CN107431461A - 具有am‑am补偿的多尔蒂功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大系统包括:多尔蒂功率放大器(PA),被配置为接收电压电源信号和射频(RF)信号,并使用该电压电源信号生成经放大的RF信号,该多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器。提供了一种载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到载波放大器和载波放大器偏压电路中的一个或多个,其中,峰值放大器偏压电路被配置为基于载波放大器的饱和程度向峰值放大器提供峰值偏压信号。

Description

具有AM-AM补偿的多尔蒂功率放大器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2015年2月15日提交的标题为“DOHERTY POWER AMPLIFIERHAVING AM-AM COMPENSATION”的第62/116,461号美国临时申请的优先权,通过引用将其公开全部并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及电子领域,并且更具体地涉及射频(RF)模块和器件。
背景技术
可以使用功率放大器(PA)电路对RF信号进行放大。对于诸如多尔蒂(Doherty)PA这样的PA,效率、线性度以及其他参数可能影响放大器性能。
发明内容
在一些实现方式中,本申请涉及一种功率放大系统,其包括:多尔蒂功率放大器(PA),被配置为接收电压电源信号和射频(RF)信号,并使用所述电压电源信号生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器。所述功率放大系统还可以包括载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,所述峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度(saturation level)向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号。
在一些实施例中,所述系统还包括:输出路径,被配置为接收来自所述多尔蒂PA的经放大的RF信号并将其路由到滤波器,所述输出路径基本上没有阻抗变换电路。所述载波放大器可以以最高可能效率操作或者接近于最高可能效率地操作。
所述峰值放大器偏压信号可以与所述载波放大器的饱和程度成比例。在一些实施例中,所述峰值放大器偏压电路被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的输出。在一些实施例中,所述载波放大器和所述峰值放大器均包括共射共基(cascode)晶体管。
在一些实现方式中,本申请涉及一种射频(RF)模块,其包括:封装基板,被配置为容纳多个部件;以及功率放大系统,实现在所述封装基板上,所述功率放大系统包括包含多尔蒂功率放大器(PA)的功率放大系统,所述多尔蒂功率放大器(PA)被配置为接收射频(RF)信号并生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器,所述功率放大系统还包括载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,所述峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号。所述峰值放大器偏压信号与所述载波放大器的饱和程度成比例。
在一些实施例中,所述峰值放大器偏压电路被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的输出。所述载波放大器和所述峰值放大器可以均包括共射共基晶体管。
在一些实现方式中,本申请涉及一种无线装置,其包括:收发器,被配置为产生射频(RF)信号;以及与所述收发器通信的前端模块(FEM),所述FEM包括被配置为容纳多个部件的封装基板,所述FEM还包括实现在所述封装基板上的功率放大系统,所述功率放大系统包括多尔蒂功率放大器(PA),所述多尔蒂功率放大器(PA)被配置为从所述收发器接收所述RF信号并生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器,所述功率放大系统还包括载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,所述峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号。所述无线装置还可以包括与所述FEM通信的天线,所述天线被配置为发射经放大的RF信号。
在一些实施例中,所述峰值放大器偏压信号与所述载波放大器的饱和程度成比例。所述峰值放大器偏压电路可以被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。所述峰值放大器偏压信号可以基于所述载波放大器的输出。所述载波放大器和所述峰值放大器可以均包括共射共基晶体管。
附图说明
在附图中描绘各个实施例,用于说明的目的,而决不应当被解释为限制本发明的范围。另外,可以组合所公开的不同的实施例的各个特征以形成作为本申请的一部分的附加实施例。贯穿所有附图,可以重用标号,以指示所涉及的元件之间的对应性。
图1是根据一个或多个实施例的具有放大系统的无线系统或架构的框图。
图2是根据一个或多个实施例的包括具有一个或多个功率放大器(PA)的射频(RF)放大器组件的放大系统的框图。
图3A至图3E是根据各个实施例的示例PA电路的图。
图4是根据一个或多个实施例的包括具有一个或多个PA的RF放大器组件的放大系统的框图。
图5是根据一个或多个实施例的多尔蒂功率放大系统的框图。
图6是根据一个或多个实施例的多尔蒂功率放大系统的图。
图7是根据一个或多个实施例的高电压(HV)多尔蒂功率放大系统的图。
