CN104682884B - 用于功率放大器中的相位补偿的装置和方法 - Google Patents

用于功率放大器中的相位补偿的装置和方法 Download PDF

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Abstract

这里公开了用于功率放大器中的相位补偿的装置和方法。在某些实施方式中，功率放大器包括输入级、输出级、包络跟踪器和补偿电路。所述输入和输出级被级联，并放大输入RF信号以产生放大的输出RF信号。所述包络跟踪器基于所述输入RF信号的包络产生至少用于所述输出级的功率放大器电源电压。所述补偿电路补偿所述输出级的输入阻抗的改变，所述改变与所述功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。通过包含所述补偿电路，与输入功率相对的所述功率放大器的相位延迟的变化可被减小，从而导致所述功率放大器的相位失真(AM/PM)的改善。

Description

用于功率放大器中的相位补偿的装置和方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子系统，并且具体涉及用于射频(RF)电子设备的功率放大器。
背景技术
功率放大器可以被包括在移动设备中以放大用于经由天线发送的射频(RF)信号。例如，在具有例如在全球移动通信系统(GSM)中发现的时分多址(TDMA)架构、码分多址(CDMA)和宽带码分多址(W-CDMA)系统的移动设备中，功率放大器可以用于放大具有相对低功率的RF信号。管理RF信号的放大可能是重要的，因为希望的发送功率电平可以取决于用户离基站多远和/或移动环境。还可以采用功率放大器以帮助随时间调整RF信号的功率电平，以便在分配的接收时隙期间防止来自发送的信号干扰。
功率放大器的功率消耗可以是重要的考虑。一种用于减少功率放大器的功率消耗的技术是包络跟踪，其中关于RF信号的包络控制功率放大器的电源的电压电平。因此，当RF信号的包络增大时，可以增大供应给功率放大器的电压。同样，当RF信号的包络减小时，可以减小供应给功率放大器的电压以减少功率消耗。
发明内容
在某些实施例中，本公开涉及在功率放大器系统中的相位补偿的方法。该方法包括利用功率放大器的第一放大级放大输入射频(RF)信号以产生第一放大RF信号，利用包络跟踪器产生功率放大器电源电压(supply voltage)，利用该包络跟踪器基于该输入RF信号的包络控制功率放大器电源电压的电压电平，利用来自包络跟踪器的功率放大器电源电压为功率放大器的第二放大级供电，利用第二放大级放大第一放大RF信号以产生第二放大信号，以及利用补偿电路补偿第二放大级的输入阻抗的变化，该变化与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
在一些实施例中，该方法进一步包括利用补偿电路提供在第一和第二放大级之间的、在大约60Ω到大约70Ω范围内的匹配阻抗。
在多个实施例中，放大第一放大RF信号以产生第二放大信号包括在双极型晶体管的基极接收第一放大RF信号，在该双极型晶体管的集电极产生第二放大RF信号。在各种实施例中，该方法进一步包括利用补偿电路补偿在双极型晶体管的基极和集电极之间的寄生电容的变化，该变化与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
根据若干实施例，该方法进一步包括利用收发器产生RF信号和该RF信号的包络。
在某些实施例中，本公开涉及功率放大器系统。该功率放大器系统包括第一功率放大器级，该第一功率放大器级包含被配置为接收输入RF信号的输入端和被配置为产生第一放大RF信号的输出端。功率放大器系统进一步包括包络跟踪器，该包络跟踪器被配置为产生功率放大器电源电压，并基于输入RF信号的包络控制功率放大器电源电压的电压电平。功率放大器系统进一步包含第二功率放大器级，该第二功率放大器级包括被配置为接收第一放大RF信号的输入端和被配置为产生第二放大RF信号的输出端。该第二功率放大器级被配置为由来自于包络跟踪器的功率放大器电源电压供电。功率放大器系统进一步包括电连接在第一功率放大器级的输出端与第二功率放大器级的输入端之间的补偿电路。该补偿电路被配置为补偿第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该变化与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
在一些实施例中，补偿电路被配置为提供在第一和第二功率放大器级之间的、在大约60Ω到大约70Ω的范围内的匹配阻抗。
在各个实施例中，第二功率放大器级包括双极型晶体管，该双极型晶体管包含被配置为接收第一放大RF信号的基极和被配置为产生第二放大RF信号的集电极。根据若干实施例，补偿电路被配置为补偿双极型晶体管的基极和集电极之间的寄生电容的变化，该变化与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
在某些实施例中，补偿电路包括电连接在第二功率放大器级的输入端和第一功率放大器级的输出端之间的第一补偿电容器。
在若干实施例中，补偿电路进一步包括电连接在第一功率放大器级的输出端与输入级电源之间的第一补偿电感器。根据多个实施例，补偿电路进一步包括电连接在第一补偿电感器和输入级电源之间的第二补偿电感器，并且第一和第二补偿电容器电连接在第一节点处。在各个实施例中，补偿电路进一步包括串联电连接在第一节点和低电源(powerlow supply)之间的第三补偿电感器和第二补偿电感器。
