CN102754334B - 带有反馈阻抗以用于稳定的输出的功率放大器 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种装置包括具有相移的放大器电路。该放大器电路放大用于无线传输的信号。反馈电路被耦合到放大器电路并且包括电容器。到放大器电路的输入阻抗与反馈电路的反馈电路阻抗具有相同的阻抗特性。用于放大器电路和反馈电路的信号的总相移小于阈值。

Description

带有反馈阻抗以用于稳定的输出的功率放大器

相关申请的交叉引用

本公开要求2010年1月4日递交的、标题为“PAClose-LoopStabilityAnalysisandSolution”的美国临时申请No.61/292,124的优先权，出于各种目的通过引用将上述申请整体并入本文。

背景技术

特定的实施例总体上涉及功率放大器。

除非在本文中另外指出，否则在本部分中描述的方案对于本申请的权利要求而言不是现有技术，并且并不因为包括在本部分中就被认为是现有技术。

图1描述了功率放大器(PA)100的示例。功率放大器(PA)100耦合到宽带变压器101，宽带变压器101包括变压器102和负载104。功率放大器100可以是无线发射器的一部分。在一个示例中，来自功率放大器100的信号被耦合通过变压器102，并通过天线发射。

功率放大器100在反馈回路包括第一放大器108a、电感器-电容器(LC)谐振回路110、第二放大器108b和电阻器R1。功率放大器100可能会变得不稳定。输入电路106给功率放大器100提供输入信号。

放大器108a和LC谐振回路(resonanttank)110引入了主极点。这在对于由功率放大器100的输出的信号引入了大约90°的相移(在单位增益点)。此外，由放大器108b和变压器102引入的相移可能会较小，例如30°。为了实现稳定的功率放大器，用于功率放大器100的总相移应当小于180°。因此，由反馈回路引入的相移应当小于60°。

用阻抗Z_input示出了输入阻抗，并且在这种情况下，输入阻抗是放大器108a中晶体管的寄生电容。该寄生电容用寄生电容器Cp模拟。由于反馈阻抗Z_feedback是电阻，因此，电阻器-电容器组合可能引入大于60°的相移。这可能会导致功率放大器100不稳定，并且信号可能振荡。此外，电阻器-电容器组合可能产生极点，该极点在无线发射器的工作带宽之内。这可能改变功率放大器100的增益特性。

发明内容

在一个实施例中，一种装置包括具有相移的放大器电路。所述放大器电路放大用于无线传输的信号。反馈电路被耦合到所述放大器电路并且包括电容器。到所述放大器电路的输入阻抗与所述反馈电路的反馈电路阻抗具有相同的阻抗特性。用于所述放大器电路和所述反馈电路的信号的总相移小于阈值。

在一个实施例中，所述放大器电路的相移包括第一相移和第二相移。所述放大器电路包括与所述第一相移相关联的第一放大器级以及与所述第二相移相关联的第二放大器级。用于所述第一放大器级、所述第二放大器级和所述反馈电路的信号的总相移小于所述阈值。

在一个实施例中，所述装置包括谐振回路电路以及变压器。所述第一放大器级和所述谐振回路电路引入所述第一相移，并且所述第二放大器级和所述变压器引入所述第二相移。

在另一个实施例中，一种系统包括被配置为放大用于无线传输的信号的第一放大器级。谐振回路电路接收来自所述第一放大器级的信号。所述第一放大器级和所述谐振回路电路在所述信号中引入第一相移。第二放大器级放大来自所述谐振回路电路的信号。变压器接收来自所述第二放大器级的信号。所述第二放大器级和所述变压器在所述信号中引入第二相移。反馈电路被耦合到所述第二放大器级并且包括电容器。到所述第一放大器电路的输入阻抗与所述反馈电路的反馈电路阻抗具有相同的阻抗特性。传递通过反馈回路的信号的总相移小于阈值，所述反馈回路包括第一放大器级、谐振回路电路、第二放大器级和所述反馈电路。

在一个实施例中，一种方法包括通过放大器电路放大用于无线传输的信号，以及将所述信号耦合通过耦合到放大器电路的反馈电路。所述反馈电路包括电容器，其中到所述放大器电路的输入阻抗与所述反馈电路的反馈电路阻抗具有相同的阻抗特性。用于所述放大器电路和所述反馈电路的所述信号的总相移小于阈值。

