CN102484454A - 用于功率放大的线性化电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的线性化电路与包括功率放大器核芯的功率放大电路结合使用。示例性线性化电路包括功率放大器核芯的副本。在操作中,线性化根据RF信号产生包络信号。包络信号用来控制该副本以产生表示功率放大器核芯的AM到AM失真的反转的模拟输出信号。线性化电路然后利用副本的经反转的非线性信号来偏置RF信号,以控制功率放大器核芯。功率放大器核芯及其副本可以在相同的半导体裸片上限定,因此这两者类似地对工艺变化做出响应。

Description

用于功率放大的线性化电路和方法
技术领域
本发明大体上涉及半导体器件,并且更具体而言涉及配置用于功率应用的半导体器件。
背景技术
设计用于射频(RF)功率应用的金属氧化物半导体(MOS)器件在非线性区域中进行操作,并且因此会使输入信号失真。用于校正这种失真的一般途径现在是采用包含输出信号的反馈环路。然而,这些方法可能受到环路稳定性问题的影响。因此,期望RF功率放大的更好的线性化。
发明内容
本发明的示例性放大器电路包括功率放大电路和线性化电路。在各个实施例中,功率放大电路和线性化电路这两者均布置在裸片上。功率放大电路包括功率放大器核芯,该功率放大器核芯包含放大器晶体管,该放大器晶体管的栅极耦合到信号源输入。线性化电路耦合在信号源输入与放大器晶体管的栅极之间,并且其包含功率放大器核芯的副本(replica)。在一些实施例中,该副本的有源部件小于功率放大器核芯的对应的有源部件。线性化电路被配置成在第一放大器晶体管的栅极处添加非线性模拟信号。在一些实施例中,线性化电路并不包含时钟和/或并不包括模数转换器。
在各个实施例中,功率放大器核芯包括栅地阴地(cascode)电路,该栅地阴地电路包含第一放大器晶体管。在这些实施例的一些中,第一放大器晶体管包括MOS晶体管,并且栅地阴地电路还包含第二放大器晶体管,该第二放大器晶体管的漏极耦合到第一放大器晶体管的源极。在其他一些实施例中,作为第二放大器晶体管的替代,栅地阴地电路还包括JFET,该JFET的漏极耦合到第一放大器晶体管的源极。
在示例性放大器电路的各个实施例中,线性化电路还包括包络检测器,该包络检测器耦合在信号源输入与功率放大器核芯的副本之间,其中该包络检测器被配置成产生包络信号。在这些实施例的一些中,线性化电路还包括:第一运算放大器,该第一运算放大器耦合在包络检测器与副本之间;以及第二运算放大器,该第二运算放大器耦合在副本与放大器晶体管的栅极之间。第一运算放大器在包络信号被施加到副本之前对其进行放大,而第二运算放大器在来自副本的经反转的非线性信号被施加到放大器核芯之前对其进行放大。
在又一些实施例中,放大器核芯的副本包括放大器晶体管的副本。在这些实施例中,包络信号被施加到放大器晶体管的副本的栅极。在这些实施例的一些中,DC偏置源和放大器晶体管的副本的漏极两者都耦合到放大器晶体管的栅极。
本发明还提供了包含放大器电路的器件。示例性器件包括封装体;以及集成无源器件和裸片,该无源器件和裸片在封装体的相同侧上附接到封装体或者各自布置在封装体的相对侧上。集成无源器件包含输入匹配块和输出匹配块。裸片包括功率放大器核芯,该功率放大器核芯耦合在输入匹配块和输出匹配块之间,并且包含具有栅极的放大器晶体管。裸片还包括功率放大器核芯的副本,其中该副本的输出耦合到放大器晶体管的栅极。在一些实施例中,功率放大器核芯的副本包含放大器晶体管的副本,并且在这些实施例中,裸片还包括耦合到放大器晶体管的副本的栅极的包络检测器。在各个实施例中,封装体耦合到RF信号源和天线之一或者这两者。
本发明还提供了用于放大RF信号的方法。示例性方法包括:根据RF信号产生包络信号;根据包络信号产生经反转的非线性信号;以及产生线性放大的RF信号。经放大的RF信号通过向功率放大器核芯的晶体管施加偏置的RF信号来产生,其中偏置的RF信号包括RF信号加上经反转的非线性信号。在该方法中,该方法的任何步骤或者所有步骤在共同的裸片上执行。在各个实施例中,未采用时钟信号和/或未执行模数转换。此外,在各个实施例中,RF信号与经反转的非线性信号之间的延迟在约10ns至约15ns之间。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的示例性放大器电路的示意性表示。
