CN106470014A - 具有谐波防止电路的输出阻抗匹配网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有谐波防止电路的输出阻抗匹配网络.用于RF功率放大器管芯的输出阻抗匹配网络包括谐波防止电路，该谐波防止电路用作在该大器的基频的短路电路以及在放大器的二次谐波频率的开路电路.在某些实现方式中，该谐波防止电路具有在基频谐振的一个或多个并联的电抗(LC)分支，以及使该谐波防止电路在二次谐波频率谐振的并联的电抗(电容性)分支.该谐波防止电路提高了RF功率放大器的功率传递和效率。

Description

具有谐波防止电路的输出阻抗匹配网络

技术领域

本发明涉及电子器件，并且更具体地，涉及用于RF功率放大器的输出阻抗匹配网络等.

背景技术

RF功率放大器(例如用于基站的RF功率放大器)通常与输入和输出阻抗匹配网络一起实施，所述输入和输出阻抗匹配网络分别和该放大器的有源电路的输入节点和输出节点相连接，以将该RF功率放大器的输入和输出阻抗与分别和该RF功率放大器的上游和下游相连接的组件的阻抗匹配。

图1是传统的集成RF功率放大器100的示意电路图，该RF功率放大器100具有接收RF输入信号115的输入节点110并且在放大器输出节点150处提供相应的放大的RF输出信号145.具体地，位于放大器输入节点110处的RF输入信号115被施加到输入阻抗匹配网络120，并且所产生的过滤的RF信号125被施加到有源器件130的输入(例如，栅极).在该有源器件130的输出(例如，漏极)处的所结果产生的放大的RF信号135被施加到输出阻抗匹配网络140，并且在该放大器输出节点150处提供所产生的过滤的RF信号(即，放大的RF输出信号145).尽管该有源器件130在图1中呈现为单个功率晶体管，该有源器件130有时也可以使用包括多个晶体管以及其它电子组件的适合的配置的更多有关的有源电路来实现。

如图1所示，传统的输入阻抗匹配网络120包括电感L_G1和L_G2以及电容器C_MOSCAP.类似的，传统的输出阻抗匹配网络140包括电感器L_D1、L_D2和L_D3以及表示离散分路电容器的电容的电容器C_ShuntCAP和C_Bondback。C_Bondback的电容值通常是C_ShuntCAP的电容值的十倍。包括电感器L_D2和电容器C_ShuntCAP的串联连接的分支用作在基频ω的纯电感器，而包括电感器L_D3和电容器C_Bondback的串联连接的分支用作在基频ω的纯电容器.RF功率放大器100管芯的输出阻抗Z_{L_Die}由下面的公式(1)给出：

其中：

ω是放大的RF信号135的频率(弧度/秒)；

R_D1、R_D2和R_D3是分别与固有电感器L_D1、L_D2和L_D3相关联的固有电阻；以及

Z_{L_PCB}是由RF功率放大器100看到的在其输出节点150处的电路阻抗，其基本上取决于例如配置在RF功率放大器芯片所安装的印刷电路板(PCB)上的下游细件.

在一些实施方式中，电感L_D3和电容C_Bondback的串联组合的谐振频率基本上与放大的RF信号135的二次谐波频率匹配.在这种情况下，功率放大器100将以减少的功率和降低的效率来运作。