在一个实施例中，所述放大器电路包括第一放大器级和第二放大器级。所述方法进一步包括将所述信号耦合通过所述第一放大器级，将所述信号耦合通过谐振回路，将所述信号耦合通过所述第二放大器级，以及将所述信号耦合通过变压器。

以下详细的说明和附图提供了对本发明的本质和优点的更详细的理解。

附图说明

图1描绘了功率放大器(PA)的示例。

图2a描绘了根据一个实施例的功率放大器的示例。

图2b描绘了根据一个实施例的功率放大器的更详细的示例。

图3a描绘了根据一个实施例的带有电流输入驱动器的功率放大器的示例。

图3b示出了根据一个实施例的图3a中所示的电流输入驱动器的更详细的示例。

图4描绘了根据一个实施例的使用电压输入驱动器的功率放大器的示例。

图5示出了根据一个实施例的使用电感器-电容器-电阻器电路的功率放大器的示例。

图6描述了根据一个实施例的用于放大信号的方法的简化流程图。

具体实施方式

本文所描述的是用于功率放大器的技术。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多示例和具体细节，从而提供对本发明的实施方式透彻理解。如由权利要求所限定的特定实施可以单独包括在这些单个实施例中的部分或全部的特征，或者是与下面将描述的其他特征的组合，并且还可以包括本文所描述的特征和概念的修改和等同物。

图2a描绘了根据一个实施例的功率放大器(PA)200的示例。功率放大器200通过宽带变压器201驱动天线(未示出)，宽带变压器201包括变压器204和负载202。例如，功率放大器200放大来自输入电路210的信号，以用于通过宽带无线发射器无线传输。然而，功率放大器200可以是其他系统的一部分。

功率放大器200包括放大器电路206和反馈电路208。反馈回路从放大器电路206的输出，通过反馈电路208，并进入到放大器电路206的输入。反馈回路的总相移应该小于阈值，例如180°。可以根据当相移在阈值之上时可能会导致功率放大器200变得不稳定来确定所述阈值。例如，如果相移大于180°，则功率放大器200的输出可能会振荡。此外，反馈电路208不应当在带宽范围(诸如发射器的工作带宽)内创建极点。工作带宽内的极点可能会改变功率放大器200的增益特性。

分析反馈系数β以确定是否创建了极点或者是否引起了不期望量的相移。将反馈系数β定义为：

$\mathrm{\β}=\frac{Z\_\mathrm{input}}{Z\_\mathrm{input}+Z\_\mathrm{feedback}}$

其中Z_input是从放大器电路206和输入电路210之间的输入节点看进去的输入阻抗，而Z_feedback是反馈电路208的反馈阻抗。如在下面将更详细描述的，在特定实施例中，阻抗Z_feedback和阻抗Z_input具有相同的阻抗特性。例如，阻抗Z_feedback等效于电容，并且阻抗Z_input等效于电容。由于具有同样的电容特性，反馈回路不会创建极点。此外，由反馈回路引起的相移小于其中功率放大器200可能会变得不稳定的阈值。例如，当与功率放大器电路206的相移结合时，由反馈电路208引起的相移(或者没有相移)小于例如180度的阈值。

图2b描绘了根据一个实施例的功率放大器200的更详细的示例。放大器电路206包括第一放大器302a、谐振回路电路304和第二放大器302b。谐振回路304包括电感器L1和电容器C1。也可以使用谐振回路的其他示例。变压器204和负载202也包括在宽带变压器201中。反馈回路208包括电容器Cfb。第一放大器302的寄生电容由电容器Cp来模拟。

第一放大器302a和谐振回路电路304可以具有高品质因数(Q)。例如，品质因数可以大于10。第二放大器302b和变压器204可能具有低品质因数。例如，放大器302b和变压器204的品质因数小于放大器302a和谐振回路电路304的品质因数。放大器302b和变压器204的较低的Q使得功率放大器200能够具有较高的环路增益，而回路仍然是稳定的。此外，放大器302a的较高的Q意味着可以实现较高的环路增益，同时还使环路稳定。此外，在一个实施例中，期望具有低阻抗耦合到变压器204和天线。至少部分因为低品质因数，放大器302提供低阻抗。

