CN102969988A - 用于改进的回退操作的一类功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于改进的回退操作的一类功率放大器。本发明的一个实施例涉及一种功率放大器，其包括以串并联矩阵配置连接的多个放大元件，所述串并联矩阵配置包含具有串联连接的放大元件的并联列。所述并联列被连接到公共输出路径，所述公共输出路径被耦合到配置成将相等的供电电压提供给每列的供电电压源。一个或多个输入信号（例如RF输入信号）通过第一行放大元件上的输入端子被连接到功率放大器。剩余的放大元件具有连接到独立控制信号的控制端子，这允许每个放大元件独立于该矩阵中的其他放大元件而被操作。放大元件的该选择性操作允许在宽范围的功率放大器输出功率上改进的效率。

Description

用于改进的回退操作的一类功率放大器
技术领域
本发明涉及电子器件，并且特别涉及功率放大器。
背景技术
功率放大器是增大（即放大）电信号的功率的电子器件。功率放大器被广泛地用在低功率通信系统中。典型地，功率放大器位于传输链的输出级，并且被配置成在射频（RF）信号从天线被传送之前增大其功率。
采用功率放大器的通信系统可以根据某些通信标准（例如EDGE、WCDMA、LTE等等）来发送信号。许多这样的通信标准允许具有不同发射统计的不同输出功率电平。因此，功率放大器常常被操作以生成跨越宽的输出功率范围（例如从低输出功率到最大输出功率）的输出信号。然而，当功率放大器被操作以输出具有小于放大器被设计的最大输出功率的信号时，功率放大器的效率降低。
功率放大器的效率的降低可以通过降低在功率放大器的输出端处的DC供电电压以便降低功率放大器的总功率消耗来减轻。这种解决方案的有效性取决于功率放大器负载与输出阻抗之间的最优负载匹配，其由位于功率放大器的输出端的输出匹配网络来控制。为了保持高效率，输出匹配网络在供电电压改变时改变输出阻抗。在没有输出阻抗的对应改变的情况下改变DC供电电压引起阻抗失配，这降低了功率放大器的效率。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种功率放大器电路。所述功率放大器电路包括：多个放大元件，其被布置成包含行和耦合到公共输出路径的并联列的串并联矩阵配置，其中各个并联列包括以串联连接来连接的所述多个放大元件中的两个或更多，其中所述放大元件分别包括控制端子，其被配置成接收允许放大元件被独立地操作的独立控制信号，使得在功率减小的、回退操作模式中，所述多个放大元件的子集能够被激活以操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
根据本发明的第二方面，提供一种功率放大器。所述功率放大器包括：多个晶体管器件，其被布置成包括并联列的串并联矩阵配置，所述并联列具有耦合到公共输出路径的串联连接的晶体管器件，其中：所述晶体管器件分别包括被配置成接收独立栅极偏置电压的栅极端子，所述独立栅极偏置电压控制所述晶体管的源极和漏极之间电流的流动；所述并联列的第一串联连接的晶体管的栅极端子被配置成还接收分开的RF输入信号；供电电压源，其被耦合到所述公共输出路径，并且被配置成将可变供电电压提供给所述串联连接中的最后一个晶体管器件的漏极端子；以及偏置控制器，其被配置成选择性地将所述独立栅极偏置电压提供给所述多个晶体管器件的栅极端子，其中所述独立栅极偏置电压使得相应的晶体管器件操作为放大器、断开的开关、或闭合的开关，其中在功率减小的、回退操作模式中，所述多个晶体管器件的子集被激活以操作为放大器，而剩余的晶体管器件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
根据本发明的第三方面，提供一种用于操作功率放大器的方法。所述方法包括：连接处于包括串联连接的放大元件的并联列的串并联矩阵配置的多个放大器；将可变供电电压提供给最后一个串联连接的放大元件；以及将独立控制信号提供给分开的放大元件的控制端子，使得所述多个放大元件的子集能够被激活以操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
附图说明
图1示出如在此提供的功率放大器电路的第一实施例的示意图。
图2示出以最大输出功率操作的并且处于回退（back-off）操作模式的功率放大器电路的示意图，所述功率放大器电路包括处于串并联矩阵配置的多个晶体管。
图3a示出包括2×2晶体管矩阵的示例性功率放大器的示意图。
图3b和3c显示被示出为电流源、断开的开关、或短路的、图3a的功率放大器中的晶体管的框图。
图4a-4b示出包括位于串联连接的晶体管的相邻列上的节点之间的电连接的功率放大器电路的一个可替换实施例的示意图。
图5a示出如在此提供的功率放大器电路的一个可替换实施例的示意图。
图5b和5c显示针对不同输出功率被示出为电流源、断开的开关、或短路的、图5a的功率放大器中的晶体管的框图。
图6示出显示图5a的功率放大器电路的寄生元件的框图。
图7示出用于操作功率放大器的示例性方法的流程图。
图8a-8c示出可以被用来将一个RF输入信号分成多个RF输入信号的电路的三个可能实施例。
