中，在修改的E类放大器1中由第二电感器12代表键合线，在修改的E类放大器1中由第二电容器14代表GaN晶体管的输入电容，以及在修改的E类放大器1中由电阻器10代表图1中示出的互连导致的寄生电阻。
修改的E类放大器1的重组的负载网络的优点在于，使修改的E类放大器1能够用于预驱动器电路，该预驱动器电路能驱动比它电源电压高的电压。另一优点在于由于保持E类条件，所以消除了预驱动器上的开关损失。
E类功率放大器100的负载网络(包括电感器L0，电容器C0和电阻器R)的负载质量因子QL能被调整，以抑制高次谐波。修改的E类放大器1的一个优点在于，如果为修改的E类放大器1的负载质量因子QL_MOD选择较高值，那么在28所见的电压将显著高于从电压源2提供给电路的电压，Voltage_28～QL_MOD*VDD_2。可以根据28处需要的电压摆动来调整QL_MOD的值。QL_MOD的选取值需要针对特定操作频率适配电容器26、电感器12和电阻器10的值。(QL_MOD＝1/(ω*R_10*C_26)＝(ω*L_12)/R_10)。
图4示意性地示出(不是按照比例)了修改的E类预驱动器30。图3中使用的相同的参考数字也用于代表相同的元件。
修改的E类预驱动器30包括修改的E类放大器中示出的那些元件，此外，还包括偏置电阻器16和第三电容器26。
偏置电阻器16的第一端子连接到第二电感器12的第二端子和第二电容器14的第一端子。偏置电阻器16的第二端子连接到偏置电压18。
第三电容器26的第一端子连接到晶体管6的漏极端子，第三电容器26的第二端子连接到电阻器10的第一端子。
修改的E类预驱动器30的放大输出28驱动功率晶体管20。功率晶体管20为厚氧化物CMOS反相器。所述功率晶体管20的厚氧化物需要具有2.5V摆动电压的驱动信号。
偏置电阻器16和第三电容器26的优点在于，使得能够实现功率晶体管20的栅极的正确栅极偏置。
修改的E类预驱动器30能够使用低电源电压来产生高得多的摆动电压。修改的E类预驱动器30能够使用0.3V的电源电压来产生2.5V的摆动电压。这的优点在于，使得能够通过低电源电压驱动需要高摆动电压的功率晶体管，比如，0.3V的电源电压能驱动需要2.5V的摆动电压的厚氧化物CMOS反相器。
以上描述的修改的E类放大器1和修改的E类预驱动器30的优点在于，低成本的主流低击穿电压晶体管，比如CMOS晶体管，可以用于驱动高电压功率晶体管，即是说，使用低电源电压，可以产生非常高的电压。
以上所述系统的进一步的优点在于可以克服CMOS技术和其他功率晶体管技术之间的驱动接口问题。
以上所述系统的进一步的优点在于在预驱动器中晶体管开关损失趋向于被消除。原因在于以上描述的新电路拓扑是从E类放大器构思中获得。
在上述实施例中，电压源2提供0.3V的电压。然而，在其他的实施例中，电压源可以提供不同的适宜的电压。
在上述实施例中，晶体管6为薄CMOS氧化物驱动器。然而，在其他的实施例中，晶体管可以为不同的适宜类型的驱动器。
在上述实施例中，晶体管6的薄氧化物具有1.2V的栅极-源极氧化物击穿电压。然而，在其他的实施例中，薄氧化物可以具有不同的适宜的栅极-源极氧化物击穿电压。
在上述实施例中，功率晶体管20为厚氧化物反相器。然而，在其他的实施例中，功率晶体管可以为不同的适宜类型的晶体管。
在上述实施例中，功率晶体管20的厚氧化物需要具有2.5V的摆动电压的驱动信号。然而，在其他的实施例中，功率晶体管可以需要具有不同的适宜的摆动电压的驱动信号。
应该理解，在上述实施例中，在单个预驱动器拓扑中，所提出的修改的E类放大器结合了电压倍增和在功率放大器晶体管中消除开关损失的构思。除了上述描述的优点，修改的预驱动器可以有利地用在使用功率放大器的应用中，比如移动电话和基站中。

Claims (15)

1.一种用于放大器的预驱动器，包括：
第一电阻器；
第一电感器；以及
第一电容器，
其中，第一电阻器的第一端子连接到第一电感器的第一端子；以及
第一电感器的第二端子连接到第一电容器的第一端子。
2.根据权利要求1所述的预驱动器，进一步包括开关，其中：
第一电阻器的第二端子连接到所述开关的第一侧；以及
第一电容器的第二端子连接到所述开关的第二侧。
3.根据权利要求2所述的预驱动器，其中所述开关是晶体管。
4.根据权利要求1所述的预驱动器，进一步包括：
第二电容器；
第二电阻器；以及
偏置电压源；其中，
第一电阻器的第一端子连接到第二电容器的第二端子；
第二电阻器的第一端子连接到第一电感器的第二端子；
第二电阻器的第二端子连接到所述偏置电压源。
5.根据权利要求4所述的预驱动器，进一步包括开关，其中：
第二电容器的第一端子连接到开关的第一侧；以及
第一电容器的第二端子连接到开关的第二侧。
6.根据权利要求5所述的预驱动器，其中，所述开关是开关晶体管。
7.根据权利要求6所述的预驱动器，进一步包括放大器输出，其中，放大器输出连接到第一电感器的第二端子。
8.根据权利要求7所述的预驱动器，其中，所述放大器输出驱动功率晶体管。
9.根据权利要求8所述的预驱动器，其中，
在开关晶体管的漏极提供电源电压；以及
为了操作，功率晶体管在它的栅极需要具有比所述电源电压高的摆动电压的驱动信号。
10.一种功率放大器，包括权利要求1至9任一项所述的预驱动器。
11.一种制造用于放大器的预驱动器的方法，所述方法包括：
提供第一电阻器、第一电感器和第一电容器；
将第一电阻器的第一端子连接到第一电感器的第一端子；
将第一电感器的第二端子连接到第一电容器的第一端子。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供开关；
将第一电阻器的第二端子连接到所述开关的第一侧；以及
第一电容器的第二端子连接到所述开关的第二侧。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述开关是晶体管。
14.根据权利要求11至13之一所述的方法，进一步包括：
提供第二电容器、第二电阻器和偏置电压源；
将第一电阻器的第一端子连接到第二电容器的第二端子；
将第二电阻器的第一端子连接到第一电感器的第二端子；以及
将第二电阻器的第二端子连接到所述偏置电压源。
15.一种执行功率放大的方法，所述方法包括：使用根据权利要求1至9中任一项所述的预驱动器或者根据权利要求10所述的功率放大器。
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