附图说明

根据下列详细的说明、所附权利要求以及附图，本发明的实施例将变得更加清楚，其中附图中相同的附图标记指示相似或相同的元件。

图1是传统的集成RF功率放大器的示意电路图；

图2是根据本发明的一个实施例的集成RF功率放大器的示意电路图；

图3是根据本发明的一个实施例的输出阻抗匹配网络的一部分的示意电路图；

图4是可以用于实现图3的电感器L_Fun的结构的透视图；

图5是可以用于实现图3的电容器C_Fun和C_Fun1中的每个的结构的透视图；

图6是图4和图5的结构的串联组合所产生的结构的透视图；

图7是可以用于实现图3的电容器C_Har的结构的透视图；

图8是可以用于实现图3的分路电容器C_BBcap的一半的结构的透视图；

图9是与图3的谐波防止电路对应的结构的透视图；以及

图10是与图3的电容器C_Bondpad和C_BBcap以及谐波防止电路对应的结构的透视图。

具体实施方式

此处公开本发明的详细的例示性实施例.然而，此处公开的具体结构以及功能性细节仅仅是代表性的，用于描述本发明的示例实施例.本发明可以具体体现为多种替代的形式并且不该被解释为仅仅局限于此处所描述的实施例.此外，此处用到的术语仅用于描述特定实施例，而不意图限定本发明的示例实施例.

正如此处所用到的，单数形式的“一”、“一个”以及“该”也意图包含复数形式，除非上下文明确地另外有所表示。还将理解，术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”指明所陈述的特征、步骤或者组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、步骤或组件的存在或者添加.还应注意的是在一些替代的实施方式中，所记载的功能/动作可能以附图中出现的次序以外的次序发生.例如，顺序示出的两张图实际上可以是基本上同时执行的或者有时可以是以相反的顺序执行的，这取决于所涉及的功能/动作。

在一个实施例中，制造的物品包括放大器，所述放大器包括有源电路以及输出阻抗匹配网络，所述输出阻抗匹配网络将该有源电路的输出与该放大器的输出节点连接以为该放大器提供理想的输出阻抗，其中该输出阻抗匹配网络包括谐波防止电路，所述谐波防止电路用作(i)在该放大器的基频的短路电路以及(ii)在该放大器的基频的二次谐波的开路电路.

图2是根据本发明的一个实施例的集成RF功率放大器200的示意电路图，所述RF功率放大器200具有接收RF输入信号215的输入节点210并且在放大器输出节点250处提供相应的放大的RF输出信号245.如图1的传统RF功率放大器100所示，在放大器输入节点210处的RF输入信号215被施加于输入阻抗匹配网络220，并且所产生的过滤的RF信号225被施加于有源器件230.所产生的放大的RF信号235被施加于输出阻抗匹配网络240，并且所产生的过滤的RF信号作为放大的RF输出信号245呈现在输出节点250处.

图2的输入阻抗匹配网络220可以和图1的传统输入阻抗匹配网络120相同，并且图2的有源器件230可以和图1的传统有源器件130相同。图2的输出阻抗匹配网络240可以与图1的传统输出阻抗匹配网络140相似，不同之处在于输出阻抗匹配网络240还包括谐波防止电路242，所述谐波防止电路242包括(i)电感L₁，其表示离散电感器的电感，以及(ii)电容C₁和C₂，其表示两个离散电容器的电容。电感器L₁和电容器C₁的串联组合形成第一电抗(即，LC)分支，而电容器C₂形成第二电抗(即，电容性)分支.RF功率放大器200管芯的输出阻抗Z_{L_Die}可以由下面的公式(2)给出：

其中：

ω是放大的RF信号235的频率(弧度/秒)；以及

谐波防止电路242具体设计为实现两种操作特性：

(1)第一电抗分支(即，电感器L₁和电容器C₁的串联组合)在基频ω谐振，使得该第一电感分支的功能如同在基频ω的短路电路，而对于二次谐波频率的信号如同纯电感器；以及

(2)(i)第一电抗分支和(ii)第二电抗分支(即，电容器C₂)的并联组合在基频ω的二次谐波谐振，其产生在二次谐波频率的开路电路.

(3)对于基频F₀(单位为H_z，其中ω＝2πF₀)，为了实现上述两个操作特性，电感L₁和电容C₂可以根据下列公式(3)和(4)以电容C₁来定义：

上述两种操作特性的效果是该谐波防止电路242用作(i)在基频的短路电路以及(ii)在二次谐波频率的开路电路.这样，在阻抗匹配方面，该谐波防止电路242允许大部分基频能量传递到该输出节点250，通过阻止有源器件230的漏极与二次谐波的坏区预先匹配而阻止大部分二次谐波频率能量到达该输出节点250.作为结果，比起图1的传统RF功率放大器100，图2的RF功率放大器200能够以更低的功率损耗和更高的效率运作.