根据一些实施例，功率放大器系统进一步包括被配置为向第二功率放大器级的输入端提供偏置电流的输出级偏置电流产生电路。在几个实施例中，补偿电路进一步包括偏置电感器，该偏置电感器被配置为向第二功率放大器级的输入端提供来自于输出级偏置电流产生电路的偏置电流，并且该偏置电感器被配置为向输出级偏置电流产生电路提供第一放大RF信号的一部分，以提供相位补偿。
在某些实施例中，本公开涉及移动设备。该移动设备包括被配置为产生RF信号以及对应于该RF信号的包络的包络信号的收发器、被配置为产生功率放大器电源电压并基于该包络信号控制功率放大器电源电压的电压电平的包络跟踪器、以及包含第一功率放大器级和第二功率放大器级的多个功率放大器级。该第一功率放大器级包括被配置为接收该RF信号的输入端和被配置为产生第一放大RF信号的输出端。该第二功率放大器级包括被配置为接收该第一放大RF信号的输入端和被配置为产生第二放大RF信号的输出端，并且该第二功率放大器级进一步被配置为由来自于该包络跟踪器的功率放大器电源电压供电。该移动设备进一步包括电连接在该第一功率放大器级的输出端与该第二功率放大器级的输入端之间的补偿电路。该补偿电路被配置为补偿该第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该变化与该功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
在一些实施例中，该补偿电路被配置为提供在该第一和第二功率放大器级之间的、在大约60Ω到大约70Ω的范围内的匹配阻抗。
在多个实施例中，该第二功率放大器级包括双极型晶体管，该双极型晶体管包括被配置为接收该第一放大RF信号的基极以及被配置为产生该第二放大RF信号的集电极。在各个实施例中，该补偿电路被配置为补偿该双极型晶体管的基极与集电极之间的寄生电容的变化，该变化与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
在一些实施例中，该收发器包括用于将包络信号整形以控制与该包络跟踪器相关联的增益压缩的包络整形块。
附图说明
图1是用于放大射频(RF)信号的功率放大器模块的示意图。
图2是可包括图1的一个或多个功率放大器模块的示例无线设备的示意方框图。
图3是包含包络跟踪器的功率放大器系统的一个示例的示意方框图。
图4A和4B是示出与时间相对的功率放大器电源电压的两个示例的曲线图。
图5是包含包络跟踪器的功率放大器系统的一个实施例的电路图。
图6是包含包络跟踪器的功率放大器系统的另一个实施例的电路图。
图7是包含包络跟踪器的功率放大器系统的另一个实施例的电路图。
图8A和8B是与输出功率相对的阻抗的实部和虚部的一个示例的曲线图。
图9A和9B是与输出功率相对的阻抗的实部和虚部的另一个示例的曲线图。
图10A和10B是示出与输出功率相对的AM/PM的两个示例的曲线图。
具体实施方式
这里提供的标题(若有)仅为了方便，而不一定影响所要求保护的发明的范围或含义。
可包括补偿电路的功率放大器系统的概览
图1是用于放大射频(RF)信号的功率放大器模块10的示意图。所图示的功率放大器模块10可被配置为放大RF信号RF_IN，以产生放大的RF信号RF_OUT。如这里所描述的那样，该功率放大器模块10可包括一个或多个根据这里的教导而实现的功率放大器。
图2是可包括图1的一个或多个功率放大器模块10的示例无线设备11的示意方框图。该无线设备11可包括实现本公开的一个或多个特征的功率放大器。
图2所描述的示例无线设备11可以表示诸如多频带/多模式移动电话的多频带和/或多模式设备。作为示例，全球移动通信系统(GSM)标准是在世界上的许多地方利用的数字蜂窝通信的模式。GSM模式移动电话可以在以下四个频带中的一个或多个上工作：850MHz(大约824-849MHz用于Tx，869-894MHz用于Rx)、900MHz(大约880-915MHz用于Tx，925-960MHz用于Rx)、1800MHz(大约1710-1785MHz用于Tx，1805-1880MHz用于Rx)以及1900MHz(大约1850-1910MHz用于Tx，1930-1990MHz用于Rx)。在世界上的不同地方还利用GSM频带的变体和/或地区/国家实现方式。
码分多址(CDMA)是可以在移动电话设备中实现的另一标准。在某些实现方式中，CDMA设备可以在800MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz频带中的一个或多个中工作，而某些W-CDMA和长期演进(LTE)设备可以在例如大约22个射频频谱频带上工作。
本公开的一个或多个特征可以在上述示例模式和/或频带中以及在其他通信标准中实现。例如，3G和4G是这种标准的非限制性示例。
在某些实施例中，无线设备11可包括开关12、收发器13、天线14、功率放大器17、控制组件18、计算机可读介质19、处理器20、电池21以及包络跟踪器30。
收发器13可产生用于通过天线14发送的RF信号。而且，收发器13可接收来自天线14的进入的RF信号。
将理解，可以通过在图2中共同表示为收发器13的一个或多个组件实现与发送和接收RF信号相关联的各种功能。例如，单个组件可以被配置为提供发送和接收功能两者。在另一示例中，可以由分开的组件提供发送和接收功能。
类似地，将理解，可以通过在图2中共同表示为天线14的一个或多个组件实现与发送和接收RF信号相关联的各种天线功能。例如，单个天线可以被配置为提供发送和接收功能两者。在另一示例中，可以由分开的天线提供发送和接收功能。在再一示例中，可以向与无线设备11相关联的不同频带提供不同的天线。
