CN102687391A - 具有基于变压器的旁路模式的级联放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于变压器的双增益模式功率放大器布置包含：驱动器级(220)、功率放大器级(250)及旁路路径(272、274、280)。可切换级间匹配电路(234)耦合于所述驱动器级(220)的输出与所述功率放大器级(250)及所述旁路路径(272、274、280)的相应输入之间。所述可切换级间匹配电路(234)包含变压器(430)，变压器(430)使其一次线圈(432)耦合到所述驱动器级(220)的所述输出。所述变压器(430)的二次线圈(442)使其一个端子经由第一开关(446)耦合到接地，而使其另一端子连接到所述旁路路径(272、274、280)。所述级间匹配电路(234)进一步包含第二开关(276)，其耦合于所述驱动器级(220)的所述输出与所述功率放大器级(250)的所述输入之间。在高增益模式下，所述第一开关(446)断开，而所述第二开关(276)闭合。因此，所述二次线圈在所述高增益模式期间从所述一次线圈电去耦。在旁路模式期间，所述第一开关(446)闭合，而所述第二开关(276)断开。因此，所述二次线圈(442)提供来自所述驱动器级的信号，所述信号经由另一匹配电路(280)耦合到放大器输出端子(B)。为了改进级间阻抗匹配，所述布置可进一步包含耦合到所述一次线圈(432)的可切换电容器(434、436)和/或耦合到所述二次线圈(442)的电容器(444)。所述驱动器级及所述放大器级可实现为差分放大器级，其中所述一次线圈耦合于所述驱动器级的差分输出之间，而所述二次线圈在所述旁路模式期间将差分信号转换成单端信号。

Description

具有基于变压器的旁路模式的级联放大器
根据35 U.S.C.§119主张优先权
本专利申请案主张2009年11月13日申请的标题为“用于RF级联放大器的差分中等增益模式实施方案(PA旁路)(DIFFERENTIAL MID-GAIN MODE IMPLEMENTATION(PA BYPASS)FOR RF CASCADED AMPLIFIERS)”的第61/261,223号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案已转让给本案受让人，且以引用的方式明确地并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及电子器件，且更具体地说，涉及放大器。
背景技术
放大器通常用于各种电子装置中以提供信号放大。不同类型的放大器可用于不同用途。举例来说，例如蜂窝式电话等无线通信装置可包括用于双向通信的发射器及接收器。发射器可包括驱动器放大器(DA)及功率放大器(PA)，接收器可包括低噪声放大器(LNA)，且发射器及接收器可包括可变增益放大器(VGA)。
发射器可具有可包括多个放大器(例如，驱动器放大器及功率放大器)的放大器模块。所述放大器模块可支持多种操作模式。每一操作模式可对应于不同输出功率电平、不同总增益，等等。可能需要实施放大器模块以使得对于所有操作模式可实现良好性能，同时减少电路面积及成本。
发明内容
附图说明
图1展示无线通信装置的框图。
图2展示具有多种操作模式的PA模块的框图。
图3展示单端PA模块的示意图。
图4展示具有基于变压器的旁路模式的单端PA模块的示意图。
图5展示差分PA模块的示意图。
图6展示具有基于变压器的旁路模式的差分PA模块的示意图。
图7及图8展示变压器的两个示范性设计的俯视图。
图9展示用于执行信号放大的过程。
具体实施方式
下文所陈述的详细描述意在作为对本发明的示范性设计的描述，且无意表示可实践本发明的仅有设计。术语“示范性”在本文中用以表示“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”的任何设计未必应解释为比其它设计优选或有利。出于提供对本发明的示范性设计的透彻理解的目的，详细描述包括特定细节。所属领域的技术人员将明白，可在无这些特定细节的情况下实践本文中所描述的示范性设计。在一些情况下，以框图的形式展示众所周知结构及装置，以便避免模糊本文中所呈现的示范性设计的新颖性。
本文中描述具有多个操作模式的级联放大器的各种示范性设计。所述级联放大器可用于例如无线通信装置、蜂窝式电话、个人数字助理(PDA)、手持型装置、无线调制解调器、膝上型计算机、无绳电话、蓝牙装置、消费型电子装置等等的各种电子装置中。为清晰起见，在下文中描述级联放大器在无线通信装置中的用途。
图1展示无线通信装置100的示范性设计的框图。在此示范性设计中，无线装置100包括数据处理器110及收发器120。收发器120包括支持双向无线通信的发射器130及接收器150。大体上，无线装置100可包括用于任何数目个通信系统及任何数目个频带的任何数目个发射器及任何数目个接收器。
在发射路径中，数据处理器110处理待发射的数据，且将模拟输出信号提供给发射器130。在发射器130内，模拟输出信号由放大器(Amp)132放大，由低通滤波器134滤波以移除由数/模转换引起的图像，由VGA 136放大，且由混频器138从基带上变频转换到射频(RF)。经上变频转换的信号由滤波器140滤波，由驱动器放大器142及功率放大器144进一步放大，路由经过开关/双工器146，且经由天线148发射。