图3是根据本发明的另一个实施例的输出阻抗匹配网络CF的一部分的示意电路图.图3中示出的部分与图2的输出阻抗匹配网络240的由电感L_D3、谐波防止电路242以及电容C_Bondback构成的部分相对应。在这个实施例中，图2的谐波防止电路242被图3的谐波防止电路342代替，并且电容C_Bondback在图3中由两个电容器表示：C_Bondpad，其表示接合焊盘的固有电容，以及C_BBcap，其表示离散分路电容器的电容.

如图3所示，该谐波防止电路342包括(i)电感L_Fun和L_Fun1，其表示两个离散电感器的电感以及(ii)电容C_Fun、C_Fun1和C_Har，其表示三个离散电容器的电容.电感器L_Fun和电容器C_Fun的串联组合形成第一电抗(即，LC)分支，电容器C_Har形成第二电抗(即，电容)分支，而电感器L_Fun1和电容器C_Fun1的串联组合形成第三电抗(即，LC)分支.注意到，在一些但不必是所有的实现方式中，L_Fun＝L_Fun1且C_Fun＝C_Fun1.与谐波防止电路242相似，谐波防止电路342具体设计为实现三种操作特性：

(1)第一电抗分支(即，电感器L_Fun和电容器C_Fun的串联组合)在基频ω谐振；

(2)第三电抗分支(即，电感器L_Fun1和电容器C_Fun1的串联组合)在基频ω谐振；以及

(3)(i)第一电抗分支、(ii)第二电抗分支(即，电容器C_Har)和(iii)

第三电抗分支的并联组合在基频ω的二次谐波谐振。

此处，同样，上述三个操作特性的效果是该谐波防止电路342用作(i)在基频的短路电路以及(ii)在二次谐波频率的开路电路.这样，与图2的谐波防止电路242相似，该谐波防止电路342允许大部分基频能量传递到输出节点350，同时阻止大部分二次谐波频率能量到达输出节点350.作为结果，与图2的RF功率放大器200相似，比起图1的传统RF功率放大器100，具有图3的谐波防止电路342的RF功率放大器能够以更低的功率损耗和更高的效率运作.

图4是可以用来实现图3的电感器L_Fun的结构400的透视图。在一个实施例中，结构400是使用标准IC(集成电路)处理的两个金属层形成的，并且在一个实施例中，实现了具有1.5匝圆形螺旋金属线的1.86GHz处的676pH电感.应注意的是，匝数是螺旋金属线的数量并且当操作频率或者结构500发生变化时等同电感会不同.更具体地，图4的结构400的等同电感(以及图5的结构500的等同电感)必须遵从公式(3)。将理解的是，图3的电感器L_Fun1可以使用相同的或者类似的结构来实现.

图5是可以用来实现图3的电容器C_Fun和C_Fun1的示例结构500的透视图，其中结构500由两个平行的金属板实现。在一个实施例中，金属板具有238um×138um(l×w)的尺寸，其通过6个并联的基本电容器元件502的实例实现在1.86GHz处的10.8PF等同电容.将理解的是，如果基本电容器元件502的尺寸变化的话，那么可以改变所需要的并联实例的数量来维持总的等同电容，并且如果特定操作频率或者图4的结构400发生变化的话，那么该结构500的相应的等同电容应该遵从公式(3).

图6是图4的结构400与图5的结构500的串联组合的所产生的结构600的透视图，其通过将图4的结构400的金属n与图5中结构500的底部金属板连接来实现.这样，结构600可以被用来实现图3的电感器L_Fun和电容器C_Fun的串联组合。将理解的是，图3的电感器L_Fun1和电容器C_Fun1的串联组合可以使用相同或者类似的结构来实现。

图7是可以用来实现图3的电容器C_Har的结构700的透视图，其中结构700由两个平行的金属板来实现.一在个实施例中，金属板具有137um×112um(l×w)的尺寸，实现了在1.86GHz处的5.08PF等同电容，用于特定的1.8GHz的施加.将理解的是，如果操作频率或者图4的结构400发生变化的话，特定的金属板尺寸是可以改变的。

图8是可以用来实现图3中分路电容器C_BBcap的一半的结构800的透视图.结构800由两个平行的金属板来实现，并且底部金属板使用通路接地.