图9示出包括3×3晶体管矩阵的功率放大器电路的另一实施例的示意图，其中在所述矩阵的内部节点之间具有互连。
图10a示出显示晶体管矩阵的内部节点之间的互连的一个可替换实施例的功率放大器的示意图。
图10b-10d显示针对不同输出功率被示出为电流源、断开的开关、或短路的、图10a的功率放大器中的晶体管的框图。
图11a示出图9中所示的功率放大器的另一可替换实施例。
图11b-11d显示针对不同输出功率被示出为电流源、断开的开关、或短路的、图11a的功率放大器中的晶体管的框图。
图12示出包括共阴共栅（cascoded）晶体管的示例性功率放大器的一个可替换实施例。
图13示出包括共阴共栅晶体管的示例性功率放大器的一个可替换实施例。
图14示出显示作为输出功率的函数的功率放大器（类似于图13所示的功率放大器）的效率的测量的图。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明，其中相同的附图标记被用来始终指代相同的元件，并且其中所示的结构和器件不一定是按比例绘制的。
本公开的一些方面提供在宽范围的输出功率上保持高效率的功率放大器。在一个实施例中，功率放大器包括以串并联矩阵配置连接的多个放大元件，所述串并联矩阵配置包含以串联连接来连接的放大元件的并联列。所述并联列被连接到与供电电压源耦合的公共输出路径，所述供电电压源被配置成向每列提供相等的供电电压。所述多个放大元件具有被连接到独立控制信号的控制端子，这允许每个放大元件独立于该矩阵中的其他放大元件而被操作。第一行的放大元件具有进一步连接到一个或多个输入信号（例如RF输入信号）的控制端子。当以最大输出功率操作时，所有放大元件进行操作以放大（一个或多个）输入信号。当以功率减小的、回退操作模式操作时，独立的控制信号允许放大元件的子集操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的开关。放大元件的该选择性操作允许在宽范围的功率放大器输出功率上改进的效率。
图1示出如在此提供的功率放大器电路100的第一实施例的示意图。
功率放大器电路100包括处于串并联矩阵配置的多个放大元件102。该串并联矩阵配置包含M列104a-104m和N行106a-106n。各个列具有以串联连接来连接的N个放大元件102a,x-102n,x。列104被并联连接到与DC供电电压源108耦合的公共输出路径，该DC供电电压源108被配置成输出可变供电电压Vdd。可变供电电压Vdd被相等地施加到每列中的最后一个放大元件102a,1-102a,m的输出端子。
每个放大元件102具有被配置成接收独立控制信号的控制端子110。该独立控制信号使每个放大元件能够独立于矩阵中的其他放大元件而被操作。因此，功率放大器的激活（active）区（例如，在功率放大器架构中充当放大器的放大元件的数目）可以结合对供电电压Vdd的调整而被选择性地调整，从而实现在宽范围的功率输出上矩阵阻抗和输出负载阻抗之间的匹配。
更特别地，在操作期间，对功率放大器的激活区和供电电压的改变允许功率放大器电路100以最大功率输出（即生成最大输出功率）或者以一个或多个回退操作模式（例如生成减小的输出功率）来高效地操作。
例如，当以最大输出功率操作时，功率放大器矩阵中的多个放大元件102被操作为放大器。特别地，所有放大元件102放大在控制端子110n处接收的（一个或多个）输入信号（例如RF输入信号）。例如，放大元件102a,1-102n,1放大在控制端子110n,1处接收的RF输入信号，放大元件102a,2-102n,2放大在控制端子110n,2处接收的RF输入信号，等等。
当以回退操作模式操作时，为了保持与以最大输出功率相同的效率，通过选择性地将多个放大元件的子集操作为放大器而将剩余的放大元件操作为非放大器（例如作为导通的或断开的开关）来减小DC供电电压Vdd并且减小功率放大器的激活区。
在一个实施例中，放大元件102可以包括半导体器件（即晶体管）。例如，放大元件可以包括砷化镓（GaAs）半导体器件。在这样的实施例中，每个晶体管的控制端子110包括栅极端子，其被配置成接收栅极偏置电压以用于控制晶体管的源极端子112和漏极端子114之间电流的流动。一列堆叠的晶体管器件以串联连接来连接，使得第一晶体管的漏极114n被连接到下一晶体管的源极112，并且最后一个晶体管的漏极被配置成从DC供电电压源108接收漏极电压Vdd。最后一个晶体管的漏极还通过优化的输出负载116被连接到功率放大器的输出端子。
本领域普通技术人员将认识到，通过改变施加到晶体管的栅极偏置电压和/或漏极电压，这样的半导体晶体管器件可以在操作为放大器、断开的开关（即开路）和闭合的开关（例如短路）之间进行切换。
例如，通过施加将晶体管驱动成操作的激活区（饱和区）的特定栅极偏置电压，该晶体管可以被操作为放大器。当操作为放大器时，该晶体管被配置成放大施加到栅极端子或源极端子的电流。因此，在最大输出功率（即所有晶体管操作为放大器），在输入端子110n,1处施加的RF输入信号被晶体管102n,1…102b,1和102a,1放大。如果栅极偏置电压被足够地减小（例如VGS<VTH），则该晶体管操作为关断的开关（即漏极和源极之间不导通的开路）。如果栅极偏置电压被足够地增大（例如增大到将晶体管驱动到欧姆区的值）和/或如果供电电压被足够地降低（例如降低到一个值，使得VGS-VTH高于Vdd），则晶体管操作为接通的开关（即短路）。