在接收路径中，天线148从基站及/或其它发射器台接收信号，且提供所接收的信号，所述信号路由经过开关/双工器146，且被提供给接收器150。在接收器150内，所接收的信号由LNA 152放大、由带通滤波器154滤波，且由混频器156从RF下变频转换到基带。所述经下变频转换的信号由VGA 158放大、由低通滤波器160滤波，且由放大器162放大以获得模拟输入信号，所述模拟输入信号被提供给数据处理器110。
图1展示实施直接转换架构的发射器130及接收器150，直接转换架构将信号在一个级中在RF与基带之间进行频率转换。发射器130及/或接收器150还可实施超外差式架构，其将信号在多个级中在RF与基带之间进行频率转换。本机振荡器(LO)产生器170产生发射LO信号及接收LO信号，且分别将其提供给混频器138及156。锁相回路(PLL)172从数据处理器110接收控制信息，且将控制信号提供给LO产生器170，以产生处于适当频率的发射及接收LO信号。
图1展示示范性收发器设计。一般来说，对发射器130及接收器150中的信号的调节可由放大器、滤波器、混频器等等的一个或一个以上级来执行。这些电路可布置成不同于图1中所展示的配置。此外，图1中未展示的其它电路也可用于发射器及接收器中。举例来说，匹配电路可用以使图1中的各种有源电路匹配。图1中的一些电路还可省略。收发器120可实施于一个或一个以上模拟集成电路(IC)、RF IC(RFIC)、混合信号IC等等上。举例来说，发射器130中的放大器132到功率放大器144可实施于RFIC上。驱动器放大器142及功率放大器144还可实施于RFIC外部的另一IC上。
数据处理器110可执行无线装置100的各种功能，例如，对所发射及接收的数据的处理。存储器112可存储用于数据处理器110的程序代码及数据。数据处理器110可实施于一个或一个以上专用集成电路(ASIC)及/或其它IC上。
如图1中所展示，发射器及接收器可包括各种放大器。在RF下的每一放大器可具有输入阻抗匹配及输出阻抗匹配，为简单起见未将其在图1中展示。
在图1中，驱动器放大器142及功率放大器144可实施于PA模块中。PA模块可支持可与不同输出功率电平、不同增益等等相关联的多种操作模式。操作模式还可称作增益模式，等等。举例来说，PA模块可支持以下操作模式：
1.高增益模式-驱动器放大器142及功率放大器144两者均启用，
2.中等增益模式-仅启用驱动器放大器142，且停用功率放大器144，及
3.低增益模式-驱动器放大器142及功率放大器144两者均停用。
高增益模式、中等增益模式及低增益模式还可分别称作高功率模式、PA旁路模式及全旁路模式。低增益模式及中等增益模式可称作旁路模式。PA模块还可支持更多或更少操作模式。在任何情况下，多种操作模式可允许响应于链路/环境条件的改变而调整PA模块的输出功率。可通过改变驱动器放大器142的增益及/或功率放大器144的增益来实现较精细的增益步长。
可能需要实施旁路模式以实现以下目标：
1.最小化对高增益模式的性能的影响，及
2.最小化用以实施用于旁路模式的电路的面积。
旁路模式通常是用开关来实施，开关可位于用于实现高增益模式的高功率信号路径中，且/或可负载高功率信号路径的敏感性节点。这可导致高增益模式的降低的效率。可通过实施用于旁路模式的开关以使得在最小程度上影响高功率信号路径来实现第一目标。
高增益模式可用电路集合来实施，且旁路模式可用一个或一个以上额外电路集合来实施。每一电路集合可经设计以针对相关联操作模式获得良好性能。这可针对旁路模式提供良好性能，同时对高增益模式的性能具有最小影响。然而，将使用额外电路面积来实施旁路模式的额外电路集合，且可能导致较高成本。
在一方面中，对于包含级联(或串联)耦合的驱动器放大器及功率放大器的PA模块，可通过再使用变压器的驱动器放大器的输出处的电感器来实施旁路模式。所述电感器可用作驱动器放大器的负载电感器及/或高增益模式中的输出阻抗匹配的电感器。可将所述电感器在旁路模式中再用作变压器的一次线圈。变压器将包括可用于旁路模式的二次线圈。变压器可用极少量额外电路面积来实施，这可实现上述第二目标。可实施旁路模式的信号路径，使得可在最小程度上影响高增益模式的性能，这继而可实现上述第一目标。
图2展示具有多种操作模式的PA模块200的示范性设计的框图。可针对图1中的驱动器放大器142及功率放大器144使用PA模块200。在PA模块200内，输入匹配电路210接收输入RF信号(RFin)，且使其输出耦合到驱动器放大器220的输入。驱动器放大器220的输出耦合到级间匹配电路230，级间匹配电路230包括串联耦合的第一区段240、开关276及第二区段242。第一区段240耦合于匹配电路230的输入与节点A之间。开关276与第二区段242串联耦合，且所述组合耦合于节点A与匹配电路230的输出之间。
功率放大器250使其输入耦合到级间匹配电路230的输出，且使其输出耦合到输出匹配电路260的输入。可基于接通/关断控制而启用或停用功率放大器250。开关278使一端耦合到匹配电路260的输出，且使另一端耦合到节点B(其提供输出RF信号(RFout))。开关272使一端耦合到节点A，且使另一端耦合到匹配电路270的输入。开关274使一端耦合到节点B，且使另一端耦合到匹配电路270的输出。虽然未在图2中展示，但可将RFout信号提供给双工器、天线、RF开关及/或其它电路。
