CN103999359A - 毫米波功率放大器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种毫米波功率放大器。在示例性实施例中，MM波功率放大器(300)包括耦合在一起以接收MM波输入信号并产生经放大的MM波输出信号的多个放大器级(302、304、306、308)，以及跨各放大器级(302、304、306、308)耦合的一个或多个反馈元件(310、312)，每一反馈元件(310、312)跨奇数个放大器级(302、304、306、308)耦合以增加功率放大器(300)的工作带宽。

Description

毫米波功率放大器
背景技术
领域
本申请一般涉及放大器的操作和设计，更具体而言涉及被配置成以毫米(MM)波频率操作的功率放大器。
背景
越来越需要使得移动设备能够进行高质量传输和接收。达成高质量的一个关键与功率放大器的性能相关联。例如，在移动设备中具有能以毫米波长范围内的频率(这是在30到300吉赫兹范围内的极高频率)操作的高性能功率放大器是合需的。这一高频带具有10毫米到1毫米的波长。
以这样的频率操作需要大带宽(通常大于8GHz)功率放大器(PA)。然而，常规的开环设计无法同时达成大带宽、高线性度以及低功率。因此，具有供在移动设备中使用的小尺寸且低成本的MM波功率放大器是合需的。
附图简述
通过参照以下结合附图考虑的描述，本文中所描述的以上方面将变得更易于明了，在附图中：
图1示出了MM波功率放大器的示例性模型；
图2示出了MM波PA的示例性实施例；
图3示出了MM波PA的示例性实施例；
图4示出了解说MM波功率放大器的替换配置的示例性框图；以及
图5示出了MM波功率放大器设备的示例性实施例。
详细描述
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对本发明的示例性实施例的描述，而非旨在代表可在其中实践本发明的仅有实施例。贯穿本描述使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或解说”，并且不应一定解释成优于或胜于其它示例性实施例。本详细描述包括具体细节以提供对本发明的示例性实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明的示例性实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性实施例的新颖性。
在本文中公开的示例性实施例提供了达成大带宽(约25GHz)、良好线性度以及低功耗的MM波功率放大器。例如，所公开的功率放大器利用具有弱负反馈的多级架构来达成具有高增益的大带宽。在示例性实施例中，交织式双反馈环路被用来提供相对于常规系统的带宽改进。
图1示出了MM波功率放大器100的示例性模型。放大器100包括通过反馈元件106耦合到第二级104的第一级102。在示例性实施例中，电阻器被用作反馈元件106。然而，反馈元件106也可包括其它组件，如电容器或电感器。
第一级102包括基于输入电压来生成电流且具有值(gm1*Vin)的电流源108。电流源108的第一端子连接至电阻器(Rp1)110的第一端子，这导致中间电压Vx。电流源108的第二端子连接至接地。电阻器110也具有连接至接地的第二端子。
第二级104包括基于中间电压Vx来生成电流且具有值(gm2*Vx)的电流源112。电流源112的第一端子连接至电阻器(Rp2)114的第一端子，这导致输出电压Vo。电流源112的第二端子连接至接地。电阻器114也具有连接至接地的第二端子。
反馈元件106连接在电阻器110的第一端子和电阻器114的第一端子之间。MM波功率放大器100的模型可被用来确定作为输出电压Vo和输入电压Vin之间的关系的增益。如果RP2包括LC储能电路，则增益可表达如下。
v o v in = - g m 1 R p 1 g m 2 - 1 R F 1 jωL + jωC + 1 R P 2 + 1 R F ≈ g m 1 R p 1 g m 2 - 1 R F j 2 CΔω + 1 R P 2 + 1 R F - - - ( 1 )
当反馈电阻器106的值增加到无穷大时，增益(Vo/Vin)接近[-gm1*Rp1*gm2*Rp2]。因此，根据等式(1)，因数[1/RF]起到减小放大器的增益但还增加带宽的作用。例如，放大器的带宽(BW)可表达如下。
BW ≈ 1 R P 2 + 1 R F C - - - ( 2 )
因此，如果RF为无穷大(这意味着无反馈)，则BW＝(1/RP2/C)。如果RF从无穷大起减小，则BW增加。图1中所示模型的特性被用在下面示出的MM波功率放大器的示例性实施例中。
图2示出了MM波PA 200的示例性实施例。PA 200包括通过微带线(MSL)耦合在一起的四级202、204、206和208。PA 200还包括包含反馈网络210的单条反馈路径。在示例性实施例中，电阻器被用作反馈网络；但是，该反馈网络也可包括其它组件，如电容器或电感器。反馈网络210耦合在第四级的输出和第二级的输入之间。在示例性实施例中，反馈网络210围绕奇数个级耦合。
在示例性实施例中，MM波PA 200提供包括共平面波导(CPW)212和214的输入匹配网络。CPW 212耦合至接地并因此为PA输入提供静电放电(ESD)保护。在示例性实施例中，MM波PA 200包括输出匹配网络，该输出匹配网络包括耦合在输出和接地之间的MSL 216。MSL 216还为PA输出提供ESD保护。在示例性实施例中，CPW 212、214和MSL 216可包括电感器。
图3示出了MM波PA 300的示例性实施例。PA 300包括通过MSL耦合在一起的四级302、304、306和308。PA 300包括交织式双反馈路径，该交织式双反馈路径包括第一反馈网络310和第二反馈网络312。在示例性实施例中，反馈网络包括电阻器，但是也可使用其它组件。
第一反馈网络310耦合在第四级的输出和第一级的输出之间。在示例性实施例中，反馈网络310包括可变电阻器314和控制器316。控制器316用于设置可变电阻器314的值以获得放大器300的所选工作带宽。在示例性实施例中，控制器包括被配置成设置可变电阻器314的电阻值以达成放大器300的所选工作带宽的CPU、处理器、门阵列或其它硬件组件。
