CN102742155B

CN102742155B - 可变种类特性的放大器

Info

Publication number: CN102742155B
Application number: CN201180005284.8A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托弗·迈克尔·欧文; 约根德拉·K·肖拉
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: EP2553808A1; US8344801B2; EP2553808B1; WO2011123183A1; US20110241781A1; KR101452841B1; SG183871A1; JP5711354B2; JP2013524626A; KR20130004293A; TW201145811A; CN102742155A; TWI462473B

Abstract

一种可在两个工作种类间可调整地工作的功率放大器（PA）。工作范围位于传统线性共轭匹配AB类特性放大器和较高效率开关E类特性放大器之间的工作范围内。允许E类工作特性的具有推挽式构造（Q1、Q2）的电路拓扑。

Description

可变种类特性的放大器

相关申请的交叉引用

本申请向2010年4月20日提交的美国申请No.12/763,640要求优先权，该美国申请要求2010年4月2日提交的美国临时专利申请No.61/320,541的权益。上面两个申请的全部公开内容通过引用并入本发明。

技术领域

本公开涉及功率放大器以及具有多于一个种类的放大器的特性的功率放大器。

背景技术

本部分提供与本公开相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

多个工业使用射频（RF）来驱动等离子体腔，以便制造多种组件，例如集成电路、太阳能板、光盘（CD）、数字多用途（或视频）光盘（DVD）等等。每个制造过程可根据所制造的具体组件而不同。多个过程经常需要以不同频率、不同功率电平和不同效率输送RF能量。

现有的RF功率输送系统趋于根据具体等离子体制造过程的需要而专门调整。因此，RF功率放大器和发生器通常不可互换或者不容易改变来适应多种应用。相反，每种应用通常具有其自己的需要，一般需要改变RF功率放大器和/或RF功率发生器。

在一个示例中，一些等离子体制造过程需要在具有AB类功率放大器特性的模式下工作的功率放大器。在具有B类工作特性的工作模式下，输入波周期的大约一半由第一开关放大，输入波周期的另一半由以互补方式工作的第二开关放大。AB类的工作通常进一步由每个器件例示，每个器件在其大体截止的周期的一部分期间传导少量电流。这减小了死区或者两个器件基本同时截止的周期，这将交越减至最小或消除。AB类放大器通常以线性和较高功率输出换取效率。在传统的功率放大器中，AB类的效率局限于大约70%。

其它制造过程需要在具有E类功率放大器特性的模式下工作的功率放大器。通常使用开关功率放大器实现E类操作。与AB类放大器的推挽式构造相比，E类放大器已知布置在单端构造中。例如，开关器件在其输出端处与电路相连，该电路具有通过大的电感线圈与负载和与电源电压连接的串联的电感器和电容器（串联LC电路）。在工作时，当开关两端的电压为零或接近零并且大电流流经开关器件时，产生E类放大器的导通状态。当开关两端的电压大并且流经开关的电流为零或接近零时，产生E类放大器的截止状态。即，开关在RF周期的导通部分期间充当低电阻闭合开关，并且在RF周期的截止部分期间充当打开开关。E类放大器通常以效率和其它益处换取功率输出。E类的效率通常至少是85%并且可以高达95%。通常的E类放大器一般较不稳定，变成高压驻波比（VSWR）负载失配。

返回RF等离子体制造过程，制造者可能需要AB类特性的功率放大器来为某些应用的等离子体过程提供RF功率。在其它应用中，同一制造者可能需要E类特性的功率放大器来为不同的等离子体过程提供RF功率。制造者更喜欢由单个器件实现AB类或E类特性的工作，以便获得灵活性并且使成本降至最低。制造者尚不能满足此项客户需求。

传统功率放大器包括网络，该网络在连接到负载以前在输出端包括电容器和电感器。这样的网络还可以包括附加电容器并且可以称为CLC网络。功率放大器设计者通常使用CLC网络来在将输出信号施加给负载以前定型或调节输出信号。CLC网络还可以抑制瞬变和从负载反射回的带外能量。然而，上述CLC网络的使用一直局限于这些应用，而还未考虑CLC网络的其它应用。

发明内容

这个部分提供本公开的总体归纳，并且不是本公开的完整范围或者本公开的全部特征的全面公开。

一种功率放大器包括开关模块，所述开关模块接收输入信号并根据所述输入信号产生开关模块信号。输出模块接收所述开关模块信号并产生输出信号。所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且所述输出模块的构造被改变，以针对所述输入信号实现在所述多个模式之间的工作。

一种功率放大器包括开关模块，所述开关模块接收输入信号并根据所述输入信号产生开关模块信号。输出模块接收所述开关模块信号并产生输出信号。所述输出模块至少包括电容器和电感器。所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下。所述电容器的值被改变，以针对所述输入信号实现在所述多个模式之间的工作。