PA模块200支持高增益模式及旁路模式。在高增益模式中，开关276及278闭合，开关272及274断开，且驱动器放大器220及功率放大器250两者均启用。放大器220及250提供RFout信号的信号放大及高输出功率。匹配电路210执行驱动器放大器220的输入阻抗匹配。匹配电路230执行驱动器放大器220的输出与功率放大器250的输入之间的阻抗匹配。匹配电路260执行对功率放大器250的输出阻抗匹配，且可使功率放大器250的低输出阻抗与为Zo的目标输出阻抗匹配，为Zo的目标输出阻抗可为50欧姆或某一其它值。
在旁路模式中，开关276及278断开，开关272及274闭合，驱动器放大器220启用，且功率放大器250停用。驱动器放大器220提供RFout信号的信号放大及低到中等输出功率。来自驱动器放大器220的经放大的信号路由经过第一区段240及匹配电路270，且提供为RFout信号。第一区段240及匹配电路270在旁路模式中执行对驱动器放大器220的输出阻抗匹配。匹配电路270可使节点A处的阻抗Z1与目标输出阻抗Zo匹配。
一般来说，PA模块可支持任何数目个操作模式。每一操作模式可与启用的特定零或以上个放大器的集合相关联。举例来说，PA模块200可包括驱动器放大器220及功率放大器250两者均停用的全旁路模式。
图3展示为图2中的PA模块200的示范性设计的单端PA模块202的示意图。PA模块202包括图2中的所有电路块(差别如下)。图2中的匹配电路230是用图3中的匹配电路232来实施。
在匹配电路232内，电感器332使一端耦合到节点A，且使另一端耦合到电力供应(Vdd)。电感器332可为驱动器放大器220的负载电感器。电容器334耦合于节点A与电路接地之间。电容器338耦合于开关276与功率放大器250的输入之间。电感器340耦合于功率放大器250的输入与参考电压(Vref)之间。电感器332与电容器334形成匹配电路232的第一区段。电容器338与电感器340形成匹配电路232的第二区段。
图3展示匹配电路232的示范性设计。一般来说，匹配电路可用任何数目个区段/级、任何数目个电感器及电容器及任何次序来实施。较多区段可导致对电路组件变化的较小敏感性，且还可提供较广泛的频率响应，此两者均可为合意的。匹配电路还可用例如分流电感器(L)及分流电容器(C)、串联C及分流L、串联L及分流C等等的各种电路拓扑来实施。
虽然未在图3中展示，但匹配电路210、260及270可各自用可基于任何电路拓扑而布置的一个或一个以上电感器及一个或一个以上电容器来实施。
图4展示具有基于变压器的旁路模式的单端PA模块204的示范性设计的示意图。PA模块204包括图2中的所有电路块(差别如下)。首先，用图4中的匹配电路234来实施图2中的匹配电路230。其次，用图4中的匹配电路280来替换图2中的匹配电路270。
在匹配电路234内，电容器434及开关436串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器220的输出与电路接地之间。变压器430包括一次线圈432及二次线圈442。术语“线圈”、“电感器”及“导体”可互换地使用。一次线圈432耦合于驱动器放大器220的输出与Vdd之间。二次线圈442与开关446串联耦合，且所述组合耦合于节点X与电路接地之间。电容器444耦合于节点X与电路接地之间。开关276与电容器438串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器220的输出与功率放大器250的输入之间。电感器440耦合于功率放大器250的输入与Vref之间。
在高增益模式中，开关276及278闭合，开关272、274及446断开，且驱动器放大器220及功率放大器250两者均启用。二次线圈442解除连接且浮动。一次线圈432、电感器440及电容器438执行级间阻抗匹配。开关436也可闭合，且电容器434可与一次线圈432并联耦合，以改变级间阻抗匹配，(例如)以获得较平坦的频率响应、较高的输出功率、改进的功率增加效率(PAE)等等。
在旁路模式中，开关276及278断开，开关272、274及446闭合，驱动器放大器220启用，且功率放大器250停用。变压器430的二次侧处的节点X经由开关272耦合到匹配电路280。变压器430执行从驱动器放大器220的低输出阻抗到特定阻抗的阻抗匹配，所述特定阻抗可为目标输出阻抗Zo或某一其它阻抗。开关436可闭合，且电容器434可与一次线圈432并联耦合，且用以改变阻抗匹配。电容器434可为可在旁路模式与高增益模式中具有不同值的可编程电容器。电容器444可用以获得所要阻抗匹配。
节点X在旁路模式中可具有阻抗Z2，所述阻抗可设计成接近于目标输出阻抗Zo。在此情况下，匹配电路280可省略。匹配电路280还可用以在旁路模式中执行在节点X处的标称阻抗Z2与目标输出阻抗Zo之间的阻抗匹配。
如图4中所展示，变压器430可用以支持旁路模式，且可将驱动器放大器220的负载电感器再用作一次线圈432。开关446可与变压器430的二次线圈442串联耦合，且可闭合以连接变压器430，或断开以使变压器430解除连接。电容器444可与二次线圈442并联耦合，且用以在旁路模式下提供阻抗匹配。可切换电容器434可与一次线圈432并联耦合，且可用以调整阻抗匹配，(例如)以允许旁路模式与高增益模式之间的电感器大小的折衷。匹配电路280可用以提供进一步阻抗匹配。