图2示出以最大输出功率操作的并且处于回退操作模式的功率放大器电路200的示意图，该功率放大器电路200包括处于串并联矩阵配置的多个晶体管。本领域普通技术人员将认识到，尽管图2在下面针对具有相等的宽度和/类型的晶体管的矩阵进行描述，但这是一个非限制性实例，其被提供以更好地解释在此公开的构思。
参考图2，经过列中的每个串联耦合的晶体管的电流是相同的，并且列两端的电压降等于列中的每个串联耦合的晶体管两端的电压降的总和。因此，在最大输出功率（其中MxN晶体管操作为放大器），电流ITS=IMAX/M被每个晶体管递送并且电压降VTS=Vdd，max/N被分布在每个晶体管两端（因为漏极电压Vdd被相等地施加到每个并联列）。因此，由每个晶体管看到的阻抗是ZTS=VTS/ITS=Zload·M/N=Zopt，并且每个晶体管的漏极效率（η）等于：η = Pout/Pdc= Pout/( Vdc·Idc) = Pout/( Vdd,max·I max /(N·M))。
在回退操作模式中，功率放大器电路的激活区被减小，使得LxP晶体管的子集202被配置成操作为放大器，而剩余晶体管操作为几乎没有使用DC功率（例如不具有电流或电压）的非放大器。如图2所示，子集202包括串并联矩阵的列中的放大元件的一部分（例如N个放大元件的列中的P个放大元件）以及串并联矩阵配置矩阵的行中的放大元件的一部分（例如M个放大元件的行中的L个放大元件）。
因此，在回退操作模式中，电流ITS=IMAX/M被每个激活晶体管递送，从而由功率放大器递送的总电流是ITS = Imax·(L/M)。漏极电压被减小到Vdd·P/N，从而电压降VTS = Vdd,max·(P/N)/P = Vdd,max/N被分布在每个晶体管两端。因此，由每个晶体管看到的阻抗等于VTS/ITS = Zload·M/N，并且漏极效率（η）等于：η = Pout/Pdc= Pout/( Vdc·Idc) = Pout/( Vdd,max·Imax /(N·M))。
因此，通过与供电电压Vdd的改变成比例地调整功率放大器电路的激活区（即通过选择性地改变操作为功率放大器矩阵内的放大器的晶体管的数目），鉴于供电电压Vdd的改变，功率放大器的效率保持不变。换言之，功率放大器的效率在回退操作模式中被保持，因为输出功率Pout和DC电流之间的比与DC供电电压比成正比地减小。这允许功率放大器的总效率在宽范围的输出功率上保持恒定。
图3a-3c示出如在此提供的示例性功率放大器的特定实例。图3a示出功率放大器的示意图。图3b和3c显示针对不同输出功率被示出为电流源306（当以放大器模式操作时）、断开的开关/开路310（当以断开的开关模式操作时）、或闭合的开关/短路312（当以导通的开关模式操作时）的功率放大器中的晶体管的框图，其中寄生电容308（例如栅极-源极电容）被显示为与电流源306并联。
将认识到，在此提供的示例性功率放大器是简化的实例，其被示出以更好地解释在此公开的发明构思。因此，本领域普通技术人员将认识到，所示出的功率放大器可以被包括在较大的功率放大器矩阵内，或者所示的晶体管可以对应于一个或多个实际晶体管（例如堆叠的晶体管、共阴共栅晶体管等等）。例如，图3a中的晶体管M1可以对应于多个实际晶体管（例如两个或更多个串联/并联耦合的晶体管），其累积地具有由晶体管M1所代表的特性。
参考图3a，功率放大器300包括处于串并联配置的2×2矩阵的晶体管M1-M4。在所示的实施例中，晶体管M1-M4中的每个具有基本上相等的栅极宽度并且属于相同的类型（例如p型、n型）。在可替换实施例中，晶体管可以具有变化的栅极宽度（例如如图13所示）和/或属于变化的类型。
分开的输入信号RFin1和RFin2在晶体管M1和M2的DC解耦的栅极端子处被连接到功率放大器300。所述分开的RF输入信号根据不同的放大路径来放大，从而允许该矩阵被操作以高效地生成宽范围的输出功率。例如，输入信号RFin1由包含放大晶体管M1和M3的矩阵的列连续地放大（即将功率输出相加），以及输入信号RFin2由包含放大晶体管M2和M4的矩阵的列连续地放大。
DC-DC转换器302被耦合到具有最优输出负载Zopt的公共输出路径。DC-DC转换器302被配置成向晶体管M3和M4的漏极提供相等的供电电压Vdd。
偏置控制器304被配置成生成多个独立的栅极偏置电压Vg1-Vg4，其被施加到晶体管M1-M4的栅极端子，如图中所示（例如Vg1被施加到晶体管M1的栅极，Vg2被施加到晶体管M2的栅极，等等）。将独立的栅极偏置电压Vg1-Vg4施加到分开的晶体管栅极允许分开的晶体管单独地操作为放大器、断开的开关/开路、或者闭合的开关/短路。
如图3b所示，在最大输出功率，晶体管M1-M4被操作为放大器（例如M1和M3放大RFin1并且M2和M4放大RFin2）。特别地，晶体管M3和M4的漏极被偏置为标称供电电压Vdd。施加到晶体管M1和M2的栅极偏置电压具有相等的值（例如Vg1=Vg2），其是根据功率放大器的期望类的操作来选择的。施加到晶体管M3和M4的栅极偏置电压也具有相等的值（例如Vg3=Vg4），其被选择成使得在公共输出路径处的电压摆动在矩阵的列之间被相等地划分。