在图2中，来自收发器13的一个或多个输出信号被描绘为经由一个或多个发送路径15被提供给天线14。在示出的示例中，不同发送路径15可以表示与不同频带和/或不同功率输出相关联的输出路径。例如，示出的两个示例功率放大器17可以表示与不同功率输出配置(例如，低功率输出和高功率输出)相关联的放大、和/或与不同频带相关联的放大。虽然图2将无线设备11示出为包括两个发送路径15，但是无线设备11可以被适配为包括更多或更少的发送路径15。
在图2中，来自天线14的一个或多个检测到的信号被描绘为经由一个或多个接收路径16被提供给收发器13。在示出的示例中，不同接收路径16可以表示与不同频带相关联的路径。例如，示出的四个示例路径16可以表示一些无线设备具备的四频带能力。虽然图2将无线设备11示出为包括四个接收路径，但是无线设备11可以被适配为包括更多或更少的接收路径16。
为了帮助在接收和发送路径之间切换，开关12可以被配置为将天线14电连接到选择的发送或接收路径。因此，开关12可以提供与无线设备11的操作相关联的许多切换功能。在某些实施例中，开关12可以包括多个开关，所述多个开关被配置为提供与例如不同频带之间的切换、不同功率模式之间的切换、发送和接收模式之间的切换或它们的某种组合相关联的功能。开关12还可以被配置为提供额外的功能，包括对信号进行滤波和/转接(duplexing)。
图2示出了在某些实施例中，可以提供控制组件18，用于控制与开关12、功率放大器17、包络跟踪器30和/或其他操作组件的操作相关联的各种控制功能。
在某些实施例中，处理器20可被配置为促进这里描述的各种处理的实现。在某些实施例中，处理器20可利用存储在计算机可读存储器19内的、可以特定的方式指导处理器20的计算机程序指令来操作。
图示的无线设备11还包括包络跟踪器30，所述包络跟踪器30可用来产生用于一个或多个功率放大器17的功率放大器电源电压。例如，包络跟踪器30可根据要放大的RF信号的包络控制或改变提供给功率放大器17的电源电压的电压电平。
包络跟踪器30可由电池21供电。电池21可以是例如包括锂离子电池的用于在无线设备11中使用的任何适合的电池。如下面将要详细描述的那样，通过控制提供给功率放大器的功率放大器电源电压的电压电平，从电池21消耗的电力可被减少，从而提高无线设备11的电池寿命的性能。在某些实现方式中，包络跟踪器30可从收发器13接收包络信号。但是，该包络可以其它方式确定，诸如利用任意合适的包络检测器检测来自RF信号的包络。
图3是包含包络跟踪器的功率放大器系统26的一个示例的示意方框图。所图示的功率放大器系统26包括开关12、天线14、电池21、定向耦合器24、包络跟踪器30、功率放大器32和收发器33。所图示的收发器33包括基带处理器34、包络整形块35、数模转换器(DAC)36、I/Q调制器37、混频器38和模数转换器(ADC)39。
基带处理器34可被用来产生同相(I)信号和正交相位(Q)信号，该同相(I)信号和正交相位(Q)信号可用来表示期望的幅度、频率和相位的正弦波或信号。例如，I信号可用来表示该正弦波的同相分量，Q信号可用来表示该正弦波的正交分量，它们可以是该正弦波的等效表示。在某些实施方式中，I和Q信号可以以数字格式被提供给I/Q调制器37。基带处理器34可以是被配置为处理基带信号的任意合适的处理器。例如，基带处理器34可包括数字信号处理器、微处理器、可编程核或它们的任意组合。此外，在一些实施方式中，两个或更多个基带处理器34可被包括在功率放大器系统26中。
I/Q调制器37可被配置为从基带处理器34接收I和Q信号，并处理该I和Q信号以产生RF信号。例如，I/Q调制器37可包括被配置为将I和Q信号转换为模拟格式的DAC、用于将该I和Q信号上变频到射频的混频器以及用于将上变频后的I和Q信号合成为适合于由功率放大器32放大的RF信号的信号合成器。在某些实施方式中，I/Q调制器37可包括一个或多个滤波器，所述一个或多个滤波器被配置为对在其中处理的信号的频率内容进行滤波。
包络整形块35可用于将与I和Q信号相关联的包络或幅度数据转换为整形包络数据。将来自基带处理器34的包络数据整形可通过例如调整该包络信号以优化该功率放大器32的线性度和/或以达到功率放大器32的期望的增益压缩，来帮助提升功率放大器系统26的性能。在某些实现方式中，包络整形块35是数字块，DAC 36被用来将整形包络数据转换为适于包络跟踪器30使用的模拟包络信号。但是，在其它实施方式中，DAC 36可被省略，以有利于向包络跟踪器30提供数字包络信号以帮助包络跟踪器30进一步处理包络信号。
包络跟踪器30可从收发器33接收包络信号，从电池21接收电池电压VBATT，并且可使用包络信号来产生用于功率放大器32的、与包络信号相关地变化的功率放大器电源电压VCC_PA。包络跟踪器30可控制功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平以跟踪该包络信号或随着该包络信号改变从而提高功率效率。
功率放大器32可从收发器33的I/Q调制器37接收RF信号，并且可以通过开关12向天线14提供放大的RF信号。
定向耦合器24可放置在功率放大器32的输出端与开关12的输入端之间，从而允许不包括开关12的插入损耗的功率放大器32的输出功率测量。感测到的来自定向耦合器24的输出信号可被提供给混频器38，混频器38可将该感测到的输出信号与具有受控频率的参考信号相乘，从而将感测到的输出信号的频谱下移。下移的信号可被提供给ADC 39，ADC39可将下移的信号转换成适于基带处理器34处理的数字格式。通过包括在功率放大器32的输出端与基带处理器34的输入端之间的反馈路径，基带处理器34可被配置为动态调整I和Q信号和/或与I和Q信号相关联的包络数据，以优化功率放大器系统26的操作。例如，以这种方式配置功率放大器系统26可帮助控制功率放大器32的功率附加效率(PAE)和/或线性度。