开关274可用以使旁路模式与高增益模式隔离，且减少节点B处的寄生负载。开关274连接的节点B处的阻抗可相对较高(例如，在25欧姆到50欧姆之间)。因此，开关274可对高增益模式的效率具有较小影响。
开关可用金属氧化物半导体(MOS)晶体管来实施。RFout信号在高增益模式下可具有大的电压摆动，且所述大的电压摆动可超过每一MOS晶体管的击穿电压。可通过实施具有耦合成堆叠的多个MOS晶体管的开关来实现改进的可靠性。RFout信号的大的电压摆动继而可跨越所述堆叠中的所述MOS晶体管而大致相等地分裂或分布。每一MOS晶体管继而可观测到所述大的电压摆动的仅一不分，其应小于MOS晶体管的击穿电压，以便实现良好的可靠性。一般来说，任何数目个MOS晶体管可耦合成堆叠，以使在关断状态下跨越所述MOS晶体管的大的电压摆动分裂。在示范性设计中，对于旁路模式，开关274可包括堆叠中的MOS晶体管的子集，且开关272可包括所述堆叠中的其余MOS晶体管。这可归因于旁路模式的信号路径而减小节点B处的负载(这可减少高增益模式下的性能降级)。
图5展示具有多种操作模式的差分PA模块500的示范性设计的示意图。在PA模块500内，输入匹配电路510接收RFin信号，且提供差分DA输入信号。驱动器放大器520a及520b接收并放大所述差分DA输入信号，且提供差分DA输出信号。级间匹配电路530接收所述差分DA输出信号，且提供差分PA输入信号。功率放大器550a及550b接收并放大所述差分PA输入信号，且提供差分PA输出信号。输出匹配电路560接收所述差分PA输出信号，且提供单端输出信号。开关578使一端耦合到匹配电路560的输出端，且使另一端耦合到节点B(其提供RFout信号)。
开关572使一端耦合到节点A，且使另一端耦合到匹配电路570的输入。开关574使一端耦合到节点B，且使另一端耦合到匹配电路570的输出。虽然未在图5中展示，但可将RFout信号提供给双工器、天线、RF开关及/或其它电路。
图5还展示级间匹配电路530的示范性设计。在匹配电路530内，电感器532耦合于驱动器放大器520a的输出与驱动器放大器520b的输出之间。电容器534a及534b串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520a的输出与驱动器放大器520b的输出之间。开关576a与电容器538a串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520a的输出与功率放大器550a的输入之间。开关576b与电容器538b串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520b的输出与功率放大器550b的输入之间。电感器540耦合于功率放大器550a的输入与功率放大器550b的输入之间。
PA模块500支持高增益模式及旁路模式。在高增益模式中，开关576a、576b及578闭合，开关572及574断开，且驱动器放大器520a及520b以及功率放大器550a及550b全部启用。放大器520a、520b、550a及550b提供RFout信号的信号放大及高输出功率。匹配电路510执行单端到差分转换及对驱动器放大器520的输入阻抗匹配。匹配电路530执行驱动器放大器520a及520b的输出与功率放大器550a及550b的输入之间的阻抗匹配。匹配电路560执行对功率放大器550a及550b的输出阻抗匹配及差分到单端转换。
在旁路模式中，开关576a、576b及578断开，开关572及574闭合，驱动器放大器520a及520b启用，且功率放大器550a及550b停用。驱动器放大器520a及520b提供RFout信号的信号放大及低到中等输出功率。来自驱动器放大器520a的输出信号路由经过匹配电路570，且提供为RFout信号。匹配电路530的第一区段及匹配电路570执行对驱动器放大器520a的输出阻抗匹配。
图6展示具有基于变压器的旁路模式的差分PA模块502的示范性设计的示意图。PA模块502包括图5中的所有电路块(差别如下)。用图6中的输入匹配电路510a来实施图5中的输入匹配电路510。用图6中的级间匹配电路530a来替换图5中的级间匹配电路530。用图6中的输出匹配电路560a来实施图5中的输出匹配电路560。用图6中的匹配电路580来替换图5中的匹配电路570。
在输入匹配电路510a内，变压器610包括一次线圈612a及二次线圈612b。一次线圈612a使一端接收RFin信号，且使另一端耦合到电路接地。电容器614a及614b串联耦合，且所述组合与一次线圈612a并联耦合。电容器616a及616b串联耦合，且所述组合与二次线圈612b并联耦合。二次线圈612b的两端耦合到驱动器放大器520a及520b的输入。
在级间匹配电路530a内，电容器634a及634b与开关636串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520a的输出与驱动器放大器520b的输出之间。变压器630包括一次线圈632及二次线圈642。一次线圈632耦合于驱动器放大器520a的输出与驱动器放大器520b的输出之间。二次线圈642与开关646串联耦合，且所述组合耦合于节点X与电路接地之间。电容器644a与644b串联，且所述组合耦合于节点X与电路接地之间。开关576a与电容器638a串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520a的输出与功率放大器550a的输入之间。开关576b与电容器638b串联耦合，且所述组合耦合于驱动器放大器520b的输出与功率放大器550b的输入之间。电感器640耦合于功率放大器550a的输入与功率放大器550b的输入之间。
