CN106301236B - 用于差分功率放大器的多模式操作 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于差分功率放大器的多模式操作，具体涉及一种用于无线设备的RF电路，包括用于每个频带的单端差分功率放大器和阻抗平衡电路。阻抗平衡电路用于在设备的操作模式改变时在放大器的输出处提供适当阻抗，并且还将放大器的差分输出转换为单端输出。阻抗平衡电路任选地包括BALUN电路和可变电容器，其中可变电容器随着操作模式的改变而变化以改变放大器的输出处的阻抗。

Description

用于差分功率放大器的多模式操作
技术领域
本发明总体上涉及RF电路，更具体地，涉及将从差分功率放大器接收的差分输出信号转换为单端输出信号的电路，其中通过该电路施加于差分功率放大器的阻抗可以针对多种操作模式进行调整，使得单个差分功率放大器可用于在给定频带内操作的多种操作模式。
背景技术
图1示出了耦合至天线110的现有RF电路100。电路100包括多个传输路径120以及将天线110耦合至多个传输路径120的天线开关130。每个传输路径120都包括功率放大器140和接收放大器150，它们交替地通过双工器160接合至天线开关130。在天线开关130内，每个传输路径120都通过串联开关170可切换地耦合至天线110，并且还可选地通过并联开关180可切换地耦合至地。
如图1所示，当一个传输路径120耦合至天线110(处于ON模式)，则用于该传输路径120的串联开关170闭合而并联开关180打开，同时对于所有其他传输路径120(OFF模式)反转开关170、180。虽然天线开关130将仅利用串联开关170工作，但并联开关180的附加通过将不使用的传输路径120接地而提供了更好的隔离。
在蜂窝电话中，提供各个传输路径120以适应不同的操作模式，其中每个操作模式是频带和功率等级的不同组合，电话可以根据国家、操作者、通信量等的变化在操作模式之间切换。如图1所示，可以通过使用与操作模式一样多的功率放大器140来实现多个操作模式，使得每个功率放大器140针对其特定的频带和功率等级进行优化。
发明内容
本发明的示例性设备包括无线RF设备(诸如蜂窝电话或智能手机)，并且可在至少一个频带中操作并且可在每个频带中在多个操作模式之间切换。示例性设备包括：天线和天线开关；多个接收放大器、每个接收放大器都专用于多个操作模式中的不同操作模式；阻抗平衡电路；以及第一差分功率放大器，被配置为在至少一个频带的第一频带内操作。附加频带可以用于附加的差分功率放大器和阻抗平衡电路对，每一对都具有独立的多个接收放大器但是与第一差分功率放大器共用相同的天线。
差分功率放大器包括输入和输出，并且被配置为在输入处接收差分输入信号以及根据差分输入信号在输出处产生放大差分输出信号。如上所述，第一差分功率放大器被配置为在第一频带内操作；此外，第一差分功率放大器可唯一地专用于第一频带。
阻抗平衡电路与第一差分功率放大器电通信，并且被配置为接收来自第一差分功率放大器的输出的差分输出信号，并且进一步被配置为根据差分输出信号产生单端输出信号。阻抗平衡电路还随着操作模式被切换而可调，以改变施加于第一差分功率放大器的输出的阻抗。天线开关被配置为交替地将天线耦合至第一阻抗平衡电路或将天线耦合至多个接收放大器。在一些实施例中，天线开关通过将天线耦合至双工器来交替地将天线耦合至第一阻抗平衡电路或者多个接收放大器，其中双工器耦合至模式开关以及多个接收放大器中的一个接收放大器。
各个实施例还包括模式开关以及多个双工器，双工器的数量等于多个接收放大器的数量。在这些实施例中，模式开关与阻抗平衡电路电通信并且被配置为从中接收单端输出信号。此外，多个双工器中的每个双工器都在天线开关与模式开关或者多个接收放大器中的一个接收放大器之间电通信。因此，当操作模式改变以及输入阻抗改变时，模式开关将阻抗平衡电路耦合至不同的双工器，并且天线可以选择相同的双工器。