图4A和4B是示出与时间相对的功率放大器电源电压的两个示例的曲线图。
在图4A中，曲线图47示出了与时间相对的RF信号41的电压和功率放大器电源电压43。RF信号41具有包络42。
功率放大器的功率放大器电源电压43具有比RF信号41的电压大的电压可以是重要的。例如，向功率放大器提供幅度小于RF信号41的幅度的功率放大器电源电压会将RF信号限幅(clipping)，从而产生信号失真和/或影响信号的完整性。因此，功率放大器电源电压43大于包络42的电压可以是重要的。但是，可以希望的是减小功率放大器电源电压43与RF信号41的包络42之间的电压差，因为功率放大器电源电压43与包络42之间的面积可以代表损失的能量，其可以降低电池寿命并增加移动设备中产生的热量。
在图4B中，曲线图48图示了与时间相对的RF信号41的电压和功率放大器电源电压44。与图4A的功率放大器电源电压43相对比，图4B的功率放大器电源电压44与RF信号41的包络42相关地改变。图4B中的功率放大器电源电压44与包络42之间的面积小于图4A中的功率放大器电源电压43与包络42之间的面积，因此图4B中的曲线图48可与具有更高能量效率的功率放大器系统相关联。
包含补偿电路的功率放大器系统的概览
功率附加效率(PAE)是用于评价功率放大器的一个量度，并且可以对应于输出和输入信号功率之间的差与功率放大器消耗的DC功率的比率。另外，相位失真(AM/PM)可以是评价功率放大器的另一量度，并且可以对应于与输入功率的变化相关的输出相位的变化。PAE和AM/PM可以是顾客用来决定要购买哪些功率放大器的量度，因为PAE可影响电子设备的电池寿命，并且AM/PM可影响电子设备的信号质量。尽管希望高的PAE和低的AM/PM，改善AM/PM可能以降低PAE的代价来实现，而增大PAE可使AM/PM恶化。
包络跟踪是可用来通过随时间高效地改变功率放大器电源电压的电压电平而增大功率放大器系统的PAE的技术。但是，已经发现的是使用包络跟踪也可能使功率放大器的AM/PM恶化，因为与不同的功率放大器电源电压电平相关联的偏置状态的变化可能导致阻抗改变，该阻抗改变可能通过改变功率放大器的相位延迟而使AM/PM恶化。
在这里的某些配置中，功率放大器包括输入级、输出级、包络跟踪器和补偿电路。输入级和输出级被级联并且放大输入RF信号以产生放大的输出RF信号。另外，包络跟踪器产生至少用于输出级的功率放大器电源电压，并且补偿电路补偿输出级的输入阻抗的改变，该输出级的输入阻抗的改变与功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。通过包含补偿电路，可减小与输入功率相对的功率放大器的相位延迟的变化，从而导致功率放大器的AM/PM的改善。
图5是功率放大器系统50的一个实施例的电路图。所图示的功率放大器系统50包括开关12、天线14、包络跟踪器30和功率放大器52。功率放大器52包括补偿电路60、第一或输入级NPN双极型晶体管61、第二或输出级NPN双极型晶体管62、扼流电感器63、输出匹配电路64、第一或输入级偏置电路65和第二或输出级偏置电路66。
功率放大器52被配置为接收RF信号RF_IN，并经由开关12将放大的RF信号提供给天线14。包络跟踪器30被配置为接收电池电压VBATT和对应于RF信号RF_IN的包络的包络信号ENVELOPE。包络跟踪器30产生用于功率放大器52的功率放大器电源电压VCC_PA。另外，包络跟踪器30可利用包络信号ENVELOPE随着时间控制功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平。例如，当包络信号增大时，包络跟踪器可提高功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平。另外，当包络信号减小时，包络跟踪器可提高功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平。
输入级NPN双极型晶体管61包括电连接至第一或低电源电压V1的发射极，第一或低电源电压V1例如可以是低功率或接地电源。输入级NPN双极型晶体管61进一步包括电连接至补偿电路60的第一端子的集电极和在被配置为接收RF信号RF_IN的节点处电连接至输入级偏置电路65的输出端的基极。
输出级NPN双极型晶体管62包括电连接至低电源电压V1的发射极、以及电连接至补偿电路60的第二端子及输出级偏置电路66的输出端的基极。输出级NPN双极型晶体管62进一步包括电连接至扼流电感器63的第一端和输出匹配电路64的第一端子的集电极。扼流电感器63进一步包括从包络跟踪器30接收功率放大器电源电压VCC_PA的第二端子。输出匹配电路64进一步包括第二端子，该第二端子经由开关12向天线14提供功率放大器52产生的放大的RF信号。
输入和输出级NPN双极型晶体管61、62可被用来放大RF信号RF_IN以产生放大的RF信号。例如，输入级NPN双极型晶体管61可作为第一放大级工作，输出级NPN双极型晶体管62可作为第二放大级工作。尽管图5图示了利用NPN双极型晶体管的配置，功率放大器级的其它实施方式也可以使用。在一个实施例中，输入和输出级NPN双极型晶体管61、62是异质结双极型晶体管(HBT)。
输出匹配电路64可被用于终结功率放大器52的输出端与开关12之间的电连接。输出匹配电路64可被用来在RF信号RF_IN的基本频率处提供功率放大器52的期望的负载线阻抗。例如，当功率放大器52经由开关12驱动天线14时，输出匹配电路64可提供阻抗变换以便为功率放大器52实现期望的负载阻抗。在某些实施方式中，输出匹配电路64也可用来提供例如包含二次谐波短路和/或三次谐波开路的谐波终止。