在输出匹配电路560内，变压器660包括一次线圈662a及二次线圈662b。一次线圈662a耦合于功率放大器550a的输出与功率放大器550b的输出之间。电容器664a及664b串联耦合，且所述组合与一次线圈662a并联耦合。二次线圈662b使一端提供单端输出信号，且使另一端耦合到电路接地。电容器666a及666b串联耦合，且所述组合与二次线圈662b并联耦合。
匹配电路510a执行单端到差分转换，且还执行对驱动器放大器520a及520b的输入阻抗匹配。匹配电路530a执行驱动器放大器520a及520b的输出与功率放大器550a及550b的输入之间的阻抗匹配。匹配电路560a执行差分到单端转换，且还执行功率放大器550a及550b的输出阻抗匹配。
在高增益模式中，开关576a、576b及578闭合，开关572、574及646断开，且驱动器放大器520a及520b以及功率放大器550a及550b全部启用。二次线圈642被解除连接且浮动。一次线圈632、电感器640及电容器638a及638b执行级间阻抗匹配。开关636也可闭合，且电容器634a及634b可与一次线圈632并联耦合，且用以改变级间阻抗匹配，(例如)以获得平缓的频率响应、较高的输出功率、改进的PAE等等。
在旁路模式下，开关576a、576b及578断开，开关572、574及646闭合，驱动器放大器520a及520b启用，且功率放大器550a及550b停用。变压器630的二次侧上的节点X经由开关572耦合到匹配电路580。变压器630执行从驱动器放大器520a及520b的低输出阻抗到特定阻抗的阻抗匹配，所述特定阻抗可为目标输出阻抗Zo。开关636可闭合，且电容器634a及634b可与一次线圈632a并联耦合，且用以改变阻抗匹配。电容器634a及634b可为可在旁路模式与高增益模式下具有不同值的可编程电容器。电容器644a及644b可用以获得所要阻抗匹配。
节点X可在旁路模式下具有阻抗Z2，所述阻抗可设计成接近于目标输出阻抗Zo。在此情况下，匹配电路580可省略。匹配电路580还可用以在旁路模式下执行节点X处的标称阻抗Z2与目标输出阻抗Zo之间的阻抗匹配。
图4及图6展示具有基于变压器的旁路模式的PA模块的示范性单端及差分设计。一般来说，任何数目个放大器可级联地或串联地耦合。变压器可耦合于任何两个或两个以上放大器之间，且用以支持旁路模式。变压器可将前一放大器的负载电感器再用作一次线圈。变压器的二次线圈可提供旁路模式的输出信号。
可以各种方式实施变压器。可通过各种模式来实施变压器的一次及二次线圈以获得所要电感及耦合。一次及二次线圈还可制造于一个或一个以上导电层上。
图7展示堆叠变压器730的示范性设计的俯视图，其可用于图4中的变压器430或图6中的变压器630。在此示范性设计中，变压器730包括制造于RFIC的两个导电层上的一次线圈732及二次线圈742。一次线圈732是用以螺旋图案布置于第一导电层上的第一导体来实施。二次线圈742是用以螺旋图案布置于第二导电层上的第二导体来实施。用于二次线圈742的第二导体与用于一次线圈732的第一导体重叠。在图7中，以交叉影线展示一次线圈732，且以深色轮廓展示二次线圈742。
图8展示并排变压器830的示范性设计的俯视图，其还可用于图4中的变压器430或图6中的变压器630。在此示范性设计中，变压器830包括制造于RFIC的单个导电层上的一次线圈832及二次线圈842。一次线圈832是用以螺旋图案布置于导电层上的第一导体来实施。二次线圈842是用以螺旋图案布置于同一导电层上的第二导体来实施。如图8中所展示，二次线圈842的第二导体与一次线圈832的第一导体交错或交织。
图7及图8展示可用以支持基于变压器的旁路模式的变压器的两个示范性设计。一般来说，变压器的一次线圈及二次线圈可各自用任何数目个匝来实施。二次线圈可具有比一次线圈少、比一次线圈多或与一次线圈相同的匝数。可选择匝数、匝的直径、每一导体的宽度及高度、用于一次线圈及二次线圈的两个导体之间的间距及/或所述两个导体的其它属性，以获得每一线圈的所要电感及质量因子(Q)，以及所述两个线圈之间的所要耦合系数。可通过控制两个导体的放置及/或所述导体之间的距离来改变耦合系数。
图7及图8展示通过螺旋图案实施一次线圈及二次线圈的示范性设计。还可以其它方式(例如，通过双螺旋、“之”字形或某一其它图案)来实施一次及二次线圈。还可用例如低损耗金属(例如，铜)、较多损耗金属(例如，铝)或某一其它材料等各种导电材料来制造一次线圈及二次线圈。可对于制造于低损耗金属层上的线圈实现较高Q。因为可应用不同的IC设计规则，所以较小大小的线圈可制造于有损耗金属层上。
图7中的堆叠拓扑可允许变压器730制造于较小面积中，且还可导致针对不同设计的二次线圈的两端之间的较佳匹配。当存在有限数目个金属层时，可使用图8中的并排拓扑。与堆叠拓扑相比，并排拓扑还可提供一次线圈与二次线圈之间的较小电容。较小电容可为合意的以便实现针对高频率操作的变压器的较高自共振频率(SRF)。一次线圈及二次线圈还可用一个或一个以上导电层上的其它拓扑来实施。一般来说，不同拓扑、布局图案及制造技术可提供变压器的不同优点。