一种功率放大器包括第一开关模块，所述第一开关模块对输入信号做出响应，以根据所述输入信号产生第一开关模块信号。第二开关模块与所述第一开关模块一起设置在推挽式构造中。所述第二开关模块对所述输入信号做出响应，以根据所述输入信号产生第二开关模块信号。所述第一开关模块信号和所述第二开关模块信号配合来产生复合开关模块信号。输出模块接收所述复合开关模块信号并产生输出信号。所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且所述输出模块的构造被改变，以针对所述输入信号实现在所述多个模式之间的工作。

一种功率放大器包括第一开关模块，所述第一开关模块对输入信号做出响应，以根据所述输入信号产生第一开关模块信号。第二开关模块与所述第一开关模块一起设置在推挽式构造中。所述第二开关模块对所述输入信号做出响应，以根据所述输入信号产生第二开关模块信号。所述第一开关模块信号和所述第二开关模块信号配合来产生复合开关模块信号。输出模块接收所述复合开关模块信号并产生输出信号。所述输出模块包括第一电容元件和电感元件。所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且所述电容元件的值被改变，以实现所述多个模式之间的工作。

一种功率放大器包括第一开关器件，所述第一开关器件对输入信号做出响应，以产生第一开关器件信号。第二开关器件与所述第一开关器件一起设置在推挽式构造中。所述第二开关器件对所述输入信号做出响应，以产生第二开关器件信号，所述第一开关器件信号和所述第二开关器件信号配合来产生复合开关器件信号。输出模块接收所述复合开关器件信号并产生输出信号。所述输出模块包括第一电容器和电感器。所述功率放大器工作在具有AB类或E类功率放大器种类中的一种的特性的多个模式下。所述电容器的值被改变，以实现所述多个模式之间的工作。

从本发明中提供的描述中，适用性的更多方面将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅意图用于说明，而不是意图限制本公开的范围。

附图说明

本发明中描述的附图仅用于图示所选择实施例而不是所有可能实现，并且不旨在限制本公开的范围。

图1是依据本公开原理设置的可变种类特性放大器的框图；

图2是依据本公开原理设置的可变种类特性放大器的电路图；

图3A-3C示出在依据本公开原理的推挽式构造中设置的可变种类特性放大器的多种工作特性中的输出端子电压和输出端子电流的示例波形；

图4示出依据本公开原理设置的可变种类特性放大器的主输出和开关元件的输出端子电压的示例波形；

图5示出依据本公开原理的以AB类特性工作的可变种类特性放大器的漏电压的示例波形；

图6是与说明CLC网络中改变可变种类特性放大器的工作种类特性的可变性关联使用的示例史密斯圆图；

图7是与说明CLC网络中用于调整布置的可变性关联使用的示例史密斯圆图；

图8示出依据本公开原理的多个实施例设置的可变种类特性放大器的框图；

图9是依据本公开的多个实施例设置的可变种类特性放大器的电路图；以及

图10A-10C示出在依据本公开原理的单端构造中设置的可变种类特性放大器的多种工作特性中的输出端子电压和输出端子电流的示例波形。

在附图的几个图中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

现在将对照附图更全面地描述示例实施例。

提供示例实施例使得本公开将全面，并且示例实施例将保护范围完整地传达给本领域的技术人员。阐述了数个特定细节（例如特定组件、器件和方法的示例），以提供本公开的实施例的全面理解。对本领域的技术人员来说显而易见的是：不需要使用特定细节，可以以多种不同形式体现示例实施例以及以上两种都不应解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，未详细描述众所周知的过程、众所周知的器件结构以及众所周知的技术。

本发明中使用的术语仅是用于描述具体示例实施例，而不是意在作为限制。本发明中使用的单数形式还可以意在包括复数形式，除非上下文以别的方式清楚指出。术语“包括”、“包含”、“由……组成”和“具有”是包括的，因此明确指定所阐述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不阻止一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或增加。本发明中描述的方法步骤、过程和操作不要解释为一定需要它们以所介绍和图示的特殊次序执行，除非专门指出作为执行次序形式。还要明白，可以使用附加或可选步骤。

当元件或层称为“在另一元件或层上”、“与另一元件或层接合”、“与另一元件或层连接”或“与另一元件或层联接”时，其可以直接在另一元件或层上、与另一元件或层接合、与另一元件或层连接或与另一元件或层联接，或者可以存在插入中间的元件或层。相比之下，当元件称为“直接在另一元件或层上”、“直接与另一元件或层接合”、“直接与另一元件或层连接”或“直接与另一元件或层联接”时，可以没有插入中间的元件或层存在。应当以类似方式解释其它也能用来描述元件间关系的词，例如“在……之间”相对于“直接在……之间”、“在……附近”相对于“直接在……附近”等等。本发明中使用的术语“和/或”包括所关联列出条目的一个或多个的任何组合和全部组合。

虽然在本发明中术语第一、第二、第三等可以用来描述多个元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以仅用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。术语例如“第一”、“第二”和其它数字术语在本发明中使用时不意味着顺序或次序，除非上下文明确指出。因此，下面介绍的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分可以称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分，而不背离示例实施例的教导。