这样的偏置条件使得晶体管M1和M3生成电流I，并且晶体管M2和M4具有电流I，总输出电流为2I。此外，矩阵的每行经历Vdd/2的电压降（例如，晶体管M1和M2每个都经历Vdd/2的电压降，并且晶体管M3和M4每个都经历Vdd/2的电压降），总电压降为Vdd。这些偏置条件导致总输出功率为Pmax，它是针对恒定的输出负载Zopt（以最优反射系数Гopt达到的）而优化的。
如图3c中所示，在回退操作模式中，晶体管M3和M4的漏极被偏置为减小的供电电压Vdd/2。栅极偏置电压Vg2保持与在最大输出功率（例如图3b）时相同，使得晶体管M2继续操作为放大器。栅极偏置电压Vg4被升高到使得晶体管M4操作为闭合的开关（即短路）的电压值。栅极偏置电压Vg1和/或Vg3被降低到使得晶体管M1和M3操作为断开的开关的电压值。
这样的偏置条件使得晶体管M2和M4具有电流I，并且晶体管M1和M3具有电流0，总输出电流为I。此外，晶体管M2经历Vdd/2的电压降，并且晶体管M4经历0的电压降，总电压降为Vdd/2。这些偏置条件产生最大输出功率的1/4的总输出功率（即Pmax/4）。然而，总体功率放大器电路的效率（即功率放大器的激活区的效率）保持相同，并且晶体管保持以恒定负载阻抗Zopt（以达到以最优反射系数Гopt的输出功率）而优化。
图4a-4b示出示例性功率放大器电路400的一个可替换实施例的示意图。功率放大器电路400包括在位于串联连接的（即堆叠的）晶体管的相邻列上的节点404a和404b之间的电连接402。电连接402使得晶体管M3和M4以并联连接来连接。
在最大输出功率，晶体管M3和M4二者被偏置为等于Vg3的栅极电压，其被选择以具有除这两列晶体管的两端的输出电压的值。相同的栅极偏置电压的使用使得晶体管M3和M4在框406中操作为单个晶体管。晶体管M1和M2可以被偏置为具有相等值的栅极电压（例如Vg1=Vg2），其是根据功率放大器的期望类的操作来选择的。
在回退操作模式中，如图4b所示，最上面的漏极的偏置电压可以被降低到Vdd/2，并且供应到晶体管M3和M4的栅极偏置电压Vg3可以被升高以驱动框406中的晶体管以操作为导通开关（即短路）。晶体管M3和M4的并联连接降低功率放大器电路400中的损耗。
再次参考图4a，供电电压Vdd和一些栅极偏置电压Vgx通过扼流圈408被连接到功率放大器。扼流圈408允许低频（例如DC）信号通过，但是阻挡高频（例如RF）信号。例如，位于晶体管M3和M4的漏极和供电电压源Vdd之间的扼流圈408a允许DC供电电压Vdd自由地流动，同时阻挡经放大的RF信号的流动。
RF输入端RFin1和RFin2通过电容器410被连接到功率放大器。电容器410允许高频RF信号通过，但是阻挡低频（例如DC）信号。例如，位于RF输入端RFin1和晶体管M1的栅极之间的电容器410a允许RF输入信号自由地流动，同时阻挡DC栅极电压Vg1的流动。
图5a-5c示出如在此提供的示例性功率放大器的一个可替换实施例。图5a示出功率放大器电路500的示意图。图5b和5c显示被示出为电流源、断开的开关/开路、或闭合的开关/短路的、图5a中的晶体管的框图。
参考图5a，单个晶体管M2具有耦合到供电电压源Vdd的漏极和连接到并联晶体管MA和MB的源极。晶体管MA和MB每个分别具有单独的RF输入端RFinA和RFinB。在一个实施例中，如下所述，晶体管M2可以具有并联晶体管MA和MB的栅极宽度的两倍的栅极宽度，使得晶体管M2两端的电流的密度与晶体管MA和MB两端的电流的密度相同。
可变调谐电容器Ctune被连接到晶体管M2的栅极。调谐电容器Ctune调节RF信号与供电电压Vdd的耦合，使得供电电压被相等地分布在矩阵的行两端（例如包含M2的行和包含MA和MB的行）。在一个实施例中，调谐电容器Ctune可以包括变容二极管。在一个可替换实施例中，调谐电容器Ctune可以包括在为制造功率放大器电路而选择的技术中可用的标准电容器的可重新配置的组。
图5b示出以最大输出功率操作的功率放大器电路500。如图5b所示，当以最大功率操作时，供电电压被设置为Vdd并且晶体管MA、MB和M2被操作为放大器。晶体管MA和MB每个被配置成具有I/2的电流，并且晶体管M2被配置成具有I的电流，使得总输出电流为I。
图5c示出以6dB回退操作模式操作的功率放大器电路500。如图5c所示，当以回退操作模式操作时，供电电压被减小到Vdd/2，栅极偏置电压Vg2被调整以短路晶体管M2，并且栅极偏置电压VgA被调整以关断晶体管MA。所得到的总输出电流是I/2，即在最大功率时电流的一半。此外，以相同的效率操作的晶体管MB输出最大输出功率的1/4的功率。
图6示出显示处于回退操作模式的图5a的功率放大器电路的寄生元件的框图600。如图6所示，可调谐电容器Ctune可以作为RF信号路径上的旁路电容器被连接在M2的栅极处。在最大输出功率，电容器Ctune可以被调谐以调节RF信号与在晶体管M2的栅极处的栅极偏置电压Vg2的耦合，使得供电电压被相等地分布在矩阵的行两端。