在各个实施例中，阻抗平衡电路包括BALUN(用于平衡/不平衡)电路和可变电容器。BALUN电路本身包括第一传输线和第二传输线，两条传输线的每一条都具有第一端和第二端。在一些实施例中，传输线包括诸如微带的平面结构。在各个实施例中，每条传输线都包括导电带、与导电带相邻的接地面以及设置在导电带与接地面之间的介电层。在这些实施例中，接地面的宽度大于导电带的宽度。在操作中，在相应的第一端处横跨两条传输线的接地面施加差分输出信号。阻抗平衡电路还包括第一电连接，在第一端处接合两条传输线的导电带。阻抗平衡电路还包括第二电连接，在第二端处接合两条传输线的接地面。在各个实施例中，第二电连接可以耦合至地或DC偏置电压。此外，第一阻抗平衡电路被配置为在第二端处从第一传输线的导电带产生单端输出信号。可变电容器在第二端处电耦合至第二传输线的导电带。
设备的各个实施例可以用于诸如高频带和低频带的两个或更多个频带。因此，一些实施例包括第二差分功率放大器，其具有输入和输出，并且被配置为在至少一个频带的第二频带内进行操作，并且进一步被配置为根据在输入处接收的差分输入信号在输出处产生放大差分输出信号，第二差分功率放大器唯一地专用于第二频带。此外，在这些实施例中，第二阻抗平衡电路与第二差分功率放大器电通信，并且被配置为接收来自第二差分功率放大器的输出的差分输出信号，并且进一步被配置为根据差分输出信号产生单端输出信号。第二阻抗平衡电路随着操作模式被切换而可调，以改变施加于第二差分功率放大器的输出的阻抗。
本发明还旨在提供一种用于上述设备的电路。示例性电路包括：差分功率放大器，被配置为产生差分输出信号；阻抗平衡电路；以及可变电容器。在这些实施例中，阻抗平衡电路电耦合至差分放大器，并且被配置为接收差分输出信号。此外，阻抗平衡电路包括：第一传输线和第二传输线，这两条传输线中的每一条都具有第一端和第二端。此外，每条传输线都包括导电带、与导电带相邻的接地面以及设置在导电带与接地面之间的介电层，接地面的特征在于宽度大于导电带的宽度，其中在相应的第一端处横跨两条传输线的接地面施加差分输出信号。第一电连接(任选地可以为通孔或传输线)在所述第一端处接合两条传输线的导电带。第二电连接(也任选地可以为通孔或传输线)在第二端处接合两条传输线的接地面。在不同实施例中，第二传输线可以耦合至地或DC偏置电压。阻抗平衡电路被配置为在第二端处从第一传输线的导电带产生单端输出信号。可变电容器在第二端处电耦合至第二传输线的导电带。
电路的各个实施例还包括：模式开关，被电耦合以接收来自阻抗平衡电路的单端输出信号，并且被配置为在多个输出端口之间切换单端输出信号。这些实施例中的一些还包括多个双工器，多个双工器中的一个双工器电耦合至多个输出端口中的每个输出端口。
附图说明
图1是根据现有技术的RF电路的示意图。
图2是根据本发明示例性实施例的RF电路的示意图。
图3是根据本发明示例性实施例的用于图2的RF电路的阻抗平衡电路的示意图。
图4是用于阻抗平衡电路的示例性实施例的微带传输线的截面图。
图5是根据本发明示例性实施例的阻抗平衡电路的示意性表示的立体图。
具体实施方式
本发明描述了一种RF电路，其包括差分功率放大器和阻抗平衡电路来用于诸如3G和4G的多种操作模式。阻抗平衡电路用于将从差分功率放大器输出的差分信号转换为单端输出并且还用于在差分功率放大器的输出处提供根据操作模式的变化而变化的阻抗。这使得单个差分功率放大器被用于给定频带内的多种操作模式。
在各个实施例中，阻抗平衡电路包括BALUN电路。BALUN电路包括一对传输线，在一端处横跨两条传输线施加差分输出信号，以在相对端处产生来自一条传输线的单端输出信号。这些实施例可以进一步包括可变电容器，其在与产生单端输出信号的同一端处耦合至第二传输线。改变可变电容器的电容用于在施加差分输出信号以适应不同操作模式的端部处改变BALUN电路的阻抗。
图2示出了本发明的耦合至天线110的示例性RF电路200。电路200可以包括作为诸如无线电话的设备的一部分。电路200包括多个传输路径220以及将天线110耦合至多个传输路径220的天线开关130。每个传输路径220都包括通过单个共用差分功率放大器230、共用阻抗平衡电路240以及通过模式开关250到达模式开关250的多个输出中的一个(该输出通过双工器160接合至天线开关130)的路线225；传输路径220还包括如图1所示通过双工器160交替耦合至天线开关130的接收放大器150(为了简化在图2中省略)。