放大器302a和谐振回路电路304在功率放大器200的频率响应中提供主极点。放大器302b和变压器204提供不太主导的另一个极点。本文描述时，放大器302a可以被描述为引入了主极点，放大器302b可以被描述为引入了另一个极点。应当理解，可以由放大器302a和谐振回路电路304的组合或者放大器302b和变压器204的电感器的组合引入极点。其他组合也可能被用来放大信号。

放大器302a还引入比放大器302b所引入的相移更大的相移。例如，放大器302a的相移可能是约90°。由放大器302b引入的第二节点可能不是主导的。由于频率响应不够锐利，因此由放大器302b引入的相移可能是约30°。

在一个实施例中，功率放大器200的总相移应当小于阈值以实现具有期望增益的稳定的放大器。例如，总相移可以小于180°。因此，如果对于放大器302a的相移是90°且对于放大器302b的相移是30°，则反馈电路应当引起小于60°的相移。

反馈电路208的相移可以是基于反馈系数β而确定的。反馈系数β可以如下表示：

$\mathrm{\β}=\frac{\frac{1}{\mathrm{j\ω}*\mathrm{Cp}}}{\frac{1}{\mathrm{j\ω}*\mathrm{Cp}}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}*\mathrm{Cfb}}}=\frac{\mathrm{Cfb}}{\mathrm{Cfb}+\mathrm{Cp}}$

反馈系数不会引起信号中的任何相移。这是因为阻抗Z_feedback和Z_input具有相同的阻抗特性，并且电阻器-电容器电路没有被引入到反馈电路208中。而是，反馈电路208的阻抗特性是电容器Cfb，而Z_input的阻抗特性是电容器Cp。这不会由反馈系数引入极点和相移。

基于输入电路210，闭环增益可能是不同的。如下将描述不同的输入电路210。

图3a描绘了根据一个实施例的带有电流输入驱动器的功率放大器200的示例。输入电路210包括第三放大器302c。在一个实施例中，第三放大器302c包括为Gm3的跨导。第一放大器302a包括为Gm1的跨导，而第二放大器302b包括为Gm2的跨导。放大器302a-302c可以是跨导放大器(Gm放大器)，其输出与输入电压成正比的电流。功率放大器200的环路增益是：

Loop_Gain＝A(jω)*β

反馈系数是：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{Cfb}}{\mathrm{Cfb}+\mathrm{Cp}}$

如上所述，反馈系数β不会引入相移或者极点。闭环增益可以是如下的：

$\mathrm{ClosedLoopGain}=\frac{\mathrm{Gm}3}{\mathrm{j\ω}*\mathrm{Cfb}}$

图3b示出了根据一个实施例的图3a中所示的电流输入驱动器的更详细的示例。如图所示，输入电路210包括电容器Cin和晶体管T。在一个实施例中，晶体管T是双极型结型晶体管(BJT)，但是也可以使用其他类型的晶体管。

闭环增益是晶体管T的跨导Gm3和频率的函数。特定的实施例使得Gm3是电容Cin的函数。例如，Gm3可以是Vin/(Cin的阻抗)。在这一情形下，闭环增益可能等于：

$\mathrm{ClosedLoopGain}=\frac{\mathrm{Gin}}{\mathrm{Cfb}}$

在上述情形下，当电容器Cp的电容改变时，闭环增益可能受到影响。电压输入驱动可以用于最大化环路增益。

图4描绘了根据一个实施例的使用电压输入驱动器的功率放大器200的示例。输入电路210可以包括电容器Cin。在这一情形下，保持Cp足够小，使得电容器Cin大于电容器Cp(例如，Cin＞＞Cp)。在这一情形下，反馈系数β是最大化的，并且对于闭环增益实现了较高的环路增益。

环路增益是：

LoopGain＝A(jω)*β

反馈系数是：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{Cfb}}{\mathrm{Cfb}+\mathrm{Cp}+\mathrm{cin}}$

对于Cin＞＞Cp，闭环增益可以是如下：

$\mathrm{ClosedLoopGain}=\frac{\mathrm{Gin}}{\mathrm{Cfb}}$

此外，在这一情形下，反馈系数β也不会引入相移或极点。

图5示出了根据一个实施例的使用电感器-电容器-电阻器电路的功率放大器200的示例。如图所示，反馈电路208包括电感器L2、电容器Cfb和电阻器R2。输入电路210包括电阻器R1、电感器L1和电容器Cin。