在回退操作模式中，晶体管M2被操作为具有电阻RC的短路（例如处于导通状态的开关），并且晶体管MA被操作为开路（例如处于断开状态的开关）。因为短路和开路的非理想性，所以放大晶体管MB将不以理论上预期的最优阻抗而在功率放大器输出端处被给出，这是由于存在寄生（例如CGD、CGS）。
在这样的实施例中，电容器Ctune操作为RF输出路径（在MB的漏极处）和地之间的旁路电容器。电容器Ctune的电容可以被改变以使寄生电容对处于回退操作模式的放大功率放大器的效率的影响最小化（例如以便改进由晶体管MB看到的反射系数）。换言之，电容器Ctune可以被改变以在不调谐匹配网络602的情况下调谐激活晶体管MB的负载。通过不改变匹配网络602，在最大输出功率处的功率放大器性能不被降低。
图7示出操作功率放大器的示例性方法700的流程图。尽管方法700在下面被示出和描述为一系列动作或事件，但是将认识到，所示出的这样的动作或事件的排序不应在限制性意义上来解释。例如，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与除了在此所示出和/或描述的那些之外的其他动作或事件同时地发生。另外，不是所有所示出的动作都会被需要以实施在此的公开的一个或多个方面或实施例。而且，在此所描绘的动作中的一个或多个可以以一个或多个单独的动作和/或阶段来执行。
此外，要求保护的主题可以被实施为方法、装置或制造品，其使用标准编程和/或工程技术以产生软件、固件、硬件、或其任何组合以控制计算机来实施所公开的主题（例如，图1、2等等所示的电路是可以被用来实施方法700的电路的非限制性实例）。如在此所使用的术语“制造品”意图包括从任何计算机可读器件、载体或介质可访问的计算机程序。当然，本领域技术人员将认识到，在不偏离所要求保护的主题的范围或精神的情况下可以对该配置做出许多修改。
在702，以包含并联列的串并联矩阵配置来连接多个放大元件。更特别地，该串并联矩阵配置包含M个并联列，其中各个列具有以串联连接来连接的N个放大元件。这些列被并联连接到与DC供电电压源耦合的公共输出路径，该DC供电电压源被配置成提供供电电压。
在704，分开的输入信号被提供给每列中第一串联耦合的放大元件的控制端子。因此，分开的输入信号被提供给每列以用于对该列进行操作（例如放大）。在一个实施例中，所述分开的输入信号包括从公共RF输入信号生成的RF输入信号。
在706，可变供电电压被提供给每列中第一串联耦合的放大元件的控制端子。
在708，分开的控制信号被提供给包括在该矩阵内的分开的放大元件的控制端子。例如，分开的控制信号可以被提供给每个放大元件的单独的控制端子。独立控制信号的使用允许通过将放大器元件的子集独立于矩阵中的其他放大元件而操作为放大器来调整功率放大器的激活区。例如，当以最大输出功率操作时，所有放大元件都操作为放大器以放大（一个或多个）输入信号。当以功率减小的、回退操作模式操作时，独立控制信号允许放大元件的子集操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
因此，方法700允许结合功率放大元件的选择性操作来调整可变供电电压以放大输入信号，从而导致在宽范围的输出功率上改进的功率放大器效率。
将认识到，在功率放大器处接收的射频输入信号可以被分成两个或更多个RF输入信号，其被提供给在此提供的功率放大器串并联矩阵配置的分开的列。两个或更多个RF输入信号的使用允许功率放大器矩阵的列被分开地操作以生成经放大的RF输出信号。
例如，单个RF输入可以被划分成两个RF输入。发明人已经认识到，将单个RF输入信号划分成两个或更多个RF输入信号可以以许多种方式来完成。图8a-8c示出可以被用来将一个RF输入信号RFin分成多个RF输入信号（RFinA和RFinB）的电路的三个可能实施例。将认识到，这些实施例是非限制性实施例，并且发明人已经认识到可以达到类似目的的附加实施例。
图8a示出其中节点RFinA、RFinB和RFin被耦合到公共节点的电路。如图8a所示，RF输入信号被馈入节点RFin，该节点RFin被分成将RF信号输出到节点RFinA的第一支路和将RF信号输出到节点RFinB的第二支路。图8b示出包括位于将RF信号输出到节点RFinA的第一支路的开关802的电路的附加实施例。
图8c示出包括功率分配器804的电路的附加实施例，其被用来从被馈入节点RFin的RF输入信号来在节点RFinA和RFinB处生成RF信号。功率分配器将来自节点RFin的RF输入信号接受为输入，并且基于其而输出信号，即在节点RFinA和RFinB处输出的RF信号。在节点RFinA和RFinB处输出的RF信号具有基本上相等的幅度并且在其之间具有高度隔离。
尽管在此所示的实施例已经示出2×2矩阵，但是将认识到，在此公开的基本思想可以被应用于具有更大数目的放大元件的矩阵配置。例如，图9示出具有3×3矩阵的晶体管的功率放大器电路900的另一实施例的示意图，其允许功率放大器电路900以多个回退操作模式来操作。在一个实施例中，晶体管M1-M9具有基本上相等的栅极宽度，使得每行的电流密度基本上相等。该矩阵还包括在矩阵中堆叠的晶体管的列的内部节点之间的互连902a-902c。