第二反馈网络312耦合在第三级的输出和第一级的输入之间。第二反馈网络312包括固定电阻器，但是在其它实现中，第二反馈网络312也可包括如由反馈网络310提供的可变电阻器和控制器。无源反馈组件的使用提供了直接来自PA输出(即，级308的输出)的弱负反馈。在示例性实施例中，反馈网络是电阻器，其值被选取成提供小于0dB的环路增益。然而，反馈网络可包括可变电阻器或其它组件。
在操作期间，MM波PA的各种实施例提供相对于常规电路的带宽改进。例如，在一种情形中，无反馈的常规电路提供6.1GHz的带宽，如在本文中所公开的带有一条反馈路径的MM波PA提供12.2GHz的带宽，这相对于常规电路增加了100％。在又一情形中，如在本文中所公开的带有交织式双反馈路径的MM波PA提供大于17.2GHz的带宽，这相对于常规电路增加了182％。因此，如在本文中公开的弱负反馈可与包括多级的MM波PA联用，其中每一反馈路径围绕奇数个级耦合。
在示例性实施例中，MM波PA300提供包括CPW 318和320的输入匹配网络。CPW 318耦合至接地并因此为PA输入提供ESD保护。在示例性实施例中，MM波PA300包括输出匹配网络，该输出匹配网络包括耦合在输出和接地之间的MSL 322。MSL 322还为PA输出提供ESD保护。在示例性实施例中，CPW 318、320和MSL 322可包括电感器。
图4示出了解说MM波PA的替换配置的示例性框图400。在402处示出的MM波PA的第一示例性实施例中，使用五个放大器级(1-5)。示出了双交织式反馈配置，其中第一反馈元件(FB1)耦合在第五级的输出和第三级的输入之间。第二反馈元件(FB2)耦合在第四级的输出和第二级的输入之间。反馈元件可以是固定电阻器、带控制器的可变电阻器，或者包括其它组件。因此，使用两个反馈元件并且每一反馈元件围绕奇数个级耦合以根据图1的模型提供改进的带宽。
在404处示出的MM波PA的第二实施例中，使用六个放大器级。示出了三交织式反馈配置，其中第一反馈元件(FB1)耦合在第六级的输出和第四级的输入之间。第二反馈元件(FB2)耦合在第五级的输出和第三级的输入之间。第三反馈元件(FB3)耦合在第四级的输出和第二级的输入之间。这些反馈元件可以是固定电阻器、带控制器的可变电阻器，或者包括其它组件。
在替换的示例性实施例中，如果引入了所选相移量，则可围绕偶数个级来耦合反馈。例如，如果反馈路径中提供了所选相移量，则包括围绕奇数个级耦合的电阻器的反馈路径可被重新配置成围绕偶数个级耦合。例如，LC储能电路可被用来提供期望的相移。因此，有可能具有使用既围绕偶数个级又围绕奇数个级耦合的反馈路径的交织式反馈配置。
在406处示出的MM波PA的第三实施例中，使用六个放大器级。示出了双交织式反馈配置，其中第一反馈元件(FB1)耦合在第六级的输出和第四级的输入之间。第二反馈元件(FB2)耦合在第四级的输出和第三级的输入之间。这意味着第二反馈元件(FB2)围绕偶数个级耦合。在示例性实施例中，提供移相器(PS)以在第二反馈路径中引入所选相移量。所引入的相移量将补偿围绕偶数个级耦合的反馈路径。因此，相移将导致第二反馈元件(FB2)具有如同根据本文中所公开的实施例围绕奇数个级耦合的效果。
因此，在各种示例性实施例中，如在本文中所述的弱负反馈可在多级MM波放大器中使用以增加放大器的带宽。每一反馈元件围绕奇数个级耦合以改进放大器的带宽。在示例性实施例中，如果在反馈路径中引入了适宜的相移，则反馈元件可围绕偶数个级耦合。
图5示出了MM波功率放大器设备500的示例性实施例。例如，设备500适于用作图3中所示的MM波PA300。在一方面，设备500由被配置成提供如本文中所描述的功能的一个或多个模块来实现。例如，在一方面，每个模块包括硬件和/或执行软件的硬件。
设备500包括第一模块，该第一模块包括用于使用耦合在一起的多个放大器级来放大MM波输入信号以产生经放大的MM波输出信号的装置(502)，该第一模块在一方面包括放大器300。
设备500还包括第二模块，该第二模块包括用于提供跨各放大器级耦合的一个或多个反馈元件的装置(504)，每一反馈网络跨奇数个放大器级耦合以增加放大器设备500的工作带宽，该第二模块在一方面包括反馈元件310和312。
本领域技术人员将理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何一种来表示或处理。例如，以上描述通篇可能引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。还应注意晶体管的类型和技术可被替换、重新安排或以其他方式修改以达成相同的结果。例如，可以把示为利用PMOS晶体管的电路修改为使用NMOS晶体管，反之亦然。由此，本文中所公开的放大器可以使用各种晶体管类型和技术来实现，并且不受限于附图中所示的这些晶体管类型和技术。例如，可以使用诸如BJT、GaAs、MOSFET之类的晶体管类型或任何其他的晶体管技术。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法步骤可被实现为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、块、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实现所描述的功能性，但此类实现决策不应被解读为致使脱离本发明的示例性实施例的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑块、模块、和电路可用设计成执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或更多个微处理器或任何其它此类配置。