可以包括扼流电感器63以帮助利用包络跟踪器30产生的功率放大器电源电压VCC_PA为功率放大器52电气地供电。扼流电感器63可被用来对低频信号分量提供低阻抗，同时扼制或阻止与放大的RF信号相关联的高频信号分量。
输入和输出级偏置电路65、66可被用来分别偏置输入和输出级NPN双极型晶体管61、62。例如，在某些实施方式中，输入级偏置电路65被配置为通过控制输入级NPN双极型晶体管61的基极电流和/或基极-发射极电压来偏置输入级NPN双极型晶体管61。另外，在某些实施方式中，输出级偏置电路66被配置为通过控制输出级NPN双极型晶体管62的基极电流和/或基极-发射极电压来偏置输出级NPN双极型晶体管62。
包络跟踪器32可基于包络信号ENVELOPE控制功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平。当包络跟踪器32改变功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平时，输出级NPN双极型晶体管62的输入阻抗可改变。
补偿电路60可被用来补偿输出级NPN双极型晶体管62的输入阻抗的变化，该变化与功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平的改变相关联。通过包含补偿电路60，与信号功率相对的功率放大器52的相位延迟的变化可被减小，从而相对于省略补偿电路60的方案改善功率放大器的AM/PM。
输出级NPN双极型晶体管62的输入阻抗变化可增大功率放大器52的非线性度。例如，输出级NPN双极型晶体管62的基极的输入电抗的变化可以使AM/PM恶化，该变化与功率放大器电源电压VCC_PA的电压电平的改变相关联。因此，利用补偿电路60补偿输入阻抗变化能改善功率放大器52的AM/PM。
相对于单独使用收发器层级的AM/PM减小技术的方案，包含补偿电路60能提升功率放大器52的AM/PM性能。例如，返回参照图3，收发器33可包括包络整形块35，所述包络整形块35可将信号包络整形，以对于功率放大器32达到大体上恒定的增益压缩。尽管使用包络整形块35能提高功率放大器的线性度并帮助改善AM/PM，包络整形块35不能直接控制AM/PM失真，因此线性度的整体的改善可能有限。相比之下，补偿电路60可与功率放大器集成在一起，并能对AM/PM改善提供低成本和有效的解决方案。例如，补偿电路60可与功率放大器52一起集成在芯片上。
在一个实施例中，补偿电路60被配置为提供用于输入和输出级NPN双极型晶体管61、62的、在大约60欧姆(Ω)到大约70Ω的范围内的级间阻抗匹配。通过提供较大的级间阻抗匹配，输入级NPN双极型晶体管61的集电极处的电压摇摆可较大，从而降低晶体管的输入阻抗变化对AM/PM的影响。
图6是功率放大器系统70的另一个实施例的电路图。所图示的功率放大器系统70包括开关12、天线14、包络跟踪器30和功率放大器72。功率放大器72包括补偿电路80、输入级NPN双极型晶体管61、输出级NPN双极型晶体管62、扼流电感器63、输出匹配电路64、输入级偏置电路65和输出级偏置电流产生电路76。
除了相对于图5所示的功率放大器52，图6所示的功率放大器72包括输出级偏置电路和补偿电路的不同布置以外，图6的功率放大器系统70与图5的功率放大器系统50类似。另外，功率放大器系统70描述了一种方案，在该方案中输入级NPN双极型晶体管61由第一功率放大器电源电压VCC1电气地供电，而输出级NPN双极型晶体管62由包络跟踪器30产生的第二功率放大器电源电压VCC2电气地供电。在某些实施例中，第一功率放大器电源电压VCC1具有随时间大体上恒定或固定的电压电平。
输出级偏置电流产生电路76可被用来偏置输出级NPN双极型晶体管62。例如，在所描述的配置中，输出级NPN双极型晶体管62的基极被配置为从输出级偏置电流产生电路76接收偏置电流IBIAS。
补偿电路80包括偏置电感器77、补偿电感器81和补偿电容器82。偏置电感器77包括与输出级偏置电流产生电路76电连接的第一端和与输出级NPN双极型晶体管62的基极电连接的第二端。补偿电感器81包括与输入级NPN双极型晶体管61的集电极电连接的第一端和与第一功率放大器电源电压VCC1电连接的第二端。补偿电容器82包括与输入级NPN双极型晶体管61的集电极电连接的第一端和与输出级NPN双极型晶体管62的基极电连接的第二端。补偿电路80可具有大小被确定为提供输出级NPN双极型晶体管62的随着时间的较小的输入阻抗变化(例如小于大约15％的阻抗变化)的组件。
当包络跟踪器30基于包络信号ENVELOPE改变第二功率放大器电源电压VCC2的电压电平时，输出级NPN双极型晶体管62的输入阻抗可改变。例如，输出级NPN双极型晶体管62可具有能够与第二功率放大器电源电压VCC2的电压电平相关地改变的寄生基极-集电极电容78。在缺少补偿的情况下，寄生基极-集电极电容78随时间的改变可使AM/PM劣化。例如，寄生基极-集电极电容78的改变可产生输出级NPN双极型晶体管62的基极的输入电抗的变化。在一个实施例中，补偿电路80被配置为补偿输出级NPN双极型晶体管62的输入电抗变化，该变化与由于与包络跟踪相关联的变化的晶体管偏置状态而引起的寄生基极-集电极电容78的改变相关联。
所图示的功率放大器系统70使用一种方案，在该方案中偏置电感器77被包括作为补偿电路80的一部分。在某些实施方式中，偏置电感器77具有比传统扼流电感器的阻抗小的阻抗。例如，在一个实施例中，偏置电感器77在1GHz处具有小于大约15Ω的阻抗。