图8是根据一个或多个实施例的多尔蒂功率放大系统的图。
图9是根据一个或多个实施例的多尔蒂功率放大系统的图。
图10示出表示根据一个或多个实施例的多尔蒂放大系统的性能特性的示例的曲线图。
图11是根据一个或多个实施例的包括可变峰值放大器偏压控制的多尔蒂放大系统的图。
图12是根据一个或多个实施例的包括可变峰值放大器偏压控制的多尔蒂放大系统的图。
图13A和图13B分别是图12的放大系统的载波部分和峰值部分的详细表示。
图14示出表示根据一个或多个实施例的多尔蒂放大系统的性能特性的示例的曲线图。
图15示出表示根据一个或多个实施例的多尔蒂放大系统的AM-AM(调幅到调幅)、PAE(功率附加效率)和AM-PM(调幅到调相)特性的示例的曲线图。
图16示出表示根据一个或多个实施例的各个放大系统中的电池电量(battery-level)效率的示例的曲线图。
图17是根据一个或多个实施例的前端模块(FEM)的框图。
图18是根据一个或多个实施例的无线装置的框图。
具体实施方式
在本文中所提供的标题(如果有)仅仅是为了方便,而未必影响所要求保护的发明的范围或含义。
引言
参考图1,本申请的一个或多个特征一般地涉及具有放大系统52的无线系统或架构50。在一些实施例中,放大系统52可以实现为一个或多个装置,并且可以在无线系统/架构50中利用这样的装置。在一些实施例中,无线系统/架构50可以实现在例如便携式无线装置中。在本文中描述这样的无线装置的示例。
图2示出,图1的放大系统52典型地包括具有一个或多个功率放大器(PA)的射频(RF)放大器组件54。在图2的示例中,将三个PA(60a至60c)描绘为形成RF放大器组件54。应当理解,也可以实现其他数量的PA。还应当理解,也可以在具有其他类型的RF放大器的RF放大器组件中实现本申请的一个或多个特征。
在一些实施例中,RF放大器组件54可以实现在一个或多个半导体晶片(die)上,并且这样的晶片可以包括在诸如功率放大器模块(PAM)或前端模块(FEM)这样的封装模块中。这样的封装模块典型地安装在与例如便携式无线装置相关联的电路板上。
放大系统52中的PA(例如,60a至60c)典型地由偏压系统56施加偏压。另外,针对PA的电源电压典型地由电源系统58提供。在一些实施例中,偏压系统56和电源系统58中的任何一者或两者可以包括在前述具有RF放大器组件54的封装模块中。
在一些实施例中,放大系统52可以包括匹配网络62。这样的匹配网络可以被配置为给RF放大器组件54提供输入匹配和/或输出匹配功能。
出于描述的目的,应当理解,图2的每个PA(60)可以以多种方式来实现。图3A至图3E示出如何能够配置这样的PA的非限制性的示例。图3A示出具有放大晶体管64的示例PA,其中,输入RF信号(RF_in)提供到晶体管64的基极,并且经放大的RF信号(RF_out)通过晶体管64的集电极输出。
图3B示出具有以多级布置的多个放大晶体管(例如,64a、64b)的示例PA。输入RF信号(RF_in)提供到第一晶体管64a的基极,并且来自第一晶体管64a的经放大的RF信号通过其集电极输出。来自第一晶体管64a的经放大的RF信号提供到第二晶体管64b的基极,并且来自第二晶体管64b的经放大的RF信号通过其集电极输出,由此生成PA的输出RF信号(RF_out)。
在一些实施例中,可以将图3B的前述示例PA配置描绘为如图3C中所示的两级或更多级。可以将第一级64a配置为例如驱动器级,并且可以将第二级64b配置为例如输出级。
图3D示出,在一些实施例中,PA可以被配置为多尔蒂PA。这样的多尔蒂PA可以包括放大晶体管64a、64b,放大晶体管64a、64b被配置为提供输入RF信号(RF_in)的载波放大和峰值放大,以生成经放大的输出RF信号(RF_out)。输入RF信号可以由分离器分离为载波部分和峰值部分。经放大的载波和峰值信号可以由组合器组合以生成输出RF信号。在一些配置中,相比于平衡放大器,多尔蒂放大器可以提供相对提高的效率,并且可以特别适用在RF通信系统中。可以对图3D的多尔蒂放大器的两个放大器施加不同的偏压,其中,载波放大器64a可以被施加偏压,作为“正常的”AB类放大器(例如,被配置为在基本上任何功率电平时提供增益),而峰值放大器64d可以被施加偏压,作为C类放大器(例如,被配置为仅在信号周期的一部分执行,诸如在该周期的基本上一半执行)。相比于平衡放大器,多尔蒂放大器可以在回退的(backed-off)功率电平下提供至少部分提高的功率附加效率。在一些实施例中,载波放大器64a和峰值放大器64b的输出可以按照90度异相;四分之一波长的传输线的添加可以使信号恢复为同相并且被动地组合这些信号。
图3E示出,在一些实施例中,PA可以以共射共基(cascode)配置来实现。输入RF信号(RF_in)可以提供到作为共发射极器件操作的第一放大晶体管64a的基极。第一放大晶体管64a的输出可以通过其集电极提供,并且提供到作为共基极器件操作的第二放大晶体管64b的发射极。第二放大晶体管64b的输出可以通过其集电极提供,以便生成PA的经放大的输出RF信号(RF_out)。
在图3A至图3E的各个示例中,放大晶体管被描述为诸如异质结双极晶体管(HBT)这样的双极结型晶体管(BJT)。应当理解,本申请的一个或多个特征也可以以或利用诸如场效应晶体管(FET)这样的其他类型的晶体管来实现。
图4示出,在一些实施例中,图2的放大系统52可以实现为高电压(HV)功率放大系统100。这样的系统可以包括HV功率放大器组件54,HV功率放大器组件54被配置为包括一些或全部的PA(例如,60a至60c)的HV放大操作。如在本文中所描述的那样,这样的PA可以由偏压系统56施加偏压。在一些实施例中,前述的HV放大操作可以由HV电源系统58促成。在一些实施例中,可以实现接口系统72,以提供在HV功率放大器组件54与偏压系统56和HV电源系统58中的任何一者或两者之间的接口功能。
与HV系统有关的示例
诸如蜂窝手机这样的许多无线装置被配置为支持多个频带,并且这样的装置典型地需要复杂的功率放大架构。然而,功率放大架构中的这样的复杂性可能随着所支持的频带的数量的增加而导致发射效率的劣化。典型地,这样的效率的劣化主要由于在维持竞争的尺寸和成本目标的同时组合多个频带所导致的增加的损耗。