图2是根据本发明一个实施例的示例性放大器核芯及其副本的示意性表示。
图3是根据本发明另一实施例的示例性放大器核芯及其副本的示意性表示。
图4是根据本发明一个实施例的RF信号放大的示例性方法的流程图表示。
图5是根据本发明一个实施例的示例性RF器件的示意性表示。
具体实施方式
本公开涉及用于在功率放大中使用的线性化电路并且涉及用于线性地放大RF信号的方法。本发明的线性化电路被配置成与包括功率放大器核芯的功率放大电路结合使用。这种线性化电路包括功率放大器核芯的副本,其中该副本是功率放大器核芯的成比例的复制,该成比例的复制优选地与功率放大器核芯制造在相同衬底上,并且紧邻该功率放大器核芯。在操作中,功率放大电路和线性化电路这两者都接收RF信号,并且线性化电路根据RF信号产生包络信号。包络信号用来控制功率放大器核芯的副本以产生模拟输出信号,该模拟输出信号表示功率放大器核芯的AM到AM失真的反转。线性化电路利用副本的经反转的非线性信号来偏置RF信号,以控制功率放大器核芯。因此,本发明的线性化电路将模拟的AM到AM预失真施加到功率放大器核芯,以对功率放大器核芯的非线性响应进行补偿,从而导致RF信号的更加线性的放大。
本发明的优点包括低的电流消耗以及不需要线性化电路115包括时钟、模数转换器(ADC)或者任何其他数字块。而是,在各个实施例中,线性化电路可以完全是模拟的。附加地,在功率放大器核芯的制造过程中的、影响功率放大器核芯响应的线性度的工艺变化将类似地影响副本的响应的线性度。因此,将理解,功率放大电路和线性化电路的整体组合变得对这种工艺变化不敏感。还将理解,在本发明中,在不借助于来自功率放大器核芯的输出信号的反馈的情况下实现了线性化。
图1是配置成从信号源输入105接收RF信号并且产生线性放大输出信号的放大器电路100的示意性表示。放大器电路100包括功率放大电路110和线性化电路115。功率放大电路110包括功率放大器核芯120、输入匹配块125和输出匹配块130。以下参照图2与图3描述示例性的功率放大器核芯120。
功率放大电路110与线性化电路115这两者均耦合到信号源输入105,以接收相同的RF信号。功率放大电路110和线性化电路115可以例如利用耦合器135耦合到信号源输入105。示例性信号源输入105包括引线键合焊盘和裸片附接焊盘。
线性化电路115耦合在信号源输入105与功率放大器核芯120之间,并且其包括功率放大器核芯120的副本140。副本140包括功率放大器核芯120的有源部件的成比例的复制。在一些实施例中,副本140与功率放大器核芯120制造在同一衬底上。在这些实施例的一些中,还紧邻功率放大器核芯120地制造副本140。示例性衬底包括CMOS裸片。将副本140靠近功率放大器核芯120布置允许良好的晶体管匹配以及来自副本140的非线性的反转的响应与来自功率放大器核芯120的非线性的响应的良好适配。在一些实施例中,副本140的尺度小于功率放大器核芯120的尺寸,尽管尺度并不必限于更小。在示例性副本140中,有源部件为功率放大器核芯120中的对应的部件的尺寸的大约1/60。在各个实施例中,副本140的有源部件相对于功率放大器核芯120的对应的有源部件的比例在从大约1/20到大约1/60的范围中。
线性化电路115还包括耦合在信号源输入105与副本140之间的包络检测器145。包络检测器145根据RF信号产生包络信号。在一些实施例中,包络检测器145与功率放大器核芯120布置在同一衬底上。在一些情况中,包络检测器145完全是模拟的。包络检测器145的合适电路设计是本领域中公知的。
线性化电路115还可以包括诸如运算放大器之类的放大器150,其耦合在包络检测器145与副本140之间并且被配置成放大包络信号。线性化电路115还可以包括也可以是运算放大器的放大器155,其耦合在副本140与功率放大器核芯120之间并且被配置成放大来自副本140的经反转的非线性信号。如以下将要详细讨论的那样,如图1所示,线性化电路115的经反转的非线性信号输出被添加到DC偏置电压,并且被用来控制功率放大器核芯120。