在供电Vdd并且在栅极端子偏置为Vg3、Vg2=Vg2’、Vg1=Vg1’=Vg1”的情况下实现功率放大器的最大输出功率，这使得所有晶体管充当放大器并且相等地划分在并串联矩阵的行两端的输出电压。可以通过将供电电压降低到Vdd·2/3并且通过升高Vg3以将晶体管M7、M8和M9切换为导通开关来实现具有3.5dB回退的第一回退操作模式。栅极偏置Vg2和/或Vg1可以被降低以便关断支路M4-M1。可以通过进一步将最上面的漏极偏置降低到Vdd\3，通过经由作用于栅极偏置电压Vg2’而接通晶体管M5和M6，并且通过关断晶体管M2，可以实现具有9.5dB回退的第二回退操作模式。
将认识到，在可替换实施例中可以改变堆叠的晶体管之间的互连的位置。正如本领域普通技术人员将认识到的那样，对于互连的这种改变将不影响在此公开的功率放大器的构思功能，但是可以出于设计原因而被利用。
例如，图10a示出具有晶体管矩阵的内部节点之间的互连1002的功率放大器电路1000的示意图的一个可替换实施例。图10b-10d在视觉上例示了不同操作模式。
如图10b所示，功率放大器电路1000使用Vg1＝Vg2＝Vg3、Vg4＝Vg5＝Vg6和Vg7＝Vg8＝Vg9的栅极偏置配置来实现针对供电电压Vdd的最大输出功率。这样的栅极偏置使得功率放大器电路1000的所有级放大以及生成在并串联矩阵的行两端被相等地划分的输出电压。所得到的输出功率是最大输出功率。
如图10c所示，可以通过将供电电压降低到（2*Vdd)/3并且通过将栅极偏置电压Vg4、Vg5和Vg6升高到将晶体管M4、M5和M6切换到导通状态（即到短路）的值来实现第一回退操作模式。栅极偏置电压Vg3和Vg9被降低以便关断晶体管M3和M9（即到开路）。这种第一回退操作模式的所得到的输出功率将是最大输出功率的4/9（即3.5dB回退）。
如图10c所示，可以通过进一步将供电电压降低到Vdd/3并且通过进一步调整栅极偏置电压Vg7、Vg8和Vg9以接通晶体管M7、M8和M9以及降低栅极偏置电压Vg1以关断晶体管M1来实现第二回退操作模式。这种第二回退操作模式的所得到的输出功率将是最大输出功率的1/9（即9.5dB回退）。
图11a-11d示出功率放大器的另一可替换实施例。图11a示出功率放大器电路1100的示意图。图11b-11d显示被示出为电流源、断开的开关、或短路的、晶体管的框图。
如图11a所示，单个晶体管M6（其具有等于图9中的晶体管M7-M9的栅极宽度的总和的栅极宽度）具有耦合到供电电压Vdd的漏极和耦合到两个并联晶体管M4和M5的源极。在一个实施例中，晶体管M4和M5的累积栅极宽度等于晶体管M6的栅极宽度。晶体管M4具有耦合到晶体管M1的源极。在一个实施例中，晶体管M1和M4具有相等的栅极宽度。晶体管M5具有耦合到并联晶体管M2和M3的源极。在一个实施例中，晶体管M2和M3的累积栅极宽度等于晶体管M5的栅极宽度。
在图11b中用图形表示对应于最大输出功率的操作模式，其中矩阵中的所有晶体管是放大的。
可以通过将供电电压降低到（2*Vdd)/3并且通过将Vg6升高到将晶体管M6切换到导通状态（即M6充当短路）的电压值来实现第一回退操作模式。栅极偏置Vg1和/或Vg4被降低以便关断晶体管M1和M4。这种第一回退操作模式的所得到的输出功率将是最大功率的4/9（即3.5dB回退）。
通过进一步将供电电压降低到Vdd/3并且通过改变栅极偏置Vg5以接通晶体管M5以及通过改变栅极偏置Vg2从而关断晶体管M2来实现第二回退操作模式。这种第二回退模式的输出功率将是最大输出功率的1/9（即9.5dB回退）。
图12示出如在此提供的示例性功率放大器电路1200的一个可替换实施例。图12的功率放大器电路1200利用共阴共栅放大器来代替在先前实施例中示出的晶体管。例如，图12示出包括两个晶体管的共阴共栅放大器1202，其中一个操作为公共源极并且另一个操作为公共栅极。
在一个实施例中，共阴共栅放大器1202a包括两个堆叠的晶体管M6和M5，它们可以具有相同的宽度。共阴共栅放大器1202a的源极被耦合到并联连接的两个共阴共栅放大器1202b和1202c。共阴共栅放大器1202b包括晶体管M1和M2，它们可以具有晶体管M5和M6的栅极宽度的一半的栅极宽度。共阴共栅放大器1202b包括晶体管M3和M4，它们可以具有晶体管M5和M6的栅极宽度的一半的栅极宽度。在一个可替换实施例中，共阴共栅放大器1202b和1202c可以具有基本上等于共阴共栅放大器1202a的栅极宽度的不相等的栅极宽度。在另一可替换实施例中，共阴共栅放大器1202b和1202c可以具有不等于（例如宽于）共阴共栅放大器1202a的栅极宽度的总栅极宽度。
阻塞电容器C6、C2和C4被相应地设计以达到共阴共栅放大器关于增益、输出功率和效率方面的需求。偏置由受控的偏置框来提供。电容器Ctune平衡在行两端（例如M6、M5和M2以及M4、M1和M3）的最上面的漏极处的RF摆动，并且也可以被实现为变容二极管或者被实现为在被选择用于制造电路的技术中可用的标准电容器的动态可重新配置的组。
图13示出如在此提供的示例性功率放大器电路1300的一个可替换实施例。图13设计的功率放大器电路1300是从图12的实施例中通过将晶体管M5和M3划分成具有不同栅极节点的两个并联晶体管（分别是图13中的M6-M7和M2-M3）而导出的。
功率放大器电路1300可以以最大输出功率并且以各种回退电平操作模式来操作，如下面在表1中所总结的那样。  