在本发明中，为了便于描述，可以使用与空间有关的术语（例如“在……内”、“在……外”、“在……正下方”、“在……下方”、“在……下面”、“在……上方”、“在……上面”等等来描述附图中示出的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。与空间有关的术语可以旨在包括设备在使用或工作时除图中所示的方向以外的不同方向。例如，如果图中的设备翻转，那么被描述为“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征正下方”的元件因此会朝向“其它元件或特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括上方和下方两个方向。设备可以朝向其它方向（旋转90度或位于其它方向），本发明中使用的与空间相关的描述符相应地进行解释。

将对照附图和根据多个实施例描述本发明中的可变种类特性放大器。图1示出可变种类特性放大器10的框图。输入信号施加给输入模块12。输入信号可以是多种振荡信号中的任一种，包括在射频（RF）频段工作的信号。输入模块12接收输入信号并将输入信号传递给一对开关模块14a、14b。输入模块12提供向输入模块12的输入和开关模块14a、14b之间的阻抗变换。

开关模块14a、14b接收从输入模块12输出的信号并产生放大信号，放大信号施加给合并器模块16。合并器模块16合并从各个开关模块14a、14b输出的放大信号并产生输出给输出模块18的信号。根据多个其它实施例，合并器模块16也提供开关模块14a、14b和输出模块18之间的阻抗变换。

输出模块18从合并器模块16接收信号并能根据多个实施例提供滤波和/或调整，以从输出模块18产生输出信号。输出信号施加给负载20，以驱动负载20。在多个实施例中，负载20可以是由RF信号驱动的多种元件或器件中的任一种，作为非限定示例，负载20包括等离子体腔。

图2示出电路，该电路中的多个元件形成图1的模块的多个部分。输入信号施加给输入模块12、输入模块12包括电感器L1、电容器C1和变压器T1。电感器L1和电容器C1配合来提供LC电路，该LC电路提供阻抗变换来匹配预定的输入阻抗，例如50欧姆。变压器T1在初级线圈处接收输入信号并将输入信号穿越铁芯变换给T1的次级线圈。在多个实施例中，变压器T1是具有浮接中心抽头的单端到平衡的变压器。T1的次级线圈连接到各个开关模块14a、14b上。开关模块14a包括阻隔电容器Ca和开关元件Q1。类似地，开关模块14b包括阻隔电容器Cb和开关元件Q2。在多个实施例中，开关元件Q1、Q2可以体现为多种各样的晶体管开关元件（包括MOSFET器件）中的任一种。开关元件Q1和Q2的输出端子或漏极由电容器C2连接。在多个实施例中，电容器C2可以跨越开关Q1和Q2分别由每个开关元件Q1和Q2的漏-源输出电容提供。在多个其它实施例中，C2可以实现为外部电容器。

从每个开关元件Q1、Q2的输出连接到输出变压器T2的对置端子上。合并器模块16包括电感器L3和L4、电压源Vdd、电容器C3、电感器L2、电容器R1和变压器T2。Vdd与电容器R1和电感器L2的并联连接串联到变压器T2的初级线圈的中央抽头上。因此，供电馈送RF扼流圈很大比例上由输出变压器T2的初级线圈的中心销提供，并且分别为开关元件Q1、Q2中的每一个提供供电RF扼流圈。电容器C3提供输入电压Vdd的滤波。根据多个实施例，电感器L3和L4可以实现为外部电感器或者可以由变压器T2漏电感提供。电阻器R1可以补偿高压驻波比（VSWR）瞬变或带外能量消耗。

如上面提到的，电感器L3、L4可以由输出变压器T2的漏电感提供。输出变压器T2可以是平衡输出变压器，该平衡输出变压器具有提供必要阻抗变换和漏电感的匝数比。在多个实施例中，通过变压器T2的次级线圈连接到50Ω负载上，变压器T2将50Ω阻抗变换成初级线圈处的选择阻抗，于是该选择阻抗是开关元件Q1、Q2的输出端子之间看到的负载阻抗。每条从例如开关元件Q1、Q2的输出端子到初级线圈输入端的印刷电路板印刷线进一步添加电感，这依赖于印刷线长度和宽度。

开关模块14a、14b布置在跨越合并器模块16的推挽式构造中。更具体地说，开关元件Q1、Q2的输出端子通过电感L3、L4连接到变压器T2的初级线圈的末端子上。这种构造提供跨越变压器T2的推挽式布置，分别用于开关元件Q1、Q2的每个输出端子的电压供给Vdd由变压器T2的初级线圈的中心销提供。因此，供给电压Vdd通过供给馈送RF扼流圈L2向开关元件Q1、Q2的输出端子提供供给电压。

变压器T2的次级线圈具有与地连接的第一端子和与输出模块18连接的第二端子。输出模块18包括在CLC网络中布置的电容器C5、C7和电感器L6。输出模块18产生输出给负载20的输出信号，负载20在图2中示出为等离子体腔。然而本领域的技术人员将认识到，负载20可以不是等离子体腔并且可以是任何对振荡功率信号（例如RF信号输入）输入做出响应的负载。输出模块18的CLC电路可以体现为包括连接在变压器T2的次级线圈和等离子体腔之间的串联输出电容的等价电路。