一些无线系统可以包括以多尔蒂配置来配置的功率放大器(PA)。这样的配置典型地包括针对RF信号的载波部分和峰值部分的单独的放大路径。将这样的信号分离到两个放大路径中,并且组合经单独放大的载波部分和峰值部分以生成经放大的输出信号。
在本文中描述可以针对多尔蒂PA提供有利特征的系统、电路、装置和方法的示例。这样的有利特征可以包括例如在维持或改善尺寸和/或成本的竞争水平的同时显著地减少损耗。图5示出,在一些实施例中,图4的HV功率放大系统100可以被配置为多尔蒂功率放大系统。在一些实施例中,这样的多尔蒂功率放大系统可以包括高电压操作能力。
多尔蒂功率放大架构能够以适中的峰均(peak-average)波形提供发射效率方面的显著优点。然而,这样的架构的物理实现方式典型地涉及增加的无源部件的内容,以在放大器输出处提供诸如相移和阻抗变换网络这样的功能。
如在本文中所描述的那样,多尔蒂功率放大架构可以利用升压转换器将放大器电源电压增加到允许在例如50Ω阻抗而没有阻抗变换网络的情况下的放大器操作的水平。这样的架构可以允许例如无源部件内容的显著的简化和集成,其系统材料清单(BOM)可相比于单端放大配置。
在图5的示例中,HV多尔蒂功率放大系统100可以包括具有被配置为放大一个或多个RF信号(RF_In)的一个或多个PA的功率放大器组件104。这样的经放大的RF信号可以通过具有一个或多个匹配电路的匹配部件106而路由到具有一个或多个双工器的双工器组件108。
双工器可以允许发射(Tx)和接收(Rx)操作的双工。这样的双工操作的Tx部分被描绘为从双工器组件108输出以便通过天线(未示出)发射的一个或多个经放大的RF信号(RF_Out)。在图5的示例中,未示出Rx部分;然而,来自天线的接收信号可以由双工器组件108接收,并输出到例如低噪声放大器(LNA)。
在图5的示例中,示出HV电源系统102以向功率放大器组件104提供一个或多个HV电源信号。在本文中更详细地描述如何能够将这样的HV信号提供给对应的PA的更具体的示例。
在一些实施例中,图5的HV多尔蒂功率放大系统100可以利用诸如例如砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)PA这样的一些PA的高电压能力。应当理解,本申请的一个或多个特征也可以用其他类型的PA实现。例如,利用具有LDMOS多共射共基级的CMOS器件、硅双极器件以及GaN/HEMT器件的放大系统也可以受益于在高电压区域中的操作。
通过PA的这样的HV操作,可以从放大系统消除一个或多个有损部件。例如,可以消除PA输出匹配网络。在另外的示例中,可以提高PA电源效率。在又一示例中,可以去除一些无源部件。在本文中更详细地描述与前述有关的示例。
与HV操作相关联的前述特征中的一个或多个可以得到以更小的尺寸实现的一个或多个晶片,从而允许功率放大系统设计中的更大的灵活性。例如,功率放大系统可以用增加数量的相对较小的PA来实现,从而允许消除诸如频带开关这样的有损部件。在本文中更详细地描述与频带开关的这样的消除有关的示例。
为了描述的目的,应当理解,高电压(HV)可以包括比在便携式无线装置中所利用的电池电压更高的电压值。例如,HV可以大于3.7V或4.2V。在一些情况下,HV可以包括大于电池电压的电压值,便携式无线装置可以以该电压值更有效地操作。在一些情形中,HV可以包括大于电池电压并且小于与给定类型的PA相关联的击穿电压的电压值。在GaAs HBT的示例背景下,这样的击穿电压可以在15V至25V的范围内。相应地,GaAs HBT PA的HV可以在例如3.7V至25V、4.2V至20V、5V至15V、6V至14V、7V至13V、或者8V至12V的范围内。
图6和图7示出传统的多尔蒂功率放大系统110(图6)与高电压(HV)多尔蒂功率放大系统100(图7)之间的比较,以展示如何可以在HV多尔蒂功率放大系统100中基本上消除一些有损部件。为了比较的目的,假设每个功率放大系统被配置为针对三个频带提供放大。然而,应当理解,可以利用更多或更少的数量的频带。
在图6的示例中,传统的多尔蒂功率放大系统110被示为包括功率放大器组件114,功率放大器组件114具有能够针对三个频带提供放大的宽带载波放大路径130和宽带峰值放大路径132。在该示例中,载波放大路径130和峰值放大路径132中的每个被示为包括两个级,例如驱动器级(130a或132a)和输出级(130b或132b);然而,应当理解,可以存在其他数量的级。
前述放大路径130、132可以通过公共输入节点126接收输入RF信号,并且这样的RF信号可以通过例如DC阻断电容128进行路由,并且被分离到载波放大路径130和峰值放大路径132中。在一些实施例中,放大级130a、130b、132a、132b中的每个可以包括例如HBT或CMOS放大晶体管。
在图6的示例中,输出级130b的集电极被示为从电池电压源(Vbatt)通过扼流电感124提供电源电压VCC。
当功率放大器组件以前述方式操作时,典型地,需要进行阻抗变换,以使PA的阻抗和与下游部件相关联的阻抗相匹配。在图6的示例中,接收功率放大器组件114的输出的频带开关138(被描绘为频带开关系统118的一部分)典型地被配置为50Ω负载。相应地,需要实现生成这样的50Ω的阻抗负载的阻抗变换。在图6的示例中,这样的阻抗变换被示为由输出匹配网络(OMN)136来实现,输出匹配网络(OMN)136被描绘为负载变换系统116的一部分。
在图6的示例中,频带开关138被描绘为具有来自功率放大器组件114(通过OMN136)的输出的单个输入、以及对应于三个示例频带的三个输出。三个双工器142a至142c被示为针对这样的三个频带来提供。
三个双工器142a至142c中的每个被示为包括TX滤波器和RX滤波器(例如,带通滤波器)。TX滤波器被示为耦接到频带开关138,以接收经放大且经开关路由的RF信号以便发射。将这样的RF信号示为被滤波并被路由到天线端口(ANT)(144a、144b或144c)。RX滤波器被示为从天线端口(ANT)(144a、144b或144c)接收RX信号。将这样的RX信号示为被滤波并被路由到RX部件(例如,LNA)以便进一步处理。