结合本文所公开的实施例描述的方法或算法的各个步骤可直接用硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合来实现。软件模块可驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦式可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质被耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读和写信息。替换地，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。替换地，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括非瞬态计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地到另一地的转移的任何介质。非瞬态存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供了对所公开的示例性实施例的描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本发明。对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可被应用于其他实施例而不会脱离本发明的精神或范围。因此，本发明并非意在被限定于本文中所示出的示例性实施例，而是应当被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
耦合在一起以接收MM波输入信号并产生经放大的MM波输出信号的多个放大器级；以及
跨所述放大器级耦合的一个或多个反馈元件，每一反馈元件跨奇数个放大器级耦合以增加工作带宽。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个反馈元件被选择成提供小于零的环路增益。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一反馈元件包括固定电阻器，所述固定电阻器具有被设置成达成期望工作带宽的电阻值。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一反馈元件包括可变电阻器，所述可变电阻器具有被设置成达成期望工作带宽的电阻值。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个反馈元件包括固定电阻器且至少第二反馈元件包括可变电阻器，所述固定电阻器和所述可变电阻器具有被设置成达成期望工作带宽的电阻值。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个放大器级包括四个放大器级并且所述一个或多个反馈元件包括交织式双反馈，所述交织式双反馈具有耦合在第四级的输出与第二级的输入之间的第一反馈网络和耦合在第三级的输出与第一级的输入之间的第二反馈网络。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一反馈元件和所述第二反馈元件被选择成提供小于零的环路增益。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一反馈元件和所述第二反馈元件包括固定电阻器，所述固定电阻器具有被设置成达成期望工作带宽的电阻值。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括输入匹配网络，所述输入匹配网络包括将至少一个放大器级的输入耦合至接地以提供静电放电(ESD)保护的共平面波导(CPW)。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括输出匹配网络，所述输出匹配网络包括将至少一个放大器级的输出耦合至接地以提供ESD保护的微带线(MSL)。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
跨偶数个放大器级耦合的所选反馈元件；以及
耦合在所选反馈元件与所选放大器级之间的移相器，所述移相器被配置成引入所选相移量以致使所选反馈元件如同围绕所选奇数个放大器级耦合那样起作用。
12.一种设备，包括：
用于使用耦合在一起的多个放大器级来放大MM波输入信号以产生经放大的MM波输出信号的装置；以及
用于提供跨所述放大器级耦合的一个或多个反馈元件的装置，每一反馈元件跨奇数个放大器级耦合以增加工作带宽。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于提供的装置包括用于提供所述一个或多个反馈元件以提供小于零的环路增益的装置。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于提供的装置包括用于提供具有被设置成达成期望工作带宽的电阻值的每一反馈元件的装置。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于提供的装置包括用于提供具有被设置成达成期望工作带宽的可变电阻值的每一反馈元件的装置。
16.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于提供的装置包括用于提供包括固定电阻的至少一个反馈元件以及包括可变电阻的至少第二反馈元件的装置，所述固定电阻和所述可变电阻被设置成达成期望工作带宽。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于放大的装置包括用于使用四个放大器级和交织式双反馈来放大的装置，所述交织式双反馈具有耦合在第四级的输出与第二级的输入之间的第一反馈网络和耦合在第三级的输出与第一级的输入之间的第二反馈网络。
18.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括提供静电放电(ESD)保护的用于输入匹配的装置。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括提供ESD保护的用于输出匹配的装置。
20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括：
用于提供跨偶数个放大器级耦合的所选反馈元件的装置；以及
耦合在所选反馈元件与所选放大器级之间的用于移相的装置，所述用于移相的装置被配置成引入所选相移量以致使所选反馈元件如同围绕所选奇数个放大器级耦合那样起作用。
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