在一些实施例中，差分功率放大器230唯一地专用于给定的频带，诸如高频带或低频带，并且多个传输路径220用于多个不同的功率等级。电话可以包括差分功率放大器230，每一个都专用于每个频带，其中每个这样的差分功率放大器230都具有专用的平衡阻抗电路240。在包括多个差分功率放大器230的实施例中，每个成对的功率放大器230和平衡电路240可以具有独立的模式开关250或者可以接合至公共模式开关250。模式开关250包括多个开关，其类似于图1所示天线开关130的布置。应该注意，频带可以部分重叠，并且用于与给定频带部分重叠的第二频带的另一差分功率放大器的存在不会使第一差分功率放大器不适于“唯一地专用于给定频带”，也不会使第二差分功率放大器“唯一地专用于给定频带”，因为其没有覆盖所有给定频带。
在图2中，差分功率放大器230的输入和输出均示为具有两条平行线以表示差分功率放大器230接收两个输入信号(本文也称为差分输入信号)，放大输入信号之间的压差，并横跨一对导线产生差分输出信号。阻抗平衡电路240与差分功率放大器230电通信，因此阻抗平衡电路240和差分功率放大器230之间的电通信可以通过一对导线、线、迹线或者其他两个电导体来提供。
阻抗平衡电路240接收来自差分功率放大器230的差分输出信号并从中产生单端输出信号。操作模式的选择可以影响在差分功率放大器230的输出处存在的阻抗。阻抗平衡电路240在差分功率放大器230的输出处提供适合于给定操作模式的阻抗，并且阻抗平衡电路240还可以偏置差分功率放大器230。差分功率放大器230要求特定的负载能够得到所要求的输出功率，并且输出功率与偏置电压的平方除以两倍的电阻成比例。在这种关系中，电阻是阻抗平衡电路240的单端输出负载。
RF电路200附加地包括控制器260，其被配置为向差分功率放大器230发送数字信号来指定操作模式。同时，控制器260类似地控制阻抗平衡电路240以改变差分功率放大器230的输出处的阻抗。
图3提供了BALUN电路300的说明示图，以示出阻抗平衡电路240可以将差分输出信号转换为单端输出信号的一种方式。为了简化理解，图3所示的BALUN电路300采用同轴传输线，但是本发明的实施例可以不使用同轴传输线而是使用可以利用如下面参照图4和图5描述的传统半导体制造技术制造的平面结构。
BALUN电路300的特征在于同轴传输线的第一长度305以及同轴传输线的第二长度310，两条同轴传输线305、310中的每一个的特征都在于第一端和第二端，两条同轴传输线305、310如图所示以平行布置的方式并排设置。同轴传输线本身包括导电核315、环绕核315的介电绝缘层320以及环绕介电绝缘层320的导电屏蔽层325。
BALUN电路300还包括电连接330，在其第一端处接合两条同轴传输线305、310的核315。第一同轴传输线305的核315在其第二端处附加地接合至地。在第二端处，屏蔽层325通过电连接335短路连接。图3还示出了可变电容器340，其一端电接合至第二同轴传输线310的核315(其第二端处)。开关345将电容器340的相对端耦合至地。在一些实施例中，开关345可以是绝缘体上硅(SOI)开关。更具体地，在一些实施例中，可变电容器340由并联的多个电容器组成，每一个都具有接地的SOI开关，并且可变电容器340的电容通过SOI开关的操作来改变。
差分功率放大器230和BALUN电路300之间的电通信被配置为在它们相应的第一端处横跨同轴传输线的两个长度305、310的屏蔽层325提供差分输出。差分功率放大器230的差分输出包括在图3中表示为在第一端处设置在两个屏蔽层325之间的电阻器的负载。
如图3所示，BALUN电路300在第一同轴传输线305的第二端处从第一同轴传输线305的屏蔽层325产生单端输出。单端输出还包括负载，并且在图3中也有电阻器来表示。在一些实施例中，单端输出负载约为50欧姆。当BALUN电路300的每条传输线305、310的长度是差分输出信号的波长的四分之一时，通过电连接335提供的短路创建了完美的开路。应该注意，RF频域中的四分之一波长的长度太大以至于不能在RF设备中使用的几何形状中实施，但是幸运的是，这种现象并不对与四分之一波长的偏移敏感，因此传输线305、310的长度可以短于或长于四分之一波长。在一些实施例中，传输线305、310的长度可以短于波长的1/16，甚至更短。
通过将第二同轴传输线310连接至由电容器340提供的可变电容，第二长度310的第二端处的阻抗可以被控制。通过调整电容器340的电容，BALUN电路300可以向差分功率放大器230提供不同的阻抗，其例如与2G和3G操作模式兼容。