典型地,期望在给定的双工器与作为上游(在TX情况下)或下游(在RX情况下)的部件之间提供阻抗匹配。在图6的示例中,频带开关138是用于双工器的TX滤波器的这样的上游部件。相应地,匹配电路140a至140c(被描绘为PI网络120的一部分)被示为实现在频带开关138的相应的输出与相应的双工器142a至142c之间。在一些实施例中,这样的匹配电路140a至140c中的每个可以实现为例如PI匹配电路。
表格1列出图6的多尔蒂功率放大系统110的各个部件的插入损耗和效率的示例值。应当理解,所列的各个值是近似值。
表格1
根据表格1,可以看到,图6的多尔蒂功率放大系统110包括相当大数量的损耗贡献者。即使假设系统110的每个部件均以其效率的上限进行操作,ET功率放大系统110的总效率也约为32%(0.65×0.89×0.93×0.93×0.63)。
在图7的示例中,将HV多尔蒂功率放大系统100描绘为被配置为针对与在图6的多尔蒂功率放大系统110中相同的三个频带提供放大。在功率放大器组件104中,可以实现三个单独的放大路径,使得每个放大路径针对其相应的频带提供放大。例如,第一放大路径被示为包括第一多尔蒂PA(167a和168a),第一多尔蒂PA(167a和168a)通过DC阻断电容164a从输入节点162a接收RF信号。经放大的RF信号被示为通过电容170a而被路由到下游部件。类似地,第二放大路径被示为包括第二多尔蒂PA(167b和168b),第二多尔蒂PA(167b和168b)通过DC阻断电容164b从输入节点162b接收RF信号;并且经放大的RF信号被示为通过电容170b而被路由到下游部件。类似地,第三放大路径被示为包括第三多尔蒂PA(167c和168c),第三多尔蒂PA(167c和168c)通过DC阻断电容164c从输入节点162c接收RF信号;并且经放大的RF信号被示为通过电容170c而被路由到下游部件。
在一些实施例中,图7的示例中的多尔蒂PA可以包括例如HBT PA。应当理解,本申请的一个或多个特征也可以用其他类型的PA实现。例如,可以利用能够操作以生成匹配或接近于下游部件的阻抗(例如,通过HV操作和/或通过其他操作参数)的PA来生成在本文中所描述的一个或多个益处。
在图7的示例中,将每个载波PA(167a、167b或167c)示出为从升压DC/DC转换器160通过扼流电感(166a、166b或166c)提供电源电压VCC。升压DC/DC转换器160被描绘为HV系统102的一部分。升压DC/DC转换器160可以被配置为供应这样的VCC电压值的范围(例如,约1V至10V),包括在本文中所描述的HV范围或值。升压DC/DC转换器160被示为基于电池电压Vbatt生成高VCC电压。
当功率放大器组件104的多尔蒂PA以前述方式以高VCC电压(例如,约10V)操作时,每个PA的阻抗Z相对较高(例如,约40Ω至50Ω);因此,无需阻抗变换以匹配与下游部件和/或上游部件相关联的阻抗。相应地,可以实现两个阻抗变换网络的消除或简化。还要注意的是,功率放大器组件104的多尔蒂PA可以支持四分之一波组合网络的非常简单的集成。
在图7的示例中,接收对应的多尔蒂PA的输出的双工器174a至174c(被描绘为双工组件108的一部分)中的每个典型地被配置为50Ω负载。相应地,并且假设多尔蒂PA所呈现的阻抗(Z)约为50Ω,则不需要阻抗变换(诸如图6中的负载变换系统116)。
典型地,期望在给定的双工器与作为上游(在TX情况下)或下游(在RX情况下)的部件之间提供阻抗匹配。在图7的示例中,多尔蒂PA是用于双工器(174a、174b或174c)的TX滤波器的这样的上游部件。相应地,可以在多尔蒂PA的相应的输出与相应的双工器174a至174c之间实现匹配电路172a至172c(被描绘为PI网络106的一部分)。在一些实施例中,这样的匹配电路172a至172c中的每个可以实现为例如PI匹配电路。
在图7的示例中,多尔蒂PA的HV操作可以导致多尔蒂PA中的每个呈现与对应的双工器的阻抗相似的阻抗Z。因为在这样的配置中不需要阻抗变换,所以不需要阻抗变换器(图6中的116)。
还要注意的是,多尔蒂PA在较高阻抗下的操作能够导致PA中的低得多的电流水平。这样的较低的电流水平能够允许多尔蒂PA以显著减小的晶片尺寸来实现。
在一些实施例中,前述特征(阻抗变换器的消除和减小的PA晶片尺寸)中的任何一者或两者可以在功率放大架构设计中提供另外的灵活性。例如,由前述提供的空间和/或成本节省可以允许针对每个频带实现相对较小的多尔蒂PA,从而去除对频带开关系统(例如,图6中的118)的需要。相应地,在与图6的多尔蒂功率放大系统110相比的情况下,与图7的HV多尔蒂功率放大系统100相关联的尺寸、成本和/或复杂性可以维持或减小,同时显著地减少功率放大系统100的总体损耗。
表格2列出图7的HV多尔蒂功率放大系统100的各个部件的插入损耗和效率的示例值。应当理解,所列的各个值是近似值。
表格2
部件 插入损耗 效率
HV(102) N/A 93%
功率放大器组件(104) N/A 75%至80%(PAE)
PI(106) 0.3dB 93%
双工(108) 2.0dB 63%
根据表格2,可以看到,图7的HV多尔蒂功率放大系统100包括许多损耗贡献者。然而,在与图6和表格1的多尔蒂功率放大系统110相比的情况下,在图7的HV多尔蒂功率放大系统100中缺少两个显著损耗贡献者(负载变换(116)和频带开关(118))。在图7和表格2的示例中,这样的损耗贡献者的消除被示为在发射路径中去除约1dB。
还参考表格2,如果假设系统100的每个部件均以其效率的上限进行操作(如表格1的示例中那样),则HV多尔蒂功率放大系统100的总效率约为44%(0.93×0.80×0.93×0.63)。即使假设每个部件以其效率的下限进行操作,HV多尔蒂功率放大系统100的总效率也约为41%(0.93×0.75×0.93×0.63)。可以看到,在任何一种情况下,图7的HV多尔蒂功率放大系统100的总效率明显高于图6的多尔蒂功率放大系统110的总效率(约32%)。