在各个实施例中,功率放大器核芯120和副本140布置在裸片上。在这些实施例的一些中,耦合器135、包络检测器145以及放大器150以及放大器155中的任意一个或者全部也布置在同一裸片上。该裸片可以被附接到还包括功率放大电路和线性化电路的其他部件的封装体。例如,输入匹配块125和输出匹配块130可以在附接到封装体的集成无源器件(IPD)上制造。在一些实施例中,信号源输入105包括在裸片或者封装体上的引线键合焊盘或者裸片附接焊盘。以下参照图5更详细地描述包括裸片和IPD的封装体的示例。
图2是示例性副本200和对应的功率放大器核芯210的示意性表示。功率放大器核芯210是功率放大器核芯120(图1)的一个示例。如图所示,功率放大器核芯210包括布置成栅地阴地配置的两个有源部件,即第一放大器晶体管220和第二放大器晶体管230。在一些实施例中,第一放大器晶体管220包括薄MOS而第二放大器晶体管230包括厚MOS。第二放大器晶体管230的源极耦合到DC电源和功率放大器核芯210的输出。
如本文所使用的,“厚”和“薄”是与放大器晶体管220、230的沟道长度有关的相对的术语。例如,在一个实施例中,第二放大器晶体管230包括具有为400nm的沟道长度的厚MOS,而第一放大器晶体管220包括具有为180nm的沟道长度的薄MOS。厚MOS具有比同一功率放大器核芯210中的薄MOS长的沟道长度,但是另外并不限于本文标识的示例性值。
第一放大器晶体管220的栅极由RF信号、DC偏置与经反转的非线性信号的加和控制。在放大器电路100工作在电流模式中的这些实施例中,DC偏置和经反转的非线性信号在其中走线汇合的节点处相加。在放大器电路100在电压模式中工作的这些实施例中,DC偏置和经反转的非线性信号可以利用低频加法器(参见图1)来相加。低频加法器可以包括例如运算放大器。
副本200还包括类似地布置成栅地阴地配置的两个放大器晶体管240、250。放大器晶体管240、250分别是放大器晶体管220、230的成比例的复制。在放大器晶体管220、230包括薄MOS和厚MOS的这些实施例中,放大器晶体管240、250也分别包括薄MOS和厚MOS。放大器晶体管240的栅极由包络信号控制。放大器晶体管250的源极耦合到诸如VDD之类的功率源,而放大器晶体管240的漏极耦合到副本200的输出。电阻器260也耦合在放大器晶体管240的漏极与接地之间。电阻器260的适当的电阻由电流到电压转换比给出。
图3是另一示例性副本300和对应的功率放大器核芯310的示意性表示。功率放大器核芯310是功率放大器核芯120(图1)的另一示例。如图所示,功率放大器核芯310也包括布置成栅地阴地配置的两个有源部件,即第一放大器晶体管320和第二放大器晶体管330。在一些实施例中,第一放大器晶体管320包括厚MOS,而第二放大器晶体管330包括JFET。第一放大器晶体管320的栅极由RF信号、DC偏置和经反转的非线性信号的加和控制。第二放大器晶体管330的源极耦合到DC电源和放大器核芯310的输出。
副本300也包括布置成栅地阴地配置的两个放大器晶体管340、350。放大器晶体管340、350的每个分别是放大器晶体管320、330的成比例的复制。在放大器晶体管320、330包括厚MOS和JFET的这些实施例中,放大器晶体管340、350也分别包括厚MOS和JFET。放大器晶体管340的栅极由包络信号控制。放大器晶体管350的源极耦合到诸如VDD之类的功率源,而放大器晶体管340的漏极耦合到副本300的输出。电阻器360也耦合在放大器晶体管340的漏极与接地之间。
图4是本发明的示例性放大方法400的流程图表示。方法400包括:接收RF信号的步骤410;根据RF信号产生包络信号的步骤420;根据包络信号产生经反转的非线性信号的步骤430;以及通过将偏置的RF信号施加到功率放大器核芯的晶体管(诸如MOS晶体管)而产生线性放大的RF信号的步骤440。此处,偏置的RF信号包括RF信号加上经反转的非线性信号。在各个实施例中,方法400中的任何步骤或者所有步骤可以由形成在共同裸片(诸如CMOS裸片)上的部件执行。例如,步骤440和步骤430可以由制造在同一裸片上的功率放大器核芯和对应的副本执行。本发明的其他方法可以利用制造在分离的裸片上的功率放大器核芯、副本、耦合器和包络检测器中的一个或者多个执行。