在多个实施例中，串联输出电容根据输出CLC网络的串联容抗被变换给变压器T2的初级线圈。在多个实施例中，忽略初级线圈侧的串联输出电容是有用的，因为不需要DC解耦合并且峰值电流在次级线圈侧较低。类似地，电阻由输出模块18的输出CLC网络的实部提供，该实部然后同样通过变压器比变换。在多个实施例中，输出网络Q=2是低的，并且提供较宽带宽和更大稳定性。

根据多个实施例，图1和图2的系统能在具有第一构造的AB类特性的模式、具有第二构造的E类特性的模式以及AB类和E类中间的模式下工作。对于给定的输入信号来说，还可以在具有第一构造的AB类特性的模式和具有第二构造的E类特性的模式之间调整。作为非限定示例，通过改变电容器C5和C7的值，能够对于给定输入信号实现AB类特性和E类特性之间的工作。在多个实施例中，调整输出CLC网络中的C7和C5允许可变种类特性功率放大器10的工作在AB类和E类工作特性之间的连续范围内变化。在多个实施例中，通过提高电容器C7的值，工作可以向E类特性及远离AB类特性调整。类似地，通过降低C7的电容，可变种类放大器10的工作能从E类特性工作向AB类特性工作变化。电容器C5的值也被改变，以能够在E类特性和AB类特性之间工作。因此多个实施例提供在推挽式构造中具有E类工作特性的功率放大器。各个实施例还公开可在AB类工作特性和E类工作特性之间调整的放大器。

关于从E类和AB类特性工作的调整，多个实施例可以采用下列步骤。可以将C7的值增大大约15%。这使变压器次级线圈（和初级线圈）侧的阻抗的实部升高15%，从而降低等价网络的串联LC共振的Q。改变C7还具有减少串联LC共振的中心频率的作用，从而重确定共振频率的中心。然后将C5的值减小大约6%。为了从AB类工作特性向E类工作特性调整，应用相反步骤。在多个其它实施例中，为了从AB类工作特性向E类工作特性转移，可以将输出阻抗的实部减小大约33%，将输出阻抗的虚部减小大约50%，如能关于图7看出的。

在多个实施例中，晶体管导通角基本不变，但是漏极电压在0V或0V附近花费的时间量却确实变化。在AB类特性操作中，漏极电压在满输出功率时在0V上基本不花费时间。在E类特性工作中，漏极电压花费0V上或0V附近的下降周期的持续部分。当晶体管以低漏电压导电时，晶体管功耗较少，因此功率放大器效率较高。此外，在AB类特性工作中，开关元件Q1、Q2经常被具有一般的关联导通角的直流（DC）偏置，如图所示。因此可变种类特性放大器10能够在具有多种放大器种类特性，例如E类工作特性和AB类工作特性的模式之间调节。

图3A-3C是示例图，其示出根据多个实施例设置的60MHz可变种类特性功率放大器的示例实施例用的开关模块14a、14b的输出端子（Q1、Q2的漏极）的电压波形和电流波形。图3A-3C分别示出E类特性工作模式、中间特性工作模式和AB类特性工作模式的输出端子电压和输出端子电流之间的示例关系。波形24vE和24iE分别表示E类工作特性用的推挽式构造的第一晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。波形26vE和26iE分别表示E类工作特性用的推挽式构造的第二晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。类似地，波形24vI和24iI分别表示E类工作特性和AB类工作特性中间的工作用的推挽式构造的第一晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。波形26vI和26iI分别表示E类工作特性和AB类工作特性中间的工作用的推挽式构造的第二晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。类似地，波形24vAB和24iAB分别表示AB类工作特性用的推挽式构造的第一晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。波形26vAB和26iAB分别表示AB类工作特性用的推挽式构造的第二晶体管的漏极处的电压波形和电流波形。

如通过比较图3A和图3C能看出的，波形24vE和26vE具有比波形24vAB和26vAB高的峰值。如还能够看出的，波形24iE和26iE保持在0电流位置比波形24iAB和26iAB更长的时间。图3A的E类用的波形表示相对于图3C的AB类用的波形在效率方面提高大约10%。

在多个实施例中，输出模块18的输出CLC网络还提供滤除功率放大器瞬变或带外能量的附加益处。例如，在多个实施例中，所选择的瞬变或带外能量降低28dB到55dB，其它瞬变或带外能量降低33dB到58dB。输出模块18的CLC网络还通过添加损耗使开关模块14a、14b与负载失配隔离并且衰减由非线性负载产生的返回的瞬变或带外能量。瞬变和带外能量在高电压驻波比（VSWR）期间快速升高。因此电容器R1允许消耗一部分的反射功率。

图4示出依据多个实施例设置的可变种类特性放大器10的示例第一开关元件Q1的输出端子（漏极）的电压波形30和示例第二开关元件Q2的输出端子（漏极）的电压波形32。图4的波形对应于E类特性模式下的工作，其示出对于大约600瓦特（watt）的输出功率和16dB的RF增益的情况大约78%的效率。如能从图4中看出的，零伏特附近的波形形状表示输出变压器T2在各个开关元件的漏极之间具有有限隔离。当另一开关元件接近其峰值时的附近看到信号突破时，这个有限隔离使其自己表现出来。图4还示出代表施加给50Ω负载的输出变压器T2电压的波形34。