参考图6和图7,可以注意到许多特征。要注意的是,使用DC/DC升压转换器(图7中的160)可以允许消除可能在PA系统中利用的一个或多个其他功率转换器。当进行操作以生成HV电源电压(例如,10V DC)时,可以在无谐波端接(termination)的情况下生成1瓦特((10V)2/(2x50Ω))的RF功率。还要注意的是,相比于被驱动为3Ω负载的PA(例如,图6),被驱动为50Ω负载的PA(例如,图7)导致针对每欧姆的明显更低的损耗。
图8示出可以作为图7的HV多尔蒂功率放大系统100的更具体的示例的HV多尔蒂功率放大系统200。在图8的示例中,功率放大器组件可以包括载波PA 167和峰值PA 168。载波PA和峰值PA中的每个被描绘为处于共射共基配置。然而,应当理解,在本文中所例示和/或所描述的功率放大器可以是任何类型的功率放大器,并且可以包括任何数量的级。
在图8的示例中,载波PA 167可以在例如AB类偏压的情况下操作,而峰值PA 168可以在例如C类偏压的情况下操作。更具体地,载波PA 167的RF晶体管被示为以AB类配置被施加偏压,而峰值PA 168的RF晶体管被示为以C类配置被施加偏压。载波PA 167和峰值PA 168中的每个的共射共基晶体管被示为由其相应的共射共基偏压电路施加偏压。
在图8的示例中,可以在公共输入端口162处接收RF信号,并且这样的信号可以由输入分离器202分离到载波放大路径和峰值放大路径中。载波部分被示为提供给载波PA167,而峰值部分被示为通过输入反相器204提供给峰值PA 168。
在图8的示例中,来自212的电源电压VCC被示为提供给载波PA 167和峰值PA 168的每个共射共基晶体管的集电极。更具体地,载波PA 167的共射共基晶体管的集电极被示为通过被指示为“扼流”和“Linv”的电感提供VCC。峰值PA 168的共射共基晶体管的集电极被示为通过Linv提供VCC。
载波PA 167的共射共基晶体管的集电极被示为通过对应的电容Cinv耦接到载波PA 167的RF晶体管的发射极。类似地,峰值PA 168的共射共基晶体管的集电极被示为通过对应的电容Cinv耦接到峰值PA 168的RF晶体管的发射极。
在图8的示例中,电容Cinv和电感Linv的组件可以形成具有例如约100Ω的阻抗的输出J反相器210。载波PA 167和峰值PA 168的经放大的输出可以由输出J反相器210组合,并且经组合的输出可以通过电容170提供给输出节点214。
如在图8中所示,多尔蒂PA的高阻抗操作可以显著地简化多尔蒂放大架构,包括简化组合网络(例如,输出J反相器210)。在一些实施例中,载波PA 167和峰值PA 168可以实现在一个晶片上。在一些实施例中,输入分离器202和输入J反相器204也可以实现在相同的晶片上。在一些实施例中,输出J反相器210的反相器电容(Cinv)也可以实现在相同的晶片上。相应地,并且假设将反相器电感Linv实现为外部无源器件,则在与单端功率放大设计相比的情况下,仅需要一个这样的附加的无源器件。
图9示出可以作为图8中的HV多尔蒂放大系统的更具体的示例的HV多尔蒂放大系统。在图9中,标号202、204、207、208和210一般对应于图8中的相同标号。在图9的示例中,应当理解,诸如电阻、电容和电感这样的电路元件的各种值是示例,并且可以利用其他值。。
图10示出图9的HV多尔蒂放大系统的性能特性的示例。更具体地,图10示出在C类偏压点被扫描时的AM-AM对输出功率、PAE对输出功率、峰值功率和载波功率的比率对输入功率、以及集电极电流对输出功率的图表。图10的曲线图例示一些多尔蒂放大系统的可能限制,其中,为了在回退的功率下取得高效率,可能需要在一定程度上牺牲线性度。在本文中所公开的一些实施例至少部分地通过检测AB类载波放大器何时即将饱和、以及对C类峰值放大器施加附加偏压以便根据载波放大器的饱和程度相对突然地接通峰值放大器,至少部分地提高在回退的功率下的多尔蒂放大系统的效率。
通过可变峰值放大器偏压控制的AM-AM补偿
如在本文中所描述的那样,相对于传统的单端放大器,多尔蒂放大器可以提供显著的效率优点。在使用峰均比(peak to average ratio)的一些高级调制方案中,期望放大器以距离最大饱和输出功率(Psat)若干dB的方式进行操作,以维持线性度。由于多尔蒂放大器典型地具有距离Psat约6dB的效率峰值,所以可以提高线性效率。然而,对于多尔蒂放大器,实现高回退的效率通常是对放大器的线性度的直接折衷。如在本文中所描述的那样,参照图10,效率通常随着AM-AM特性改善而劣化。
在一些实施例中,多尔蒂放大系统可以被配置为使得可以通过使峰值放大器偏压成为载波放大器中的饱和度的函数来补偿AM-AM特性。例如,在低功率区域中,载波放大器可以具有AB类偏压并且线性地操作。类似于传统的多尔蒂放大器,峰值放大器可以具有深度C类偏压并且可以关闭。
在中功率区域中,随着载波放大器开始饱和(例如,达到增益压缩),晶体管的β值可能劣化,从而导致基极电流快速增加。该快速增加的偏压电流可以镜像到峰值放大器的偏压电路,以突然将该放大器接通。这样的峰值放大器的突然接通能够允许载波放大器更接近于饱和地并且以最高可能效率或接近于最高可能效率地操作。峰值放大器的偏压可以是载波放大器的饱和度的函数,从而在工艺和失配上给予AM-AM特性补偿。在高功率区域中,类似于传统的多尔蒂放大器,峰值放大器和载波放大器两者都可以接通。
在一些多尔蒂放大系统中,峰值放大器可以仅根据输入功率来激活。有利地,在本文中所公开的一些实施例提供其中峰值放大器可以根据载波放大器的压缩来激活的多尔蒂放大系统,就峰值放大器何时被激活而言,与传统的多尔蒂放大系统所提供的性能相比,其可以提供更好的性能。这样的实施例可以在回退的功率下提供改进的效率。