如上所述，图2的阻抗平衡电路240可以偏置差分功率放大器230。在BALUN电路300中，DC偏置电压可以在第二端处施加于第一同轴传输线305来代替图3中的连接至地。并联的去耦电容器(未示出)保持该点为“冷”。
如上所述，本发明的实施例不采用同轴电缆。相反，本发明的实施例采用平面传输线，诸如图4所示。图4的示例性传输线400是微带(microstrip，或者称为微带线)的示例。本文使用的术语“微带”限于平面结构的本领域承认的含义，其包括导电带410(其特征在于第一宽度和第一厚度以及)以及较宽的导电接地面420，它们通过介电层430(其特征在于第二厚度)分离。在各个实施例中，适当的微带可以被嵌入或涂覆。还可以使用其他平面传输线，诸如带线(stripline)。参照图3，还可以看出两个微带如何可以替代两个长度305、310，其中导电带410代替核315且接地面420代替屏蔽层325。
图5是包括微带的阻抗平衡电路500的示意性表示的立体图，其中微带包括分别与图3的同轴传输线305、310的核315和屏蔽325相对应的上导体510和下导体520。上导体510还可以看作是导电带，而下导体520可以看作是接地面。阻抗平衡电路500可以在RF电路200的各个实施例中用作阻抗平衡电路240。其他平面传输线结构可以类似地布置为产生其他适当的阻抗平衡电路240的实施例。在图5的阻抗平衡电路500中，仅示出了两个导体510、520；为了简化而省略了介电绝缘、接触和连接通孔。
然而，图5所示的部件的不成比例，附图示出了下导体520的特征在于宽度大于上导体510，并且进一步，上导体510和下导体520在上导体510与下导体520对齐的两个区域中形成两条传输线530、540。每个导体510、520都形成具有开口的环路，并且两个导体510、520被布置为使得它们的开口被设置为彼此相对。
阻抗平衡电路500与图3的BALUN电路300的布置类似地进行布置。这里，如图所示，横跨下导体520的开口施加功率放大器230的差分输出信号，同时从与上导体510的开口相邻的传输线530的上导体510得到单端输出信号。下导体520沿着其设置在两条传输线530、540之间的部分接地。可选地，如参照图3所讨论的，可以在该点处施加DC偏置电压。横跨从中得到单端输出信号的上导体510的开口，传输线540耦合至可变电容器550。改变可变电容器550的电容以调整阻抗平衡电路500的阻抗。
在前面的说明中，参照具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该意识到，本发明不限于此。可以单独或联合地使用上述发明的各个特征和方面。此外，除了本文描述的之外，在不背离说明的精神和范围的情况下，可以在任何多种环境和应用中使用本发明。因此，说明书和附图任务是示例性的而非限制性的。应该意识到，本文使用的术语“包括”和“具有”具体表示为开放式术语。术语“连接”与术语“耦合”不同，使得当两个部件“连接”时，它们之间没有其他部件，而当两个部件“耦合”时，它们之间可以设置其他部件。类似地，“电耦合”不同于“电连接”，并且术语“电接合”和“电通信”认为是可与“电耦合”互换。

Claims (13)

1.一种电路，包括：
差分功率放大器，被配置为产生差分输出信号；
阻抗平衡电路，电耦合至所述差分功率放大器，并且被配置为从所述差分功率放大器接收所述差分输出信号，所述阻抗平衡电路包括：
第一传输线和第二传输线，这两条传输线中的每一条均具有第一端和第二端，每条传输线均包括导电带、与所述导电带相邻的接地面以及设置在所述导电带与所述接地面之间的介电层，所述接地面的特征在于宽度大于所述导电带的宽度，其中在相应的第一端处横跨所述两条传输线的接地面施加所述差分输出信号，
第一电连接，在所述两条传输线的第一端处接合所述两条传输线的所述导电带，
第二电连接，在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的所述接地面，
所述阻抗平衡电路被配置为在所述第一传输线的第二端处从所述第一传输线的导电带产生单端输出信号；以及
可变电容器，在所述第二传输线的第二端处电耦合至所述第二传输线的导电带。
2.根据权利要求1所述的电路，其中每条传输线均包括微带。