图5描绘了示出当可变种类特性波形的工作移向AB类特性时示例开关元件Q1或Q2的输出端子（漏极）电压38的示例波形。波形38表示AB类区域终止在大约450瓦特输出功率处。因此，AB类特性从大约零瓦特延伸到大约450瓦特，在大约450瓦特处达到最大效率。效率在更高功率下更高，并且随着可变种类功率放大器10进入E类特性工作，继续变高。当放大器在其依赖于供电电压的P3dB压缩点处饱和时，出现最高效率。

在多个实施例中，输出变压器T2（其可以实现为巴伦（balun）变压器）将输出模块18的CLC输出网络阻抗输出给较低的实虚阻抗。因此，CLC网络提供调整开关元件Q1、Q2的输出位置的实组件和虚组件的能力。作为非限定示例，输出模块18组件的多个值能够进行AB类和E类工作特性之间中间的调整。在多个实施例中，输出模块18的CLC网络将50Ω变换到输出变压器T2次级线圈上串联的49Ω-j68Ω（39pF），该输出变压器T2次级线圈上串联的49Ω-j68Ω（39pF）被变换为开关元件Q1、Q2的推挽式输出端子之间的5.2Ω-j3.1Ω（7.9nH）的阻抗。这包括变压器漏电感。在多个实施例中，所测量的增益是在600W的输出和78%的效率下大约16.1dB。

对照图6，图6示出史密斯圆图，在多个实施例中其表示输出模块18调整的影响。具体地说，输出模块18的电容器C5、C7和电感器L6可以改变，以便影响可变种类特性功率放大器10在AB类工作特性和E类工作特性之间的工作。如在图6中能看出的，输出模块18的电容器C7的值限定在点42处终止的弧线40。在范围内改变电容器C7的值限定沿弧线40与C7的具体值对应的一组点46。类似地，选择输出模块18的电感器L6的值确定沿弧线50的点48，弧线50在点42开始并在点48终止。对于给定的电感器L6的值来说，该组点52对应于电容器C7的多个值。选择输出模块18的电容器C5的值导致沿弧线56的端点54，弧线56从端点48开始。点54结合输出负载确定输出CLC网络的阻抗。图6对表示可变电容C5和C7在实轴和虚轴上提供两个自由度具有指导意义。此外，图6表示在多个实施例中，主要调整C7，同时稍调整电容C5，以便改变功率放大器10在AB类特性和E类特性之间的工作。

图7描绘了用于可变种类特性放大器10的特殊调整布置的史密斯圆图。数据点60表示根据多个实施例的对E类工作特性的具体调整的CLC阻抗。数据点62表示根据多个实施例的对AB类工作特性的具体调整的CLC阻抗。数据点64表示根据多个实施例的对E类和AB类中间工作的具体调整的CLC阻抗。

图8描绘了根据多个实施例的可变种类特性放大器70。本发明中将可变种类放大器描述为单端放大器。根据多个实施例，可变种类放大器70接收施加给输入模块72的输入信号，输入模块72提供输入模块72的输入和开关模块74之间的阻抗变换。来自输入模块72的输出施加给开关模块74，开关模块74对输入信号进行响应，以提供开关信号给输出模块76。输出模块76接下来产生施加给负载78的输出信号。

图9描绘了与图8的至少多个部分对应的电路。输入模块72接收输入信号。输入模块72包括具有电容器C10、C11和电感器L14的CLC电路。来自形成输入模块72的一部分的CLC电路的输出通过DC阻隔电容器C12施加给开关元件Q10的栅极。图9中，开关元件Q10示出为MOSFET，但是本领域的技术人员将认识到，可以使用除MOSFET以外的其它开关元件。开关元件Q10的栅极被由V栅和电阻器R10形成的电压源偏置。

可变种类特性放大器70设置为单端放大器。因此，开关元件Q10的漏极通过与电感器L12串联的电感器L11连接到电压源Vdd上。来自开关元件Q10的输出被输入给输出模块76，输出模块76包括包含电容器C13、电感器L12和电容器C14的CLC输出电路。来自输出模块76的输出施加给负载78，负载78在图9中示出为电阻器R_L。

在工作时，图8和图9的可变种类特性原理与图1和图2的特性原理类似，但是可变种类特性放大器70设置为单端放大器，而不是在推挽式构造中设置的一对开关元件。通过改变输出模块76的电容器C14和电阻器R_L的值，可变种类特性放大器70的工作可在AB类工作特性和E类工作特性之间变化。此外在工作时，根据多个实施例，为了从AB类特性移向E类特性，增大电容器C14的值并减小R_L，这使得放大器70的种类特性能对于给定输入信号而变化。