图11是根据一个或多个实施例的包括可变峰值放大器偏压控制的多尔蒂放大系统1100的示意图。放大系统1100包括可以是AB类放大器的载波放大器1107以及可以是C类放大器的峰值放大器1108。可以分别由载波偏压电路1181和峰值偏压电路1182对载波放大器1107和峰值放大器1108施加偏压。如所示那样,系统1100还可以包括RF输入端口1162、输入分离器1102、一个或多个反相器1110、一个或多个变换器(transformer)1170以及RF输出端口1114。虽然在图11中例示了一些部件和配置,但是应当理解,根据本申请的提供可变峰值放大器偏压控制的多尔蒂放大系统可以根据需要具有不同数量或配置的部件。
载波偏压1181可以生成用于AB类放大器1107的参考电压。在某个实施例中,载波偏压1181包括电流镜,电流镜被配置为使与参考电流成比例的电流流入AB类载波放大器1107的基极。替代地,或者另外地,偏压电路1181可以包括用于对放大器1107施加偏压的电压源。
有利地,可以连接峰值偏压电路1182并将其配置为检测载波放大器1107何时接近于饱和,并且作为响应,相对突然地将峰值放大器1108驱动起来。电路1182可以被配置为检测放大器1107的基极电流(例如,放大器1107的驱动器晶体管的基极电流)。当检测到载波放大器1107的放大器1107基极电流时,电路1182可以使用该基极电流,以确定放大器1107处于或接近压缩或饱和状态;也就是说,可以使用载波放大器1107的一个或多个晶体管放大器中的基极电流,作为用于确定载波放大器1107何时处于或接近压缩/饱和的基础。例如,当放大器接近饱和时,相对于晶体管的基极电流的放大器1107的放大器晶体管的集电极电流可能减小,其中,这样的减小可以被解释为指示载波放大器中的饱和。当载波放大器的基极电流以一定速率上升或上升到一定水平时,可以确定载波放大器处于或接近饱和。
在一些实施例中,载波放大器驱动器晶体管的基极电流可以被镜像到峰值放大器,并且被注入到峰值放大器的驱动器晶体管中,从而与载波放大器的饱和相应地增加峰值放大器的增益,这可以允许峰值放大器的相对突然的激活。在一些实施例中,提供给峰值放大器的偏压电路的电流越高,在峰值放大器的驱动器晶体管的基极处的电压就越高。
载波放大器1107的饱和状态的检测可以以任何合适的方式执行,例如通过监视载波放大器1107中的晶体管基极电流,或者通过监视放大器1107的输出。
图12示出示例多尔蒂放大系统,其在一些方面可以与图9的示例相似,但是被配置为提供前述的AM-AM补偿功能。在图12的示例中,双端箭头230描绘C类偏压如何能够成为如上所述的AB类的级的函数。载波部分207与峰值部分208之间的耦接路径232可以促成这样的依赖性。
图13A示出载波部分207的放大图,并且图13B示出峰值部分的放大图。在图12、图13A和图13B的示例中,应当理解,诸如电阻、电容和电感这样的电路元件的各个值是示例;并且可以利用其他值。图13A中的载波AB类放大器的示意图示出可以为AB类载波功率放大器提供基极电流的偏压电路209。载波放大器可以包括具有共发射极驱动器晶体管Q1和共基极共射共基晶体管Q2的共射共基放大器。对共发射极器件Q1馈电的偏压电路209耦接到晶体管Q1的基极,使得电流流过电阻器R1并流到晶体管Q1的基极中。偏压电路209的晶体管Q3为共发射极器件Q1供应基极电流。
载波放大器207可以包括电流镜CM,电流镜CM在参考侧连接到Vcc、偏压电路209的晶体管Q3、以及驱动器晶体管Q1;如图13B中所示,该电流可以被镜像到C类峰值放大器。随着Q5中的基极电流迅速地增加,该电流将被镜像,以快速地接通C类放大器。
在图13B中所示的峰值放大器208中,可以在节点或路径279处接收从载波放大器所镜像的电流;在节点/路径279处所注入的电流越多,可能存在于驱动器晶体管(例如,发射极跟随器)Q4的基极处的电压就越高,从而控制放大器208的增益。
可以用如在本文中所描述的各种蜂窝频率带,实现本申请的一个或多个特征。在表格3中列出这样的频带的示例。应当理解,至少一些频带可以划分为子频带。还应当理解,可以利用不具有诸如表格3的示例这样的指定的频率范围来实现本申请的一个或多个特征。
表格3
频带 模式 Tx频率范围(MHz) Rx频率范围(MHz)
B1 FDD 1,920-1,980 2,110-2,170
B2 FDD 1,850-1,910 1,930-1,990
B3 FDD 1,710-1,785 1,805-1,880
B4 FDD 1,710-1,755 2,110-2,155
B5 FDD 824-849 869-894
B6 FDD 830-840 875-885
B7 FDD 2,500-2,570 2,620-2,690
B8 FDD 880-915 925-960
B9 FDD 1,749.9-1,784.9 1,844.9-1,879.9
B10 FDD 1,710-1,770 2,110-2,170
B11 FDD 1,427.9-1,447.9 1,475.9-1,495.9
B12 FDD 699-716 729-746
B13 FDD 777-787 746-756
B14 FDD 788-798 758-768
B15 FDD 1,900-1,920 2,600-2,620
B16 FDD 2,010-2,025 2,585-2,600
B17 FDD 704-716 734-746
B18 FDD 815-830 860-875
B19 FDD 830-845 875-890
B20 FDD 832-862 791-821
B21 FDD 1,447.9-1,462.9 1,495.9-1,510.9
B22 FDD 3,410-3,490 3,510-3,590
B23 FDD 2,000-2,020 2,180-2,200
B24 FDD 1,626.5-1,660.5 1,525-1,559
B25 FDD 1,850-1,915 1,930-1,995
B26 FDD 814-849 859-894
B27 FDD 807-824 852-869
B28 FDD 703-748 758-803
B29 FDD N/A 716-728
B30 FDD 2,305-2,315 2,350-2,360
B31 FDD 452.5-457.5 462.5-467.5
B33 TDD 1,900-1,920 1,900-1,920