以这种方式配置偏置电感器77可有助于允许转移输入级NPN双极型晶体管71产生的放大的RF信号以到达输出级偏置电流产生电路76，这可以导致偏置电流IBIAS的幅度以向功率放大器72提供相位补偿的方式改变。例如，当RF信号RF_IN的幅度大时，输入级NPN双极型晶体管71产生的放大的RF信号的一部分可到达输出级偏置电流产生电路76，并导致偏置电流IBIAS幅度的增大，从而向输出级NPN双极型晶体管72提供相位补偿。因此，包含输出级偏置电流产生电路76和偏置电感器77可改善功率放大器的线性度和AM/PM。
图7是包含包络跟踪器的功率放大器系统100的另一个实施例的电路图。所图示的功率放大器系统100包括开关12、天线14、包络跟踪器30和功率放大器72。功率放大器72包括补偿电路90、输入级NPN双极型晶体管61、输出级NPN双极型晶体管62、扼流电感器63、输出匹配电路64、输入级偏置电路65和输出级偏置电流产生电路76。
除了相对于图6所示的配置，图7的功率放大器系统100包括补偿电路的不同布置以外，图7的功率放大器系统100与图6的功率放大器系统70是类似的。
例如，图7中的补偿电路100包括偏置电感器77、第一补偿电感器81、第一补偿电容器82、第二补偿电感器83、第三补偿电感器84和第二补偿电容器85。偏置电感器77包括与输出级偏置电流产生电路76电连接的第一端和与输出级NPN双极型晶体管62的基极电连接的第二端。第一补偿电感器81包括与输入级NPN双极型晶体管61的集电极电连接的第一端和与第二补偿电容器85的第一端和第二补偿电感器83的第一端电连接的第二端。第二补偿电感器83进一步包括与第一功率放大器电源电压VCC1电连接的第二端。第二补偿电容器85进一步包括与第三补偿电感器84的第一端电连接的第二端。第三补偿电感器84进一步包括与低电源V1电连接的第二端。
所图示的补偿电路90可帮助提供相对于某些其它补偿电路配置增强的性能。例如，相对于图6的补偿电路80，图7的补偿电路90可提供增强的调谐，该调谐可帮助减小与输入功率相对的功率放大器的相位延迟的变化。另外，在某些实施方式中，第二补偿电容器85和第三补偿电感器84可被配置为在信号频率处提供相对小的阻抗，从而帮助防止输入级NPN双极型晶体管61产生的放大的信号到达第一功率放大器电源电压VCC1。
图8A和8B是与输出功率相对的阻抗的实部和虚部的一个示例的曲线图。该曲线图对应于对于省略补偿电路60的图5的功率放大器52的实施方式获取的测量数据。
图8A图示了与输出功率相对的级间匹配阻抗的实部的第一曲线图101。图8B图示了与输出功率相对的级间匹配阻抗的虚部的第二曲线图102。第一和第二曲线图101、102每个包括与范围在大约1.5V和大约5.0V之间的功率放大器电源电压VCC_PA的不同电压电平相关联的多条曲线。如图8A和8B所示，缺少补偿电路的功率放大器可具有级间匹配阻抗的相对大的变化。例如，所图示的级间匹配阻抗的实部的变化为大约30Ω，所图示的级间匹配阻抗变化的虚部的变化为大约10Ω。
图9A和9B是与输出功率相对的阻抗的实和虚部的另一个示例的曲线图。该曲线图对应于对于包括补偿电路的图5的功率放大器52的实施方式获取的测量数据。
图9A图示了与输出功率相对的输出级NPN双极型晶体管62的级间匹配阻抗的实部的第一曲线图103。图9B描述了与输出功率相对的输出级NPN双极型晶体管62的级间匹配阻抗的虚部的第二曲线图104。第一和第二曲线图103、104每个包括与范围在大约1.5V和大约5.0V之间的功率放大器电源电压VCC_PA的不同电压电平相关联的多个曲线。如图9A和9B所示，包含补偿电路可减小级间匹配阻抗的变化。例如，所示出的级间匹配阻抗的实部的变化为大约7Ω，所示出的级间匹配阻抗的虚部的变化为大约5Ω。
图10A和10B是展示与输出功率相对的AM/PM的两个示例的曲线图。图10A图示了对应于与图8A和8B的曲线图相关联的功率放大器的AM/PM的第一曲线图105。图10B图示了对应于与图9A和9B的曲线图相关联的功率放大器的AM/PM的第二曲线图106。如通过图10A和图10B的对比所展示的那样，包括补偿电路可改善AM/PM。
应用
上面描述的实施例中的一些提供与移动电话有关的示例。然而，所述实施例的原理和优点可以用于需要功率放大器系统的任何其他系统或装置。
这种功率放大器系统可以在各种电子设备中实现。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备等。电子设备的示例还可以包括但不限于存储器芯片、存储器模块、光网络或其他通信网络的电路以及盘驱动器电路。消费电子产品可以包括但不限于移动电话、电话、电视、计算机监视器、计算机、手持式计算机、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、汽车、立体声系统、盒式磁带录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、MP3播放器、收音机、便携式摄像机、相机、数字相机、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/烘干机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围设备、腕表、时钟等。此外，电子设备可以包括未完成的产品。
结论