本文中所描述的技术可用于单端及差分级联放大器(例如，如图4及图6中所展示)。所述技术可提供以下优点中的一者或一者以上：
1.再使用用于高功率信号路径的大多数电路(例如，驱动器放大器、输入匹配电路及级间匹配电路)，此可节省电路面积及设计时间，
2.保留差分设计的益处，(例如)以实现较佳的噪声及共用模式抑制等等，及
3.经由电路组件(例如，用于一次线圈及/或二次线圈的并联电容器、匹配电路280及580等等)提供灵活性以获得旁路模式的良好效率及性能。
所述技术用变压器代替驱动器放大器的负载电感器，这可导致电路面积的小增加。在使用足够数目个(例如，三个或三个以上)导电层以允许变压器以堆叠结构来实施的IC工艺中尤其如此。
在示范性设计中，设备(例如，无线装置、IC等等)可包含第一放大器、第二放大器及电路(例如，如图4中所展示)。第一放大器(例如，驱动器放大器220)可在高增益模式及旁路模式中提供放大。第二放大器(例如，功率放大器250)可在高增益模式中提供放大，且可在旁路模式中停用。所述电路(例如，匹配电路234)可耦合于第一放大器与第二放大器之间，且可包含变压器。变压器(例如，变压器430)可包含(i)耦合到第一放大器的一次线圈(例如，一次线圈432)及(ii)在旁路模式中提供输出信号的二次线圈(例如，二次线圈442)。一次线圈可为第一放大器的负载电感器，且/或可为第一放大器与第二放大器之间的阻抗匹配电路的部分。
在示范性设计中，所述电路可进一步包含与二次线圈串联耦合的开关(例如，开关446)。所述开关在旁路模式中可闭合，且在高增益模式中可断开。在示范性设计中，所述电路可进一步包含与开关(例如，开关436)串联耦合的第一电容器(例如，电容器434)。第一电容器与开关的组合可与一次线圈并联耦合。在示范性设计中，所述电路可进一步包含与二次线圈并联耦合的第二电容器(例如，电容器444)。
在示范性设计中，所述设备可进一步包含耦合到第二放大器且用以在高增益模式中提供目标输出阻抗的阻抗匹配电路(例如，匹配电路260)。变压器及第一及/或第二电容器可在旁路模式中执行对第一放大器的输出阻抗匹配，且可在旁路模式中提供目标输出阻抗。
在示范性差分设计中，所述设备可进一步包含第三放大器及第四放大器(例如，如图6中所展示)。第三放大器可在高增益模式及旁路模式中提供放大。第一放大器及第三放大器(例如，驱动器放大器520a及520b)可接收第一差分输入信号，且提供第一差分经放大信号。第四放大器可在高增益模式中提供放大，且可在旁路模式中停用。第二放大器及第四放大器(例如，功率放大器550a及550b)可接收第二差分输入信号，且提供第二差分经放大信号。电路可进一步耦合于第三放大器与第四放大器之间。所述电路可接收第一差分经放大信号且提供第二差分输入信号。一次线圈可耦合于第一放大器与第三放大器之间。变压器可在旁路模式中执行差分到单端转换。所述电路可进一步包含与开关(例如，开关636)串联耦合的至少一个电容器(例如，电容器634a及634b)，且所述组合可与一次线圈并联耦合。所述电路可进一步包含与二次线圈并联耦合的至少一个电容器(例如，电容器644a及644b)。
在示范性设计中，开关(例如，图4中的开关274或图6中的开关574)可耦合于二次线圈与输出节点(例如，节点B)之间。在另一示范性设计中，第一开关(例如，开关272或572)可耦合到二次线圈。阻抗匹配电路(例如，匹配电路280或580)可耦合到第一开关。第二开关(例如，开关274或574)可耦合于阻抗匹配电路与输出节点之间。第一与第二开关中的每一者可包含至少一个MOS晶体管。在高增益模式下输出节点处的高电压摆动可分布于第一开关的MOS晶体管与第二开关的MOS晶体管之间。
在示范性设计中，一次线圈可用第一导电层上的第一导体来实施，且二次线圈可用第二导电层上的第二导体来实施(例如，如图7中所展示)。二次线圈可至少部分地上覆第一导体。在另一示范性设计中，一次线圈可用导电层上的第一导体来实施，且二次线圈可用同一导电层上的第二导体来实施(例如，如图8中所展示)。第二导体可定位成邻近于第一导体。还可以其它方式实施一次线圈及二次线圈。
在另一示范性设计中，集成电路(或设备)可包含驱动器放大器、功率放大器及电路(例如，如图4中所展示)。所述驱动器放大器可在高增益模式及旁路模式中提供放大。所述功率放大器可在高增益模式中提供放大，且可在旁路模式中停用。所述电路可耦合于所述驱动器放大器与所述功率放大器之间，且可包含变压器。所述变压器可包含(i)耦合到驱动器放大器的一次线圈，及(ii)在旁路模式中提供输出信号的二次线圈。
在示范性差分设计中，所述集成电路可进一步包含第二驱动器放大器及第二功率放大器(例如，如图6中所展示)。所述第二驱动器放大器可在高增益模式及旁路模式中提供放大。驱动器放大器及第二驱动器放大器可接收第一差分输入信号，且提供第一差分经放大信号。第二功率放大器可在高增益模式中提供放大，且可在旁路模式中停用。功率放大器及第二功率放大器可接收第二差分输入信号，且提供第二差分经放大信号。所述电路可进一步耦合于第二驱动器放大器与第二功率放大器之间。一次线圈可耦合于驱动器放大器与第二驱动器放大器之间。变压器可在旁路模式中执行差分到单端转换及对驱动器放大器的输出阻抗匹配。