B34 TDD 2,010-2,025 2,010-2,025
B35 TDD 1,850-1,910 1,850-1,910
B36 TDD 1,930-1,990 1,930-1,990
B37 TDD 1,910-1,930 1,910-1,930
B38 TDD 2,570-2,620 2,570-2,620
B39 TDD 1,880-1,920 1,880-1,920
B40 TDD 2,300-2,400 2,300-2,400
B41 TDD 2,496-2,690 2,496-2,690
B42 TDD 3,400-3,600 3,400-3,600
B43 TDD 3,600-3,800 3,600-3,800
B44 TDD 703-803 703-803
图14示出图11的HV多尔蒂放大系统的性能特性的示例。更具体地,图14示出AB类和C类偏压配置的增益、输出功率、发射极跟随器偏压以及集电极电流特性。如图14的增益对输出功率曲线图所示,当检测到载波放大器增益中的轻微下落时,实现根据本申请的峰值放大器偏置控制的系统可以经历增益偏压(gain bias)的相对剧烈的增加(例如,在图14中,约25dBm)。图15示出HV多尔蒂放大系统以及单端放大系统的AM-AM、PAE以及AM-PM特性。如图15中的左上部的线性度对输出功率曲线图中所示,相比于图10中所示的可比较的系统,输出处的复合增益可以呈现提高的线性度。
图16示出降压ET放大系统(A)、升压平均功率跟踪(APT)放大系统(B)、降压APT放大系统(C)以及具有在本文中所描述的一个或多个特征的升压多尔蒂放大系统(D)的、作为平均输出功率的函数的电池电量效率的示例。在约26dBm的输出功率的示例中,可以看到,升压多尔蒂放大系统(D)具有大于降压ET系统(A)和升压APT系统(B)两者约15%并且大于降压APT系统(C)约25%的效率级别。
图17示出,在一些实施例中,在本文中所描述的HV多尔蒂功率放大系统的一些或全部可以以模块来实现。这样的模块可以是例如前端模块(FEM)。在图17的示例中,模块300可以包括封装基板302,并且多个部件可以安装在这样的封装基板上。例如,FE-PMIC部件102、功率放大器组件104、匹配部件106和双工器组件108可以安装和/或实现在封装基板302上和/或封装基板302内。诸如多个SMT器件304和天线开关模块(ASM)306这样的其他部件也可以安装在封装基板302上。虽然所有的各个部件被描绘为部署在封装基板302上,但是应当理解,一些部件可以实现在其他部件之上。
在一些实现方式中,具有在本文中所描述的一个或多个特征的器件和/或电路可以包括在诸如无线装置这样的RF装置中。这样的器件和/或电路可以直接地、以在本文中所描述的模块形式或者以其一些组合实现在无线装置中。在一些实施例中,这样的无线装置例如可以包括蜂窝电话、智能电话、具有或没有电话功能的手持无线装置、无线平板等。
图18描绘具有在本文中所描述的一个或多个有利特征的示例无线装置400。在具有在本文中所描述的一个或多个特征的模块的背景下,这样的模块一般可以通过虚线框300来描绘,并且可以实现为例如前端模块(FEM)。
参照图18,功率放大器(PA)420可以从收发器410接收它们相应的RF信号,收发器410可以以已知的方式来配置和操作,以生成待放大和发射的RF信号以及处理所接收的信号。收发器410被示为与基带子系统408进行交互,基带子系统408被配置为提供适合于用户的数据和/或话音信号与适合于收发器410的RF信号之间的转换。收发器410还可以与功率管理部件406进行通信,功率管理部件406被配置为管理用于无线装置400的操作的功率。这样的功率管理还可以控制基带子系统408和模块300的操作。
基带子系统408被示为连接到用户接口402,以便于提供给以及接收自用户的话音和/或数据的各种输入和输出。基带子系统408还可以连接到存储器404,存储器404被配置为存储数据和/或指令,以便于无线装置的操作,和/或向用户提供信息的存储。
在示例无线装置400中,PA 420的输出被示为(经由相应的匹配电路422)被匹配并被路由到它们相应的双工器420。在一些实施例中,匹配电路422可以是参照图7在本文中所描述的示例匹配电路172a至172c。还如参照图7在本文中所描述的那样,当PA 420通过HV电源操作时,可以在不进行阻抗变换(例如,图6中的负载变换116)的情况下将PA 420的输出路由到它们相应的双工器424。这样的经放大和滤波的信号可以通过天线开关414而被路由到天线416以便发射。在一些实施例中,双工器420可以允许使用公共天线(例如,416)同时地执行发射和接收操作。在图18中,将所接收的信号示为被路由到可以包括例如低噪声放大器(LNA)的“Rx”路径(未示出)。
多个其他无线装置配置可以利用在本文中所描述的一个或多个特征。例如,无线装置不需要是多频带装置。在另外的示例中,无线装置可以包括诸如分集天线这样的另外的天线以及诸如Wi-Fi、蓝牙和GPS这样的另外的连接特征。
如在本文中所描述的那样,当在诸如包含图18的无线装置的那些系统那样的系统中实现时,本申请的一个或多个特征可以提供许多优点。例如,可以通过消除或减少输出损耗来实现显著的耗用电流减少。在另外的示例中,可以针对功率放大系统和/或无线装置实现较低的材料清单计数。在又一示例中,由于单独的PA用于它们相应的频带,可以实现每个所支持的频带的独立优化或期望配置。在又一示例中,可以通过例如升压电源电压系统来实现最大或增加的输出功率的优化或期望配置。在又一示例中,可以利用多种不同的电池技术,因为最大或增加的功率不必受电池电压所限制。
除非上下文清楚地另有要求,否则贯穿说明书和权利要求书,措词“包括”、“包含”等应当以与排他性或穷尽性的意义相反的包括性的意义来解释,也就是说,应当以“包括但不限于”的意义来解释。如在本文中一般使用的那样,措词“耦接”指可以直接连接或者借助于一个或多个中间元件所连接的两个或多个元件。另外,措词“在本文中”、“上文”、“下文”以及相似含义的措词在本申请中使用时应当指作为整体的本申请,而不是本申请的任何具体部分。在上下文允许时,在使用单数或复数的以上描述中的措词也可以分别包括复数或单数。关于在提及两个或多个项目的列表时的措词“或”,该措词涵盖该措词的以下解释中的全部:列表中的任何项目,列表中的所有项目,以及列表中的项目的任何组合。