图10A-10C是示例绘图，其示出根据多个实施例设置的60MHz单端可变种类特性功率放大器的示例实施例用的输出端子（Q10的漏极）的电压波形和电流波形。图10A-10C分别示出对于E类、中间类和AB类工作特性的情况输出端子漏电压80v和输出端子漏电流80i之间的示例关系。波形80vE和80iE分别表示E类工作特性的单端构造中晶体管漏极的电压波形和电流波形。类似地，波形80vI和80iI分别表示E类工作特性和AB类工作特性中间工作的单端构造中晶体管漏极的电压波形和电流波形。同样地，波形80vAB和80iAB分别表示E类工作特性的单端构造中晶体管漏极的电压波形和电流波形。

如通过比较图10A和图10C能看出的，波形80vE具有比波形80vAB更高的峰值。如还能看出的，波形80iE在0电流处保持比波形80iAB和26iAB更长的时间。图10A的E类波形表示相对于图10C的AB类波形在效率方面大约10%的升高。

本发明中描述的可变种类特性放大器的多个实施例将瞬变和带外能量耗散到供电馈送电阻器R1内，供电馈送电阻器R1帮助在高输出功率和高VSWR负载条件期间提高晶体管可靠性和电路稳定性。在多个实施例中，向具有所有相位的无穷大VSWR负载的稳定电路工作是通过不将输入变压器T1（其可以是巴伦变压器）的中心抽头与地连接而增强的。通过让该连接悬浮，从开关模块14a、14b的输入侧消除调谐的共振，否则这在高RF功率从失配负载反射回到晶体管漏极时干扰电路工作。在多个实施例中，由于Cgd电容和整体功率放大器S参数S12特性，被反射的RF到达晶体管栅极。

在多个实施例中，由于高输出功率以及当存在高VSWR负载时，瞬变和带外能量可以在输出变压器T2的输出侧的中心抽头处出现，而基本能量不出现。在多个实施例中，作为非限定示例，具有5Ω到10Ω之间的R1电阻器值将有效地耗散来自高VSWR负载的一些反射功率，因此帮助隔离和保护推挽式晶体管不受高电压和大电流影响。这提高电路稳定性且有助于防止杂散输出。

在多个实施例中，对输出模块18、76的组件进行调整，以便产生所期望的具有有用的效率方面和负载拉移稳定性方面的种类特性工作。一般来说，在匹配阻抗开启状态下，开关模块14a、14b、74的导通角越大以及开关模块14a、14b、74的输出越长，稳定性容限将越大，因此在高VSWR负载期间杂散输出的概率越低。

多个实施例提供较高效率，较高效率转化成较低运行成本和较好可靠性。此外，在AB类特性和E类特性之间灵活调整提供更响应良好的功率控制。当在E类特性模式下工作时，多个实施例在动态功率范围最高点具有较柔缓的限制，这降低系统输出功率控制的响应性，这可能在一些应用中是不希望发生的。此外，多个实施例提供较低成本的设计，因为用更少的组件的精简设计。不太复杂的可变种类特性功率放大器10、70提供减小的尺寸，这能导致提高的功率密度。多个实施例还通过减小的开关模块14a、14b、74晶体管应力和较少的组件来提供更好的可靠性。

多个实施例还将稳定性改进到开放线缆负载（无穷大VSWR）内，仅提供十分低程度的杂散输出。作为示例，这是通过瞬变和带外能量被吸入10欧姆（Ohm）和悬浮输入变压器内提供的。由于输出模块18、76调整的低通特性，多个实施例还大幅地限制上述瞬变和带外能量。以与隔离器类似的方式，高反射功率被消耗在电阻负载内。由于基频在变压器T2中心抽头处被衰减，所以在正常工作期间对效率的影响是最低的。

在多个实施例中，当针对AB类特性工作进行调整时，对在开关模块14a、14b的输出之间存在的负载线路进行优化，以获得最大功率转移和增益。如在AB类特性工作下预期的一样，生成波形大约是双倍的供电电压Vdd。在多个实施例中，当针对E类特性工作进行调整时，将电阻负载线调整到较低阻抗，因此串联共振器的Q更高。这种具有较高Q的失配负载线导致较高峰到峰输出电压，这意味着开关元件Q1、Q2、Q10在导通，而输出电压接近0V。这导致提升的效率，但是以稍低的增益和输出功率为代价。

在多个实施例中，输出变压器T2具有下列作用，其将在其次级线圈输出侧上由输出模块18的CLC和50欧姆的负载20产生的49欧姆和39pF（作为非限定示例）的串联电阻和电容变换成在其初级线圈的在两个晶体管漏极之间的输入侧上的5.2欧姆和7.9nH的串联阻抗（包括变压器漏电感）。通过调整该串联的阻抗，有可能在AB类共轭匹配和E类输出共振器之间进行调整。

在多个实施例中，开关模块14a、14b的输出波形在形状上与AB类放大器类似，直到饱和状态前的动态范围的最后结束部分为止，在这里其进入具有E类放大器特性的区域。根据需要，E类工作特性区域的输出模块18、76调整可以更加向AB类工作特性调整，以获得最大输出功率和负载拉移稳定性，或者更加向E类调整，以获得峰值效率。