除非上下文清楚地另外要求，贯穿整个说明书和权利要求，词语“包括”和“包含”等应以包含性的含义来解释，而非排他性或穷举性的含义；也就是说，以“包括但不限于”的含义来解释。如这里通常使用的，词语“耦接”指代可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。同样，如这里通常使用的，词语“连接”指代可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。此外，当在本申请中使用时，词语“这里”、“在上面”、“在下面”和类似意思的词语应指代本申请整体，而非本申请的任何特定部分。当上下文允许时，上面的具体实施方式中的、使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。在提到两个或多个项的列表时的词语“或”，该词语覆盖对该词语的全部下列解释：列表中的任何项、列表中的全部项以及列表中的项的任何组合。
此外，除非另有具体说明，或如使用的在上下文内另有理解，这里使用的条件性语言，除了其他的以外例如有“可以”、“能够”、“可能”、“可”、“例”、“例如”和“诸如”等通常意图传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件性语言通常意图不是意指特征、元件和/或状态以任何方式为一个或多个实施例所需，或一个或多个实施例一定包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或状态是否包括在任何特定实施例中或要在任何特定实施例中执行的逻辑。
对本发明的实施例的上面的详细描述意图不是穷举性的或将本发明限制为上面公开的精确形式。如相关领域技术人员将理解的，虽然为了说明的目的在上面描述了本发明的具体实施例和示例，在本发明的范围内各种等效修改是可能的。例如，虽然以给定顺序呈现过程或块，替换实施例可以执行具有不同顺序的步骤的例程，或采用具有不同顺序的块的系统，并且可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些过程或块。可以以多种不同方式实现这些过程或块中的每一个。此外，虽然过程或块有时被示出为串行执行，可替换地，这些过程或块可以并行执行，或可以在不同时间执行。
这里提供的本发明的教导可以应用于其他系统，而不一定是上面描述的系统。可以组合上面描述的各种实施例的元件和动作以提供进一步的实施例。
虽然已描述了本发明的某些实施例，但是这些实施例仅作为示例呈现，并且意图不是限制本公开的范围。实际上，这里描述的新方法和系统可以以多种其他形式实施；此外，可以做出这里描述的方法和系统的形式上的各种省略、替代和改变，而不背离本公开的精神。所附权利要求及其等效物意图覆盖将落入本公开的范围和精神内的这种形式或修改。

Claims (20)

1.一种功率放大器系统中的相位补偿的方法，所述方法包括：
利用功率放大器的第一放大级放大输入射频信号，以产生第一放大射频信号；
利用包络跟踪器产生功率放大器电源电压；
利用包络跟踪器基于所述输入射频信号的包络控制所述功率放大器电源电压的电压电平；
利用来自所述包络跟踪器的所述功率放大器电源电压为所述功率放大器的第二放大级供电；
利用所述第二放大级放大所述第一放大射频信号以产生第二放大射频信号，放大所述第一放大射频信号以产生第二放大射频信号包含在双极型晶体管的基极接收所述第一放大射频信号，并在所述双极型晶体管的集电极产生所述第二放大射频信号；以及
利用补偿电路补偿所述第二放大级的输入阻抗的变化，所述输入阻抗的变化与所述功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括利用所述补偿电路提供在所述第一和第二放大级之间的、在60Ω到70Ω的范围内的匹配阻抗。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括利用所述补偿电路补偿在所述双极型晶体管的所述基极与所述集电极之间的寄生电容的变化，所述寄生电容的变化与所述功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括利用收发器产生所述输入射频信号和所述输入射频信号的所述包络。
5.一种功率放大器系统，包括：
第一功率放大器级，包含被配置为接收输入射频信号的输入端和被配置为产生第一放大射频信号的输出端；
包络跟踪器，被配置为产生功率放大器电源电压并且基于所述输入射频信号的包络控制所述功率放大器电源电压的电压电平；
第二功率放大器级，包含被配置为接收所述第一放大射频信号的输入端和被配置为产生第二放大射频信号的输出端，所述第二功率放大器级被配置为由来自所述包络跟踪器的所述功率放大器电源电压供电，所述第二功率放大器级还包含双极型晶体管，所述双极型晶体管包含被配置为接收所述第一放大射频信号的基极和被配置为产生所述第二放大射频信号的集电极；以及
补偿电路，电连接在所述第一功率放大器级的所述输出端与所述第二功率放大器级的所述输入端之间，所述补偿电路被配置为补偿所述第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该输入阻抗的变化与所述功率放大器电源电压的所述电压电平的改变相关联。
6.如权利要求5所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路被配置为提供在所述第一和第二功率放大器级之间的、在60Ω到70Ω的范围内的匹配阻抗。
7.如权利要求5所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路被配置为补偿所述双极型晶体管的基极与集电极之间的寄生电容的变化，该寄生电容的变化与所述功率放大器电源电压的电压电平的改变相关联。
8.如权利要求5所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路包含电连接在所述第二功率放大器级的输入端与所述第一功率放大器级的输出端之间的第一补偿电容器。