步骤410包括接收RF信号,并且可以包括例如在诸如引线键合焊盘或者裸片附接焊盘的信号源输入处接收RF信号,该信号源输入处在共同裸片上或者在裸片附接到的封装体上。RF信号可以接收自也耦合到信号源输入的RF信号源(参见图5)。
在步骤420中,例如利用包络检测器145根据RF信号产生包络信号。产生包络信号还可以包括例如利用运算放大器放大包络信号。
在步骤430中,根据包络信号产生经反转的非线性信号。在一些实施例中,经反转的非线性信号通过利用包络信号控制功率放大器核芯的副本来产生,并且这可以包括利用包络信号控制副本的晶体管的栅极。在一些实施例中,经反转的非线性信号可以在该晶体管的漏极处获得。在一些实施例中,该晶体管在如例如在图2和图3中示出的栅地阴地配置中。
在步骤440中,产生线性放大的RF信号,并且在一些实施例中,该RF信号与步骤430中产生经反转的非线性信号在同一裸片上产生。在步骤410中接收的同一RF信号还在步骤440中运用。线性放大的RF信号通过将偏置的RF信号施加到功率放大器核芯的晶体管而产生,并且偏置的RF信号包括RF信号加上经反转的非线性信号。在一些实施例中,偏置的RF信号附加地包括DC偏置电压。
在一些实施例中,产生线性放大的RF信号还可以包括例如在将经反转的非线性信号加到RF信号之前利用运算放大器放大经反转的非线性信号。由于线性化电路消耗一些功率,所以在一些实施例中,当线性化电路将节省的功率比该电路将消耗的功率多时,方法400选择性地运用线性化电路。在一些实施例中,这可以通过当功率水平在阈值之下时关闭线性化电路115的一些部件或者所有部件来实现。在阈值之上的功率水平可以被认为是属于高功率模式,而在阈值之下的功率水平可以被认为属于低功率模式。
注意到,当RF信号和经反转的非线性信号相加时,诸如滤波之类的若干因素可以在RF信号与经反转的非线性信号之间产生延迟。经反转的非线性信号将使RF信号迟滞,并且因此未能完全校正功率放大器核芯120的非线性。在一些实施例中,容忍该延迟,而在其他一些实施例中,该延迟被校正。例如,RF信号可以在耦合器135与输入匹配块125之间被延迟等于由线性化电路115引入的延迟的量。将理解,在延迟未被校正的这些实施例中,延迟可以被保持在大约10ns与大约15ns之间的最小值。没有诸如ADC之类的数字块有助于使延迟保持较小。
图5提供了示例性RF设备500(诸如移动电话)的示意性表示,该RF设备500包括耦合在RF源510与天线515之间的放大器电路100。在一些实施例中,RF源510被配置成产生宽带码分多址(WCDMA)调制的RF信号。示例性天线515包括电话天线。
在所图示的实施例中,放大器电路505跨例如包括硅衬底和IPD525的半导体裸片520分布。在所图示的实施例中,半导体裸片520与IPD 525这两者均附接到封装体530,该封装体530提供半导体裸片520与IPD 525之间的电路径。在一些实施例中,半导体裸片520与IPD 525布置在封装体530的相对侧上,这与所图示的实施例中其中半导体裸片520与IPD 525布置在封装体530的相同侧上不同。为清楚起见,省略了放大器电路100的某些部件,诸如线性化电路115的放大器150、155。
在由图5所图示的实施例中,半导体裸片520包括功率放大器核芯120、功率放大器核芯120的副本140、耦合器135、包络检测器145和放大器150、155(未示出)。IPD 525也可以包括例如硅衬底,并且包括输入匹配块125和输出匹配块130。如图1所示,以电通信的方式布置在半导体裸片520和IPD 525上的部件。
在前述说明书中,参照本发明的具体实施例描述了本发明,然而本领域技术人员将认识到,本发明并不限于此。以上描述的本发明的各种特征和方面将可以单独或者结合使用。此外,在不脱离本说明书的较宽的精神实质和范围的情况下,本发明可以在本文描述的以外的任何多种环境和应用中利用。因此,说明书和附图被视为是示例性的而不是限制性的。将理解,如本文所使用的术语“包括”、“包含”和“具有”旨在被解释为本领域中的开放式术语。

Claims (25)

1.一种放大器电路,包括:
功率放大电路,包括功率放大器核芯,所述功率放大器核芯包含第一放大器晶体管,所述第一放大器晶体管的栅极耦合到信号源输入;以及