3.根据权利要求1所述的电路，还包括：模式开关，被电耦合以接收来自所述阻抗平衡电路的所述单端输出信号，并且被配置为在多个输出端口之间切换所述单端输出信号。
4.根据权利要求3所述的电路，还包括多个双工器，所述多个双工器中的一个双工器电耦合至所述多个输出端口中的每个输出端口。
5.根据权利要求1所述的电路，其中在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的接地面的所述第二电连接附加地耦合至地。
6.根据权利要求1所述的电路，其中在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的接地面的所述第二电连接附加地耦合至DC偏置电压。
7.一种在至少一个频带中可操作并且在所述频带的每个频带中的多个操作模式之间可切换的设备，所述设备包括：
天线；
多个接收放大器，所述多个接收放大器的每一个接收放大器均专用于所述多个操作模式中的不同操作模式；
第一差分功率放大器，具有输入和输出，并且被配置为在所述至少一个频带的第一频带内操作，并且进一步被配置为根据在输入处接收的差分输入信号在输出处产生放大差分输出信号，所述第一差分功率放大器唯一地专用于所述第一频带；
第一阻抗平衡电路，与所述第一差分功率放大器电通信，并且被配置为接收来自所述第一差分功率放大器的输出的所述差分输出信号，并且进一步被配置为根据所述差分输出信号产生单端输出信号，所述第一阻抗平衡电路随着操作模式被切换而可调，以改变施加于所述第一差分功率放大器的输出的阻抗；
天线开关，被配置为交替地将所述天线耦合至所述第一阻抗平衡电路或将所述天线耦合至所述多个接收放大器。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括模式开关以及多个双工器，所述双工器的数量等于所述多个接收放大器的数量，其中所述模式开关与所述第一阻抗平衡电路电通信并且被配置为接收来自所述第一阻抗平衡电路的所述单端输出信号，所述多个双工器中的每个双工器被配置为交替地将所述天线开关耦合至所述模式开关或者将所述天线开关耦合至所述多个接收放大器中的一个接收放大器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一阻抗平衡电路包括：
第一传输线和第二传输线，这两条传输线的每一条均具有第一端和第二端，
每条传输线均包括导电带、与所述导电带相邻的接地面以及设置在所述导电带与所述接地面之间的介电层，所述接地面的特征在于宽度大于所述导电带的宽度，其中在相应的第一端处横跨所述两条传输线的接地面施加所述差分输出信号，
第一电连接，在所述两条传输线的第一端处接合所述两条传输线的所述导电带，
第二电连接，在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的所述接地面，
所述第一阻抗平衡电路被配置为在所述第一传输线的第二端处从所述第一传输线的导电带产生单端输出信号；以及
可变电容器，在所述第二传输线的第二端处电耦合至所述第二传输线的导电带。
10.根据权利要求9所述的设备，其中每条传输线均包括微带。
11.根据权利要求9所述的设备，其中在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的接地面的所述第二电连接附加地耦合至地。
12.根据权利要求9所述的设备，其中在所述两条传输线的第二端处接合所述两条传输线的接地面的所述第二电连接附加地耦合至DC偏置电压。
13.根据权利要求7所述的设备，还包括：
第二差分功率放大器，具有输入和输出，并且被配置为在第二频带内操作，并且进一步被配置为根据在输入处接收的差分输入信号在输出处产生放大差分输出信号，所述第二差分功率放大器唯一地专用于所述第二频带；以及
第二阻抗平衡电路，与所述第二差分功率放大器电通信，并且被配置为接收来自所述第二差分功率放大器的输出的所述差分输出信号，并且进一步被配置为根据所述差分输出信号产生单端输出信号，所述第二阻抗平衡电路随着操作模式被切换而可调，以改变施加于所述第二差分功率放大器的输出的阻抗。
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