9.如权利要求8所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路进一步包含电连接在所述第一功率放大器级的输出端与输入级电源之间的第一补偿电感器。
10.一种功率放大器系统，包括：
第一功率放大器级，包含被配置为接收输入射频信号的输入端和被配置为产生第一放大射频信号的输出端；
包络跟踪器，被配置为产生功率放大器电源电压并且基于所述输入射频信号的包络控制所述功率放大器电源电压的电压电平；
第二功率放大器级，包含被配置为接收所述第一放大射频信号的输入端和被配置为产生第二放大射频信号的输出端，所述第二功率放大器级被配置为由来自所述包络跟踪器的所述功率放大器电源电压供电；以及
补偿电路，电连接在所述第一功率放大器级的所述输出端与所述第二功率放大器级的所述输入端之间，所述补偿电路被配置为补偿所述第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该输入阻抗的变化与所述功率放大器电源电压的所述电压电平的改变相关联，所述补偿电路包含电连接在所述第二功率放大器级的输入端与所述第一功率放大器级的输出端之间的第一补偿电容器、电连接在所述第一功率放大器级的输出端与输入级电源之间的第一补偿电感器、以及电连接在所述第一补偿电感器与所述输入级电源之间的第二补偿电感器，所述第一和第二补偿电感器在第一节点处被电连接。
11.如权利要求10所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路进一步包含串联电连接在所述第一节点与低电源之间的第三补偿电感器和第二补偿电容器。
12.一种功率放大器系统，包括：
第一功率放大器级，包含被配置为接收输入射频信号的输入端和被配置为产生第一放大射频信号的输出端；
包络跟踪器，被配置为产生功率放大器电源电压并且基于所述输入射频信号的包络控制所述功率放大器电源电压的电压电平；
第二功率放大器级，包含被配置为接收所述第一放大射频信号的输入端和被配置为产生第二放大射频信号的输出端，所述第二功率放大器级被配置为由来自所述包络跟踪器的所述功率放大器电源电压供电；
补偿电路，电连接在所述第一功率放大器级的所述输出端与所述第二功率放大器级的所述输入端之间，所述补偿电路被配置为补偿所述第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该输入阻抗的变化与所述功率放大器电源电压的所述电压电平的改变相关联，所述补偿电路包含电连接在所述第二功率放大器级的输入端与所述第一功率放大器级的输出端之间的第一补偿电容器、以及电连接在所述第一功率放大器级的输出端与输入级电源之间的第一补偿电感器；以及
输出级偏置电流产生电路，被配置为向所述第二功率放大器级的所述输入端提供偏置电流。
13.如权利要求12所述的功率放大器系统，其中所述补偿电路进一步包含被配置为向所述第二功率放大器级的所述输入端提供来自所述输出级偏置电流产生电路的所述偏置电流的偏置电感器，所述偏置电感器被配置为向所述输出级偏置电流产生电路提供所述第一放大射频信号的一部分从而提供相位补偿。
14.一种移动设备，包括：
收发器，被配置为产生射频信号和对应于所述射频信号的包络的包络信号；
包络跟踪器，被配置为产生功率放大器电源电压并且基于所述包络信号控制所述功率放大器电源电压的电压电平；
包含第一功率放大器级和第二功率放大器级的多个功率放大器级，所述第一功率放大器级包含被配置为接收所述射频信号的输入端和被配置为产生第一放大射频信号的输出端，所述第二功率放大器级包含被配置为接收所述第一放大射频信号的输入端和被配置为产生第二放大射频信号的输出端，所述第二功率放大器级进一步被配置为由来自所述包络跟踪器的所述功率放大器电源电压来供电，所述第二功率放大器级还包含双极型晶体管，所述双极型晶体管包含被配置为接收所述第一放大射频信号的基极和被配置为产生所述第二放大射频信号的集电极；以及
补偿电路，电连接在所述第一功率放大器级的所述输出端与所述第二功率放大器级的输入端之间，所述补偿电路被配置为补偿所述第二功率放大器级的输入阻抗的变化，该输入阻抗的变化与所述功率放大器电源电压的所述电压电平的改变相关联。
15.如权利要求14所述的移动设备，其中所述补偿电路被配置为提供在所述第一和第二功率放大器级之间的、在60Ω到70Ω的范围内的匹配阻抗。
16.如权利要求14所述的移动设备，其中所述补偿电路被配置为补偿所述双极型晶体管的基极与集电极之间的寄生电容的变化，该寄生电容的变化与所述功率放大器电源电压的所述电压电平的改变相关联。
17.如权利要求14所述的移动设备，其中所述收发器包含包络整形块，用于将所述包络信号整形以控制与所述包络跟踪器相关联的增益压缩。
18.如权利要求14所述的移动设备，还包括：输出级偏置电流产生电路，被配置为向所述第二功率放大器级的所述输入端提供偏置电流。
19.如权利要求14所述的移动设备，其中，所述补偿电路还包含被配置为向所述第二功率放大器级的所述输入端提供来自所述输出级偏置电流产生电路的所述偏置电流的偏置电感器，所述偏置电感器被配置为向所述输出级偏置电流产生电路提供所述第一放大射频信号的一部分从而提供相位补偿。
20.如权利要求14所述的移动设备，其中，所述补偿电路还包含电连接在所述第二功率放大器级的输入端与所述第一功率放大器级的输出端之间的第一补偿电容器、电连接在所述第一功率放大器级的输出端与输入级电源之间的第一补偿电感器、以及电连接在所述第一补偿电感器与所述输入级电源之间的第二补偿电感器，所述第一和第二补偿电感器在第一节点处被电连接。
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