多个实施例提供推挽式功率放大器拓扑电路设计和输出网络调整，这允许使用相同的印刷电路板设计在AB类工作特性和E类工作特性之间的连续范围内调节或调整可变种类特性功率放大器10、70。在多个实施例中，这允许将可变种类特性功率放大器10、70调整到最大效率，可变种类特性功率放大器10、70还满足稳定工作到所有相位下的无穷大VSWR内。在多个实施例中，串联电感是由变压器T2泄漏提供的，串联电容被移到变压器次级线圈并且由CLC阻抗变换网络提供。多个实施例可以在任何RF功率放大器或RF发生器的输出级中使用。能够对从低MHz直到GHz的任何频段合成相当的输出网络设计。

功率放大器10、70在较低输出功率下工作，但是仍具有较高的效率。在多个实施例中，功率放大器可以单独地实现或者通过模块18与匹配网络的结合实现。在多个实施例中，电路设计通过提供用于瞬变和带外能量的消耗负载，从开关模块14a、14b输出中限定无穷大VSWR负载，因此给不能在低RF频率下应用的RF隔离器提供了部分可选方法。其它多个实施例为阻抗变换提供E类特性工作的串联阻抗匹配。输出模块18、76的输出CLC阻抗变换网络还提供在没有隔离的情况下直接合并两个推挽式功率放大器输出。

实施例的上述描述为了图示和说明而提供。其不旨在是详尽的或限制本发明。具体实施例的单独要素或特征通常不局限于该具体实施例，而是在适当时可互换并且能在选择的实施例中使用，即使在该实施例中未明确示出或描述。还可以以多种方式改变这些单独的要素或者特征。上述改变不要认为背离本发明，并且所有这样的修改旨在包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种功率放大器，包括：

开关模块，所述开关模块接收输入信号并根据所述输入信号产生开关模块信号；

变压器模块，所述变压器模块接收所述开关模块信号，并且产生变压器信号；

输出模块，所述输出模块接收所述变压器信号并产生输出信号，

其中所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且其中所述输出模块中的电路组件的值被改变，以实现在所述功率放大器的所述多个模式之间的工作。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述开关模块包括开关元件，所述开关元件对所述输入信号做出响应来产生穿越所述开关元件的电压和电流。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其中所述输出模块至少包括电容元件和电感元件，其中所述电容元件的值可以是增大的值或减小的值中的一个，以致使在第一模式下工作。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其中所述电容元件的值可以是增大的值或减小的值中的另一个，以致使在第二模式下工作。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述多个模式中的一个是AB类，所述多个模式中的另一个是E类。

6.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述开关模块包括晶体管。

7.根据权利要求6所述的功率放大器，其中所述晶体管是MOFSET器件。

8.一种功率放大器，包括：

输出模块，所述输出模块接收所述变压器信号并产生输出信号，所述输出模块至少包括电容器和电感器，

其中所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且其中所述电容器的值被改变，以针对所述输入信号实现在所述模式之间的工作。

9.根据权利要求8所述的功率放大器，其中所述电容器的值可以是增大的值或减小的值中的一个，以致使在第一模式下工作。

10.根据权利要求9所述的功率放大器，其中所述电容器的值可以是增大的值或减小的值中的另一个，以致使在第二模式下工作。

11.根据权利要求8所述的功率放大器，其中所述多个模式中的一个是AB类，所述多个模式中的另一个是E类。

12.根据权利要求11所述的功率放大器，其中所述开关模块包括晶体管。

13.根据权利要求12所述的功率放大器，其中所述晶体管是MOSFET器件。

14.一种功率放大器，包括：

第一开关模块，所述第一开关模块对输入信号做出响应并根据所述输入信号产生第一开关模块信号；

第二开关模块，所述第二开关模块与所述第一开关模块一起设置在推挽式构造中，所述第二开关模块对所述输入信号做出响应并根据所述输入信号产生第二开关模块信号，所述第一开关模块信号和所述第二开关模块信号配合来产生复合开关模块信号；

变压器模块，所述变压器模块接收所述复合开关模块信号，并且产生变压器信号；

15.根据权利要求14所述的功率放大器，其中所述输出模块至少包括电感元件和第一电容元件。

16.根据权利要求15所述的功率放大器，还包括第二电容元件。

17.根据权利要求14所述的功率放大器，其中所述第一开关模块包括第一开关元件，并且所述第二开关模块包括第二开关元件。

18.根据权利要求17所述的功率放大器，其中所述第一开关元件包括第一晶体管器件，所述第二开关元件包括第二晶体管器件，并且其中所述第一晶体管的输出端子和所述第二晶体管的输出端子通过所述变压器模块被连接，以形成所述推挽式布置。

19.根据权利要求18所述的功率放大器，其中所述变压器模块包括初级线圈和次级线圈，并且其中所述第一晶体管的输出端子和所述第二晶体管的输出端子分别连接到所述初级线圈的第一端子和第二端子。