Figure 671902DEST_PATH_IMAGE001
表1：功率放大器电路1300的操作模式。
为了确保每个晶体管上的电流密度保持不变而不管回退模式如何，晶体管M1、M3、M4和M6可以被选择以具有相同的宽度，晶体管M2可以被选择以具有M1的宽度的两倍的宽度，晶体管M5和M7可以被选择以具有M1的宽度的三倍的宽度，并且晶体管M8可以被选择以具有M1的宽度的四倍的宽度。在图13中示出关于参考晶体管M1的宽度w而被标准化的宽度。
晶体管M1、M2和M3的栅极是DC解耦的。RF输入信号被输入到功率放大器以作为在晶体管M1、M2和M3的栅极端子处的RFin1、RFin2和RFin3。阻塞电容器C4、C5和C8以及调谐电容器C6和C7可以包括变容二极管或者在被选择用于制造电路的技术中可用的可切换标准电容器的组。
图14示出显示作为回退（以dB计）的函数的功率放大器（类似于图13中示出的功率放大器）的效率的测量的图1400，其中输出负载被保持在针对最大输出功率而优化的值。回退沿着x轴从在最大输出功率处的0dB延伸到近似-25dB。虚线1402显示所有放大元件都作为放大器来操作的（例如以最大输出功率）的功率放大器的效率。如图1400所示，虚线1402的效率随着提供给顶部的共阴共栅放大器的漏极的供电电压被降低而减小。
实线1404显示其中最上面的共阴共栅放大器被切换到短路并且底部共阴共栅放大器之一被关断（例如处于回退操作模式，其具有的激活区为最大输出功率的激活区的1/3）的功率放大器的效率。如图1400所示，在近似-7dB的回退处，回退操作模式1404的效率改进为超过最大输出功率1402。因此，图1400示出，当放大元件的子集操作为放大器并且剩余放大元件操作为非放大元件时，回退操作模式在高回退处（低输出功率）实现较大的效率。因此，所公开的功率放大器电路（其被配置成以最大输出功率和以回退操作模式这二者来操作）可以在宽范围的输出功率上处于高效率。
图1400还示出使用回退操作模式实现的对DC-DC转换器（例如对应于DC-DC转换器302）的效率的改进。如图14所示，为了达到某一输出功率，相对于完全地接通的结构，部分关断的解决方案需要较高的最上面的漏极电压。例如，对于回退模式1404，在2V的功率处实现-7dB的回退，而对于以最大输出功率1402操作的功率放大器，在近似1.6V的较低功率处实现-7dB的回退。因为DC-DC转换器的效率连同所产生的电压一起下降，所以使用回退操作模式改进了功率放大器的总效率。
尽管已经相对于一个或多个实施示出并描述了本发明，但是在不偏离所附权利要求书的精神和范围的情况下可以对所示的实例做出改变和/或修改。例如，尽管功率放大器矩阵已经常常被描述为2×2或3×3矩阵的晶体管，但是将认识到，在此公开的构思可以被应用于任何大小的矩阵的晶体管。此外，在附加实施例中，所公开的功率放大器可以被应用于多级功率放大器的一个或多个级。
此外，功率放大器的操作的类不是对这里给出的本发明的限制性应用。本领域普通技术人员将认识到，操作的任何类（例如A、A/B等等）可以实施根据这里描述的硬件的放大级。此外，即使附图示出了包括n-mos晶体管的功率放大器，但是本领域技术人员将认识到，在此给出的思想可以被实施为n-mos晶体管、p-mos晶体管、或其组合的矩阵。
特别关于由上述的部件或结构（组件、器件、电路、系统等等）执行的各种功能，用来描述这样的部件的术语（包括对“装置”的提及）意图对应于（除非另有所示）执行所述的部件的规定的功能的任何部件或结构（例如其在功能上是等同的），即使在结构上不等同于执行在此示出的本发明的示例性实施中的功能的所公开的结构。另外，虽然可能已相对于几个实施中的仅仅一个公开了本发明的特定特征，但是如可能对于任何给定的或特定的应用所期望的并且有利的那样，这样的特征可以与其他实施的一个或多个其他特征进行组合。此外，就在详述和权利要求书中使用术语“包括”、“包括”、“具有”、“具有”、“具有”、或其变体的程度而言，这样的术语意图以与类似于术语“包括”的方式而为包含性的。

Claims (20)

1. 一种功率放大器电路，包括：
多个放大元件，其被布置成包含行和耦合到公共输出路径的并联列的串并联矩阵配置，
其中各个并联列包括以串联连接来连接的所述多个放大元件中的两个或更多，
其中所述放大元件分别包括控制端子，其被配置成接收允许放大元件被独立地操作的独立控制信号，使得在功率减小的、回退操作模式中，所述多个放大元件的子集能够被激活以操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
2. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中，所述多个放大元件的所述子集包括所述并联列的至少一列中的放大元件的一部分和所述行的至少一行中的放大元件的一部分。
3. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，还包括供电电压源，其被耦合到所述公共输出路径，并且被配置成向所述串联连接中的最后一个放大元件的输出端子提供可变供电电压。
4. 根据权利要求3所述的功率放大器电路，还包括：