图9是与图3的谐波防止电路342对应的结构900的透视图。具体地，结构900使用如下结构实现：用于图3的电感器L_Fun和电容器C_Fun的串联组合的图6的结构600，类似于用于图3的电感器L_Fun1和电容器C_Fun1的串联组合的结构600的结构，以及用于图3的电容器C_Har的图7的结构700。

图10是与图3的电容C_Bondpad和C_BBcap以及谐波防止电路342的配置对应的结构1000的透视图.具体地，使用以下部件来实现结构1000：(i)用于分路电容器C_BBcap的图8的结构800的两个实例以及(ii)用于谐波防止电路342的图9的结构900。注意到，电容C_Bondpad是接合焊盘1002的固有电容。

尽管已经将谐波防止电路342说明为使用图10中所示的特定结构来实现，但本领域技术人员将理解的是，很多不同的结构可以用来实现谐波防止电路342的各种组件.

尽管已经在特定的谐波防止电路242和342的背景下说明了本发明，但一般来说，任何起到以下作用的电路都可以用作RF功率放大器的输出阻抗匹配网络中的谐波防止电路来实现类似的结果：(i)在放大器的基频短路和(ii)在放大器的二次谐波频率开路。本领域技术人员将理解的是存在电路组件的很多不同组合，以完成那些功能的结果.

为了说明的目的，术语“耦合”、“耦合着”、“耦合的”、“连接”、“连接着”或“连接的”指的是本领域任何已知的或者以后开发的方式，其允许能量在两个或更多元件之间传输，并且预期了一个或更多额外的元件的插入(但不是必须的).相反地，术语“直接耦合”、“直接连接”等暗示着不存在这种附加元件.

信号以及相应的端子、节点、端口或者路径可以由相同的名称指示并且为了本文的目的是可互换的.

为了例示性目的，通常将晶体管示出为单个器件.然而，本领域技术人员将理解的是，晶体管具有各种尺寸(例如，栅极宽度和栅极长度)和特性(例如，阈值电压、增益等)并且可以包括多个并联耦合的晶体管来通过组合得到想要的电学特性.此外，例示的晶体管可以是复合晶体管。

正如说明书和权利要求书中使用的，术语“沟道节点”一般指的是金属氧化物(MOS)晶体管器件(还可以称为MOSFET)的源极或者漏极，术语“沟道”指的是通过源极和漏极之间的器件的路径，以及术语“控制节点”一般指的是MOSFET的栅极.相似地，正如权利要求中使用的那样，术语“源极”、“漏极”以及“栅极”应理解为指的是MOSFET的源极、漏极和栅极或者当本发明的实施例是使用双极性晶体管技术来实现时的双极性器件的发射极、集电极和基极。

除非明确的另有所述，每个数值和范围应该解释为近似的，就如同“大约”或“近似地”用在了值或者范围之前.

还将理解的是，本领域技术人员可以做出对已经说明且例示以便解释本发明的实施例的部件的细节、材料以及布置的各种改变，而不背离由所附权利要求所包含的本发明实施例.