环路增益是：

Loop_Gain＝A(jω)*β

反馈系数是：

$\mathrm{\β}=\frac{R1}{R1+R2}$

闭环增益可以是如下：

$\mathrm{ClosedLoopGain}=\frac{R2}{R1}.$

闭环增益是电阻器R2和R1的系数。这是因为反馈系数不是频率的函数，因为如果Cp是小的，则电感器L和电容器C可以彼此抵消。因此，闭环增益是电阻器R2和R1之比的函数。反馈系数也不会引入相移或极点。

使用常规的功率放大器，功率放大器200的线性性能可以是约27dB增益。特定实施例由于3dB的改良可以提供30dB的增益，这是由于反馈电路208不在频率响应中增加极点。当增益的改变导致更多线性性能变化时，增益也可以是更线性的。

在一个实施例中，如下可以用于确定对于最高环路增益的Gm1和Gm2。品质因数Q1是放大器302a和谐振回路电路304的品质因数。品质因数Q2是放大器302b和变压器204的品质因数。对于放大器302a，当相移是谐振回路电路304Q1的唯一函数时，并且当Q1是固定的时，谐振回路电路304阻抗是L的函数。对于放大器302b，相移是变压器204的品质因数Q2的函数，而阻抗是变压器204看到的电阻的函数。

因此，对于具有60分贝相位裕度的功率放大器200，下式成立：

Gm1*Z1(jω，Q1，L)*Gm2*Z2(jω，Q2，6Ω)*β*α＝1

PhaseZ1(jω，Q1)+phaseZ2(jω，Q2)＝120dec

其中Z1是谐振回路304的阻抗，而Z2是变压器204的阻抗。α也是基于谐振回路304的电容的变量。还已知：

$\frac{1}{\mathrm{Gm}1*Z1\left(2\mathrm{GHz}\right)*\mathrm{\&alpha;}*\mathrm{Gm}2*\mathrm{\&beta;}}<<6.25\mathrm{\&Omega;}$

这意味着放大器200的阻抗小于6.25Ω。对于60相位裕度的最高环路增益是：

LoopGain＝Gm1*Z1(2GHz，Q1，L)*Gm2*Z2(6.25Ω)*β*α

Gm1和Gm2是基于以上等式选择的。对于特定的相位裕度，最高环路增益是Q1的函数。

图6描述了根据一个实施例的用于放大信号的方法的简化流程图。在步骤602，信号耦合通过输入电路210。在步骤604，信号被放大器302a放大。在步骤606，信号耦合通过谐振回路电路304。放大器302a和谐振回路电路304在信号中引入相移。

在步骤608，信号被放大器302b放大。在步骤610，信号耦合通过变压器204以用于无线传输。放大器302b和变压器204在信号中引入第二相移。

在步骤610，信号耦合通过反馈电路208。反馈电路208包括电容器，并且不会在信号中引入相移或者引入相移但总相移小于用于稳定操作的阈值。

因此，特定实施例使用电容器或电感器-电容器-电阻器反馈电路。这导致反馈电路208中的最小相移，并且导致功率放大器增益输出不产生振荡并且是稳定的。整个环路的相移小于180°，这意味着功率放大器200是稳定的。

如在本说明书中使用的并且贯穿权利要求的，“一”、“一个”、“所述”包括多个参照，除非上下文另外清楚地指出。也如在本说明书中使用的并且贯穿权利要求的，“在......中”的含义包括“在......中”和“在......上”，除非上下文另外清楚地指出。

上述描述连同本发明的诸方面是如何实现的示例说明了本发明的各种实施例。应当将上述示例和实施例视为仅仅是示例，并且将其列出以仅说明如由如下权利要求所限定的本发明的灵活性和优点。基于上述公开和以下权利要求，可以利用其他布置、实施例、实现和等同物，而不脱离如由权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种电气装置，包括：

具有相移的放大器电路，其中所述放大器电路被配置成放大用于无线传输的信号；以及

耦合到所述放大器电路的反馈电路，其中：

基于反馈系数选择所述反馈电路的反馈组件，所述反馈系数分析输入组件向所述放大器电路和所述反馈电路的反馈组件提供的输入阻抗，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示所述反馈组件与所述输入组件的所述输入阻抗具有相同的阻抗特性，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示用于所述放大器电路和所述反馈电路的信号的总相移小于阈值，以及