图9展示用于执行信号放大的过程900的示范性设计。可在高增益模式及旁路模式中用第一放大器来执行放大(框912)。可在高增益模式中用第二放大器来执行放大(框914)。可用包含变压器的电路使第一放大器耦合到第二放大器(框916)。所述变压器可包含(i)耦合到第一放大器的一次线圈及(ii)在旁路模式中提供输出信号的二次线圈。
可(i)在旁路模式中通过闭合开关来连接二次线圈，或(ii)在高增益模式中通过断开开关来使二次线圈解除连接。可在旁路模式中用变压器及可能一个或一个以上电容器来执行第一放大器的输出阻抗匹配(框918)。
在示范性差分设计中，可在高增益模式及旁路模式中用第三放大器来执行放大。第一及第三放大器可接收第一差分输入信号，且提供第一差分经放大信号。可在高增益模式中用第四放大器来执行放大。第二及第四放大器可接收第二差分输入信号，且提供第二差分经放大信号。可用电路使第三放大器耦合到第四放大器。一次线圈可耦合于第一放大器与第三放大器之间。变压器可在旁路模式中执行差分到单端转换。
可在IC、模拟IC、RFIC、混合信号IC、ASIC、印刷电路板(PCB)、电子装置等等上实施本文中所描述的级联放大器。还可用例如互补金属氧化物半导体(CMOS)、N沟道MOS(NMOS)、P沟道MOS(PMOS)、双极结晶体管(BJT)、双极CMOS(BiCMOS)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)、异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘体上硅(SOI)等等的各种IC工艺技术来制造级联放大器。
实施本文中所描述的级联放大器的设备可为独立装置或可为较大装置的部分。装置可为：(i)独立IC、(ii)可包括用于存储数据及/或指令的存储器IC的一个或一个以上IC的集合、(iii)例如RF接收器(RFR)或RF发射器/接收器(RTR)的RFIC、(iv)例如移动台调制解调器(MSM)的ASIC、(v)可嵌入其它装置内的模块、(vi)接收器、蜂窝式电话、无线装置、手持机或移动单元，(vii)等等。
在一个或一个以上示范性设计中，可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施所描述的功能。如果以软件实施，那么功能可作为一个或一个以上指令或代码而存储在计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体而传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体及通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。作为实例而非限制，此些计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用以运载或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。并且，严格地说，可将任何连接称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤缆线、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电及微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤缆线、双绞线、DSL或例如红外线、无线电及微波等无线技术包括于媒体的定义中。如本文中所使用的磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘通过激光以光学方式再现数据。上述各项的组合也应包括于计算机可读媒体的范围内。
提供本发明的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对于所属领域的技术人员来说，对本发明的各种修改将是显而易见的，且可在不脱离本发明的范围的情况下将本文中所定义的一般原理应用于其它变化。因此，本发明无意限于本文中所描述的实例及设计，而是将被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最宽范围。

Claims (25)

1.一种设备，其包含：
第一放大器，其用以在高增益模式及旁路模式中提供放大；
第二放大器，其用以在所述高增益模式中提供放大；及
电路，其耦合于所述第一放大器与所述第二放大器之间且包含变压器，所述变压器包含耦合到所述第一放大器的一次线圈及在所述旁路模式中提供输出信号的二次线圈。
2.根据权利要求1所述的设备，所述第一放大器包含驱动器放大器，且所述第二放大器包含功率放大器。
3.根据权利要求1所述的设备，所述一次线圈为所述第一放大器的负载电感器，或为所述第一放大器与所述第二放大器之间的阻抗匹配电路的部分，或两者。
4.根据权利要求1所述的设备，所述变压器在所述旁路模式中执行对所述第一放大器的输出阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的设备，所述电路进一步包含：
开关，其与所述二次线圈串联耦合，且在所述旁路模式中闭合，且在所述高增益模式中断开。