偏置控制器，其被配置成选择性地将独立控制信号提供给所述多个放大元件的控制端子，其中所述独立控制信号使得相应的放大元件操作为放大器、断开的开关、或闭合的开关。
5. 根据权利要求4所述的功率放大器电路，其中，所述偏置控制器被配置成基于所述可变供电电压的值来调整操作为放大器的放大元件的数目，使得所述供电电压的变化与功率放大器输出功率和功率放大器输出电流的变化成比例。
6. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中，所述并联列的串联连接中的第一放大元件的控制端子被配置成接收分开的RF输入信号，所述分开的RF输入信号根据所述功率放大器的不同放大路径来放大。
7. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，还包括：
在相邻并联列的串联连接中的放大元件之间的电连接。
8. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中所述列的至少一列包括：
第一晶体管，其具有被配置成接收第一射频输入信号的栅极端子，所述第一晶体管与第二晶体管并联连接，所述第二晶体管具有被配置成接收第二射频输入信号的栅极端子；以及
第三晶体管，其具有耦合到所述第一和第二晶体管的漏极的源极；
其中所述第一和第二晶体管具有所述第三晶体管的栅极宽度的一半的栅极宽度。
9. 根据权利要求8所述的功率放大器电路，还包括调谐电容器，其被耦合到所述第三晶体管的栅极端子，并且被配置成当在所述功率减小的、回退操作模式期间作为放大器时调整所述第一或第二晶体管所看到的输出阻抗。
10. 根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中，并联列包括：
第一共阴共栅放大器，其被配置成接收第一射频输入信号，所述第一共阴共栅放大器与第二共阴共栅放大器并联连接，所述第二共阴共栅放大器被配置成接收第二射频输入信号，其中所述第一和第二共阴共栅放大器包括堆叠的晶体管；以及
第三共阴共栅放大器，其具有耦合到所述第一和第二共阴共栅放大器的漏极的源极。
11. 一种功率放大器，包括：
多个晶体管器件，其被布置成包括并联列的串并联矩阵配置，所述并联列具有耦合到公共输出路径的串联连接的晶体管器件，其中：
   所述晶体管器件分别包括被配置成接收独立栅极偏置电压的栅极端子，所述独立栅极偏置电压控制所述晶体管的源极和漏极之间电流的流动；
   所述并联列的第一串联连接的晶体管的栅极端子被配置成还接收分开的RF输入信号；
供电电压源，其被耦合到所述公共输出路径，并且被配置成将可变供电电压提供给所述串联连接中的最后一个晶体管器件的漏极端子；以及
偏置控制器，其被配置成选择性地将所述独立栅极偏置电压提供给所述多个晶体管器件的栅极端子，其中所述独立栅极偏置电压使得相应的晶体管器件操作为放大器、断开的开关、或闭合的开关，
其中在功率减小的、回退操作模式中，所述多个晶体管器件的子集被激活以操作为放大器，而剩余的晶体管器件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
12. 根据权利要求11所述的功率放大器，其中，所述子集包括所述并联列的至少一列中的晶体管器件的一部分和所述串并联矩阵的至少一行中的晶体管器件的一部分。
13. 根据权利要求11所述的功率放大器，还包括：
在相邻并联列的串联连接中的晶体管器件之间的电连接。
14. 根据权利要求11所述的功率放大器，其中，所述分开的RF输入信号根据所述功率放大器的不同放大路径来放大。
15. 一种用于操作功率放大器的方法，包括：
连接处于包括串联连接的放大元件的并联列的串并联矩阵配置的多个放大器；
将可变供电电压提供给最后一个串联连接的放大元件；以及
将独立控制信号提供给分开的放大元件的控制端子，使得所述多个放大元件的子集能够被激活以操作为放大器，而剩余的放大元件操作为基本上不消耗功率的非放大器。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括：
将分开的输入信号提供给所述并联列的最后一个放大元件的控制端子。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述控制信号将相应的放大元件操作为短路、放大器、或开路。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，在最大输出功率，所述多个放大元件被配置成操作为放大器。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中，在回退操作模式中，所述多个放大元件的子集被配置成操作为放大器，而所述多个放大元件中的剩余放大元件被配置成操作为短路或开路。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述子集包括至少一个所述并联列中的放大元件的一部分和所述串并联矩阵的至少一行中的放大元件的一部分。
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