20.根据权利要求19所述的功率放大器，还包括电压源，所述电压源通过所述初级线圈的至少一部分与所述第一晶体管的输出端子和所述第二晶体管的输出端子电通信。

21.根据权利要求20所述的功率放大器，还包括介于所述电压源和所述初级线圈的所述至少一部分之间的电感。

22.根据权利要求14所述的功率放大器，其中所述输出模块还包括包含电感器和第一电容器的网络。

23.根据权利要求22所述的功率放大器，其中所述输出模块还包括第二电容器，所述第一电容器、所述第二电容器和所述电感器设置在CLC网络中。

24.一种功率放大器，包括：

输出模块，所述输出模块接收所述变压器信号并产生输出信号，所述输出模块包括第一电容元件和电感元件，

其中所述功率放大器工作在具有多个功率放大器种类特性的多个模式下，并且其中所述电容元件的值被改变，以实现在所述多个模式之间的工作。

25.根据权利要求24所述的功率放大器，其中所述第一开关模块包括第一开关元件，所述第二开关模块包括第二开关元件，所述第一开关元件和所述第二开关元件对所述输入信号做出响应，以产生穿越所述开关元件的电压和电流。

26.根据权利要求24所述的功率放大器，其中所述电容元件是增大的值或减少的值中的一个，以致使在第一模式下工作。

27.根据权利要求26所述的功率放大器，其中所述电容元件可以是增大的值或减少的值中的另一个，以致使在第二模式下工作。

28.根据权利要求26所述的功率放大器，还包括第二电容元件，其中所述第一电容元件、所述第二电容元件和所述电感元件被布置在PI网络中。

29.根据权利要求24所述的功率放大器，其中所述多个模式中的一个是AB类，所述多个模式中的另一个是E类。

30.根据权利要求24所述的功率放大器，其中所述第一开关模块包括第一开关元件，并且所述第二开关模块包括第二开关元件。

31.根据权利要求30所述的功率放大器，其中所述第一开关元件和所述第二开关元件包括晶体管。

32.根据权利要求24所述的功率放大器，其中所述变压器模块包括初级线圈和次级线圈，并且其中所述第一开关模块和所述第二开关模块分别包括第一输出端子和第二输出端子，其中所述第一输出端子和所述第二输出端子分别连接到所述初级线圈的第一端子和第二端子。

33.根据权利要求32所述的功率放大器，还包括电压源，所述电压源通过所述初级线圈的至少一部分与所述第一开关模块的输出端子和所述第二开关模块的输出端子中的至少一个电通信。

34.根据权利要求33所述的功率放大器，还包括介于所述电压源和所述初级线圈的所述至少一部分之间的电感元件。

35.一种功率放大器，包括：

第一开关器件，所述第一开关器件对输入信号做出响应，以产生第一开关器件信号；

第二开关器件，所述第二开关器件与所述第一开关器件一起设置在推挽式构造中，所述第二开关器件对所述输入信号做出响应，以产生第二开关器件信号，所述第一开关器件信号和所述第二开关器件信号配合来产生复合开关器件信号；

变压器模块，所述变压器模块接收所述复合开关器件信号，并且产生变压器信号；

输出模块，所述输出模块接收所述变压器信号并产生输出信号，所述输出模块包括第一电容器和电感器，

其中所述功率放大器工作在具有AB类功率放大器种类或E类功率放大器种类特性的多个模式下，并且其中所述电容器的值被改变，以实现所述多个模式之间的工作。

36.根据权利要求35所述的功率放大器，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件对所述输入信号做出响应，以产生穿越相应开关器件的电压和电流。

37.根据权利要求35所述的功率放大器，其中所述第一电容器的值是增大的值或减小的值中的一个，以致使在第一模式下工作。

38.根据权利要求37所述功率放大器，其中所述第一电容器的值可以是增大的值或减小的值中的另一个，以致使在第二模式下工作。

39.根据权利要求35所述的功率放大器，其中增大所述第一电容器的值致使在E类模式下工作，减小所述第一电容器的值致使在AB类模式下工作。

40.根据权利要求35所述的功率放大器，还包括第二电容器，其中所述第一电容器、所述第二电容器和所述电感器设置在PI网络中，并且所述第一电容器与所述电感器的与接收所述复合开关器件信号的端子对置的端子电通信。

41.根据权利要求35所述的功率放大器，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件分别包括第一晶体管和第二晶体管。

42.根据权利要求41所述的功率放大器，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件是MOSFET器件。

43.根据权利要求35所述的功率放大器，其中所述变压器模块包括初级线圈和次级线圈，并且其中所述第一开关器件和所述第二开关器件分别包括第一输出端子和第二输出端子，其中所述第一输出端子和所述第二输出端子分别连接到所述初级线圈的第一端子和第二端子。

44.根据权利要求43所述的功率放大器，还包括电压源，所述电压源通过所述初级线圈的至少一部分与所述第一开关器件的输出端子和所述第二开关器件的输出端子中的至少一个电通信。

45.根据权利要求44所述的功率放大器，还包括电压供给电感器，所述电压供给电感器介于所述电压源和所述初级线圈之间。

46.根据权利要求45所述的功率放大器，还包括与所述电压供给电感器并联的电阻元件。