所述反馈电路包括电容器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述反馈电路中的所述电容器不在所述放大器电路的频率响应中添加极点。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述相移包括第一相移，其中由所述反馈电路引入的第二相移不会导致所述第一相移和所述第二相移的总相移超出所述阈值。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述反馈电路中的所述电容器最小化所述信号中的相移。

5.根据权利要求1所述的装置，其中用于所述放大器电路的相移包括第一相移和第二相移，其中所述放大器电路包括：

与所述第一相移相关联的第一放大器级；以及

与所述第二相移相关联的第二放大器级，其中用于所述第一放大器级、所述第二放大器级和所述反馈电路的所述信号的总相移小于所述阈值。

6.根据权利要求5所述的装置，进一步包括：

谐振回路电路；以及

变压器，

其中：

所述第一放大器级和所述谐振回路电路引入所述第一相移，以及

所述第二放大器级和所述变压器引入所述第二相移。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电容器包括第一电容器，其中：

所述反馈电路包括：

第一电阻器，

第一电感器，和

第一电容器，

到所述放大器电路的输入电路包括：

第二电阻器，

第二电感器，和

第二电容器。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述反馈电路的所述反馈系数基于所述第一电阻器和所述第二电阻器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述放大器电路的输入电路包括分流器或者分压器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电容器包括第一电容器，其中所述放大器电路的输入电路包括：

第二电容器，和

晶体管。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述反馈电路的反馈系数基于所述第一电容器和所述第二电容器。

12.一种用于放大信号的系统，包括：

第一放大器级，被配置为放大用于无线传输的信号；

谐振回路电路，被配置为接收来自所述第一放大器级的信号，其中所述第一放大器级和所述谐振回路电路在所述信号中引入第一相移；

第二放大器级，被配置为放大来自所述谐振回路电路的信号；

变压器，被配置为接收来自所述第二放大器级的信号，其中所述第二放大器级和所述变压器在所述信号中引入第二相移；以及

耦合到所述第二放大器级的反馈电路，其中：

基于反馈系数选择所述反馈电路的反馈组件，所述反馈系数分析输入组件向所述第一放大器级和所述第二放大器级和所述反馈电路的反馈组件提供的输入阻抗，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示所述反馈组件与所述输入组件的所述输入阻抗具有相同的阻抗特性，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示通过反馈回路传递的信号的总相移小于阈值，所述反馈回路包括第一放大器级、谐振回路电路、第二放大器级和所述反馈电路，以及

所述反馈电路包括电容器。

13.一种用于放大信号的方法，包括：

通过放大器电路放大用于无线传输的信号；

将所述信号耦合通过耦合到所述放大器电路的反馈电路，其中：

基于反馈系数选择所述反馈电路的反馈组件，所述反馈系数分析输入组件向所述放大器电路和所述反馈电路的反馈组件提供的输入阻抗，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示所述反馈组件与所述输入组件的所述输入阻抗具有相同的阻抗特性，

选择所述反馈组件使得所述反馈系数指示用于所述放大器电路和所述反馈电路的信号的总相移小于阈值，以及

所述反馈电路包括电容器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述反馈电路中的所述电容器不在所述放大器电路的频率响应中添加极点。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述反馈电路中的所述电容器最小化所述信号中的相移。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述放大器电路包括第一放大器级和第二放大器级，所述方法进一步包括：

将所述信号耦合通过所述第一放大器级；

将所述信号耦合通过谐振回路电路；

将所述信号耦合通过所述第二放大器级；以及

将所述信号耦合通过变压器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

所述第一放大器级和所述谐振回路电路引入第一相移，和

所述第二放大器级和所述变压器引入第二相移。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容器包括第二电容器，所述方法进一步包括：

将所述信号耦合通过第一电容器、第一电阻器和第一电感器，以将所述信号输入到所述放大器电路，

其中将所述信号耦合通过反馈电路包括将所述信号耦合通过第二电感器、第二电容器和第二电阻器。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述反馈电路的所述反馈系数基于所述第一电阻器和所述第二电阻器。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容器包括第一电容器，其中所述放大器电路的输入电路包括：

第二电容器；和

晶体管，其中所述反馈电路的反馈系数基于所述第一电容器和所述第二电容器。