线性化电路,所述线性化电路耦合在所述信号源输入和所述放大器晶体管的栅极之间,所述线性化电路包含所述功率放大器核芯的副本,所述线性化电路被配置成在所述放大器晶体管的栅极处添加非线性模拟信号。
2.根据权利要求1所述的放大器电路,其中所述功率放大器核芯包括栅地阴地电路,所述栅地阴地电路包含所述第一放大器晶体管。
3.根据权利要求1或者2所述的放大器电路,其中所述栅地阴地电路还包含第二放大器晶体管,所述第二放大器晶体管的漏极耦合到所述第一放大器晶体管的源极,并且其中所述第一放大器晶体管包括MOS晶体管。
4.根据权利要求2或者3所述的放大器电路,其中所述栅地阴地电路包括JFET,所述JFET的漏极耦合到所述第一放大器晶体管的源极,并且其中所述第一放大器晶体管包括MOS晶体管。
5.根据权利要求1-3或者4所述的放大器电路,其中所述副本的有源部件小于所述功率放大器核芯的对应的有源部件。
6.根据权利要求1-4或者5所述的放大器电路,其中所述功率放大电路和线性化电路这两者均布置在裸片上。
7.根据权利要求1-5或者6所述的放大器电路,其中所述线性化电路还包括:包络检测器,所述包络检测器耦合在所述信号源输入与所述功率放大器核芯的副本之间,所述包络检测器被配置成产生包络信号。
8.根据权利要求7所述的放大器电路,其中所述线性化电路还包括:
第一运算放大器,所述第一运算放大器耦合在所述包络检测器与所述副本之间;以及
第二运算放大器,所述第二运算放大器耦合在所述副本与所述放大器晶体管的栅极之间。
9.根据权利要求7所述的放大器电路,其中所述功率放大器核芯的副本包含所述放大器晶体管的副本,并且所述包络信号被施加到所述放大器晶体管的副本的栅极。
10.根据权利要求9所述的放大器电路,其中DC偏置源和所述放大器晶体管的副本的漏极两者均耦合到所述放大器晶体管的栅极。
11.根据权利要求1-9或者11所述的放大器电路,其中所述线性化电路并不包括时钟。
12.根据权利要求1-10或者11所述的放大器电路,其中所述线性化电路并不包括模数转换器。
13.一种器件,包括:
封装体;
集成无源器件,附接到所述封装体,并且包含
输入匹配块,以及
输出匹配块;以及
裸片,附接到所述封装体,所述裸片包含
功率放大器核芯,所述功率放大器核芯耦合在所述输入匹配块和输出匹配块之间,并且包括具有栅极的放大器晶体管,以及
所述功率放大器核芯的副本,所述副本的输出耦合到所述放大器晶体管的栅极。
14.根据权利要求13所述的器件,其中所述功率放大器核芯的副本包含所述放大器晶体管的副本,并且所述裸片还包括耦合到所述放大器晶体管的副本的栅极的包络检测器。
15.根据权利要求13或者14所述的器件,其中所述裸片附接到所述封装体的一侧,并且所述集成无源器件附接到所述封装体的相对侧。
16.根据权利要求13、14或者15所述的器件,还包括耦合到所述封装体的RF信号源。
17.根据权利要求13-15或者16所述的器件,还包括耦合到所述封装体的天线。
18.根据权利要求13-16或者17所述的器件,其中所述裸片还包括包络检测器。
19.一种用于放大RF信号的方法,所述方法包括:
根据所述RF信号产生包络信号;
在裸片上根据所述包络信号产生经反转的非线性信号;以及
通过将偏置的RF信号施加到在所述裸片上的功率放大器核芯的MOS晶体管而产生线性放大的RF信号,其中所述偏置的RF信号包括所述RF信号加上所述经反转的非线性信号。
20.根据权利要求19所述的方法,其中产生所述经反转的非线性信号包括利用所述包络信号控制所述功率放大器核芯的副本的晶体管的栅极。
21.根据权利要求19或者20所述的方法,其中所述偏置的RF信号附加地包括DC偏置电压。
22.根据权利要求19、20或者21所述的方法,其中根据所述RF信号产生包络信号也在所述裸片上执行。
23.根据权利要求19-21或者22所述的方法,其中所述RF信号与所述经反转的非线性信号之间的延迟在大约10ns至15ns之间。
24.根据权利要求19-22或者23所述的方法,其中并未采用时钟信号。
25.根据权利要求19-23或者24所述的方法,其中并未执行模数转换。
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