6.根据权利要求1所述的设备，所述电路进一步包含：
与开关串联耦合的电容器，所述电容器及所述开关与所述一次线圈并联耦合。
7.根据权利要求1所述的设备，所述电路进一步包含：
与所述二次线圈并联耦合的电容器。
8.根据权利要求7所述的设备，其进一步包含：
阻抗匹配电路，其耦合到所述第二放大器，且用以在所述高增益模式中提供目标输出阻抗，且
所述变压器及所述电容器在所述旁路模式中提供所述目标输出阻抗。
9.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含：
第三放大器，其用以在所述高增益模式及所述旁路模式中提供放大，所述第一及第三放大器接收第一差分输入信号且提供第一差分经放大信号；及
第四放大器，其用以在所述高增益模式中提供放大，所述第二及第四放大器接收第二差分输入信号且提供第二差分经放大信号，
所述电路进一步耦合于所述第三放大器与所述第四放大器之间，且所述一次线圈耦合于所述第一放大器与所述第三放大器之间。
10.根据权利要求9所述的设备，所述变压器在所述旁路模式中执行差分到单端转换。
11.根据权利要求9所述的设备，所述电路进一步包含：
与开关串联耦合的至少一个电容器，所述至少一个电容器及所述开关与所述一次线圈并联耦合。
12.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含：
开关，其耦合于所述二次线圈与输出节点之间。
13.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含：
第一开关，其耦合到所述二次线圈；
阻抗匹配电路，其耦合到所述第一开关；及
第二开关，其耦合于所述阻抗匹配电路与输出节点之间。
14.根据权利要求13所述的设备，所述第一及第二开关中的每一者包含至少一个金属氧化物半导体MOS晶体管，且在所述高增益模式中所述输出节点处的高电压摆动分布在所述第一及第二开关中的MOS晶体管上。
15.根据权利要求1所述的设备，所述一次线圈是用第一导电层上的第一导体来实施，所述二次线圈是用第二导电层上的第二导体来实施，且所述二次线圈至少部分地上覆于所述第一导体。
16.根据权利要求1所述的设备，所述一次线圈是用导电层上的第一导体来实施，所述二次线圈是用所述导电层上的第二导体来实施，且所述第二导体定位成邻近于所述第一导体。
17.一种集成电路，其包含：
驱动器放大器，其用以在高增益模式及旁路模式中提供放大；
功率放大器，其用以在所述高增益模式中提供放大；及
电路，其耦合于所述驱动器放大器与所述功率放大器之间且包含变压器，所述变压器包含耦合到所述驱动器放大器的一次线圈，且进一步包含在所述旁路模式中提供输出信号的二次线圈。
18.根据权利要求17所述的集成电路，其进一步包含：
第二驱动器放大器，其用以在所述高增益模式及所述旁路模式中提供放大，所述驱动器放大器及所述第二驱动器放大器接收第一差分输入信号且提供第一差分经放大信号；及
第二功率放大器，其用以在所述高增益模式中提供放大，所述功率放大器及所述第二功率放大器接收第二差分输入信号且提供第二差分经放大信号，
所述电路进一步耦合于所述第二驱动器放大器与所述第二功率放大器之间，且所述一次线圈耦合于所述驱动器放大器与所述第二驱动器放大器之间。
19.根据权利要求18所述的集成电路，所述变压器在所述旁路模式中执行差分到单端转换。
20.一种执行信号放大的方法，其包含：
用第一放大器在高增益模式及旁路模式中执行放大；
用第二放大器在所述高增益模式中执行放大；及
用包含变压器的电路使所述第一放大器耦合到所述第二放大器，所述变压器包含耦合到所述第一放大器的一次线圈且进一步包含在所述旁路模式中提供输出信号的二次线圈。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
在所述旁路模式中通过闭合开关来连接所述二次线圈；及
在所述高增益模式中通过断开所述开关来使所述二次线圈解除连接。
22.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
在所述旁路模式中用所述变压器执行对所述第一放大器的输出阻抗匹配。
23.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
用第三放大器在所述高增益模式及所述旁路模式中执行放大，所述第一及第三放大器接收第一差分输入信号且提供第一差分经放大信号；
用第四放大器在所述高增益模式中执行放大，所述第二及第四放大器接收第二差分输入信号且提供第二差分经放大信号；及
用所述电路使所述第三放大器耦合到所述第四放大器，所述一次线圈耦合于所述第一放大器与所述第三放大器之间。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包含：
在所述旁路模式中用所述变压器执行差分到单端转换。
25.一种设备，其包含：
用于在高增益模式及旁路模式中执行放大的装置；
用于在所述高增益模式中执行额外放大的装置；及
用于使所述用于执行放大的装置耦合到所述用于执行额外放大的装置的装置，所述用于耦合的装置包含变压器装置，所述变压器装置具有耦合到所述用于执行放大的装置的一次侧及在所述旁路模式中提供输出信号的二次侧。
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