在本说明书(包括任何权利要求)中，术语“每个”可以用来指示多个之前已经记载的元件或步骤中的一个或多个特定特征.当采用开放式的术语“包括”时，术语“每个”的记载不排除额外的、未记载的元件或步骤。因此，将理解的是，装置可以具有额外的、未记载的元件而方法可以具有额外的、未记载的步骤，其中额外的、未记载的元件或步骤不具有一个或多个特定特征。

此处引用的“一个实施例”或“实施例”意味着与实施例结合地描述的具体的特征、结构或者特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处的“在一个实施例中”这样的词语的出现不必全都指的是相同的实施例，也不是一定与其它实施例互相排斥的单独的或可替代的实施例.同样的情况施加于术语“实现方式”。

Claims (10)

1.一种包括放大器的制造物品，包括：

有源电路；以及

输出阻抗匹配网络，其将该有源电路的输出与该放大器的输出节点连接，以提供用于该放大器的理想的输出阻抗，其中该输出阻抗匹配网络包括谐波防止电路，所述谐波防止电路用作(i)在放大器的基频的短路电路以及(ii)在该放大器的基频的二次谐波的开路电路。

2.如权利要求1所述的物品，其中：

该放大器是集成RF功率放大器管芯；以及

该放大器还包括将该放大器的输入节点连接到该有源电路的输入的输入阻抗匹配网络。

3.如权利要求1所述的物品，其中该谐波防止电路包括：

第一电抗分支，具有与该放大器的该基频基本上相等的谐振频率；以及

第二电抗分支，与该第一电抗分支并联，使得该谐波防止电路具有与该放大器的基频的二次谐波频率基本上相等的谐振频率。

4.如权利要求3所述的物品，其中：

该第一电抗分支包括与第一分支电容器串联连接的第一分支电感器；以及

该第二电抗分支包括第二分支电容器。

5.如权利要求3所述的物品，其中：

在二次谐波频率，第一电抗网络分支基本上用作纯电感器；以及

在该二次谐波频率，该第二电抗分支基本上用作纯电容器。

6.如权利要求3所述的物品，其中该谐波防止电路包括第三电抗分支，所述第三电抗分支(i)与该第一电抗分支和该第二电抗分支并联连接以及(ii)具有与该放大器的基频基本上相等的谐振频率。

7.如权利要求6所述的物品，其中：

该第三电抗分支包括与第三分支电容器串联连接的第三分支电感器；

该第一分支电感器和该第三分支电感器具有基本上相等的电感；以及

该第一分支电容器和该第三分支电容器具有基本上相等的电容。

8.如权利要求1所述的物品，其中：

该谐波防止电路连接在该有源电路的输出和该放大器的该输出节点之间；

引线将该有源电路的该输出连接到该谐波防止电路；以及

该输出阻抗匹配网络还包括(i)连接到该引线的第一分路电容器以及(ii)连接到该谐波防止电路的第二分路电容器。

9.如权利要求1所述的物品，其中：

该放大器是集成RF功率放大器管芯；

该放大器还包括输入阻抗匹配网络，该输入阻抗匹配网络将该放大器的输入节点与该有源电路的输入相连接；

该谐波防止电路包括：

第一电抗分支，其具有与该放大器的该基频基本上相等的谐振频率，其中该第一电抗分支(i)包括与第一分支电容器串联连接的第一分支电感器以及(ii)在该二次谐波频率基本上用作纯电感器；以及

第二电抗分支，其与该第一电抗分支并联连接，使得该谐波防止电路具有与该放大器的基频的二次谐波频率基本上相等的谐振频率，其中该第二电抗分支(i)包括第二分支电容器以及(ii)在该二次谐波频率基本上用作纯电容器；

该谐波防止电路连接在该有源电路的输出与该放大器的输出节点之间；

引线将该有源电路的输出连接到该谐波防止电路；以及

该输出阻抗匹配网络还包括(i)连接到该引线的第一分路电容器以及(ii)连接到该谐波防止电路的第二分路电容器。

10.如权利要求9所述的物品，其中该谐波防止电路包括：

第三电抗分支，该第三电抗分支(i)与该第一电抗分支和该第二电抗分支并联连接以及(ii)具有与该放大器的基频基本上相等的谐振频率；

其中该第三电抗分支包括与第三分支电容器串联连接的第三分支电感器；

该第一分支电感器和该第三分支电感器具有基本上相等的电感；以及

该第一分支电容器和该第三分支电容器具有基本上相等的电容。