本发明实施例的以上详细描述不打算是穷尽性的或者将本发明局限于上文所公开的确切形式。尽管以上出于说明的目的而描述了本发明的具体实施例和示例,但是如本领域技术人员将认识到的那样,在本发明范围内可能有各种等效的修改。例如,尽管处理或块以给定的次序呈现,但是替代的实施例可以以不同的次序执行具有这些步骤的处理或者以不同的次序采用具有这些块的系统,并且一些处理或块可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改。这些处理或块中的每个可以以各种不同的方式来实现。另外,虽然处理或块有时被示为串行执行,但是替代地,这些处理或块也可以并行执行,或者可以在不同时间执行。
可以将在本文中所提供的本发明的教导应用于其他系统,而不必是上述的系统。可以组合上述的各个实施例的元件和动作,以提供另外的实施例。
虽然已经描述了本发明的一些实施例,但是这些实施例仅作为示例而呈现,而不打算限制本申请的范围。实际上,在本文中所描述的新颖方法和系统可以以多种其他形式来实施;另外,可以在不脱离本申请的精神的情况下,在本文中所描述的方法和系统的形式上做出各种省略、替换和改变。所附的权利要求和它们的等效物旨在涵盖将落入本申请的范围和精神内的这样的形式或修改。

Claims (20)

1.一种功率放大系统,包括:
多尔蒂功率放大器(PA),被配置为接收电压电源信号和射频(RF)信号,并使用所述电压电源信号生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器;
载波放大器偏压电路;以及
峰值放大器偏压电路,其通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号。
2.根据权利要求1所述的系统,还包括:输出路径,被配置为接收来自所述多尔蒂PA的经放大的RF信号并将其路由到滤波器,所述输出路径基本上没有阻抗变换电路。
3.根据权利要求2所述的系统,其中,所述载波放大器以最高可能效率操作或者接近于最高可能效率地操作。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,所述峰值放大器偏压信号与所述载波放大器的饱和程度成比例。
5.根据权利要求1所述的系统,其中,所述峰值放大器偏压电路被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。
6.根据权利要求1所述的系统,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。
7.根据权利要求1所述的系统,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的输出。
8.根据权利要求1所述的系统,其中,所述载波放大器和所述峰值放大器均包括共射共基晶体管。
9.一种射频(RF)模块,包括:
封装基板,被配置为容纳多个部件;以及
功率放大系统,实现在所述封装基板上,所述功率放大系统包括包含多尔蒂功率放大器(PA)的功率放大系统,所述多尔蒂功率放大器(PA)被配置为接收射频(RF)信号并生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器,所述功率放大系统还包括载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,所述峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号。
10.根据权利要求9所述的RF模块,其中,所述峰值放大器偏压信号与所述载波放大器的饱和程度成比例。
11.根据权利要求9所述的RF模块,其中,所述峰值放大器偏压电路被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。
12.根据权利要求9所述的RF模块,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。
13.根据权利要求9所述的RF模块,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的输出。
14.根据权利要求9所述的RF模块,其中,所述载波放大器和所述峰值放大器均包括共射共基晶体管。
15.一种无线装置,包括:
收发器,被配置为生成射频(RF)信号;
与所述收发器通信的前端模块(FEM),所述FEM包括被配置为容纳多个部件的封装基板,所述FEM还包括实现在所述封装基板上的功率放大系统,所述功率放大系统包括多尔蒂功率放大器(PA),所述多尔蒂功率放大器(PA)被配置为从所述收发器接收所述RF信号并生成经放大的RF信号,所述多尔蒂PA包括载波放大器和峰值放大器,所述功率放大系统还包括载波放大器偏压电路和峰值放大器偏压电路,所述峰值放大器偏压电路通过耦接路径耦接到所述载波放大器和所述载波放大器偏压电路中的一个或多个,并且被配置为基于所述载波放大器的饱和程度向所述峰值放大器提供峰值放大器偏压信号;以及
与所述FEM通信的天线,所述天线被配置为发射经放大的RF信号。
16.根据权利要求15所述的无线装置,其中,所述峰值放大器偏压信号与所述载波放大器的饱和程度成比例。
17.根据权利要求15所述的无线装置,其中,所述峰值放大器偏压电路被配置为使得由所述载波放大器接近饱和所引起的所述载波放大器的快速增加的基极电流被镜像到所述峰值放大器偏压电路,从而使所述峰值放大器突然接通。
18.根据权利要求15所述的无线装置,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的驱动器晶体管的基极电流。
19.根据权利要求15所述的无线装置,其中,所述峰值放大器偏压信号基于所述载波放大器的输出。
20.根据权利要求15所述的无线装置,其中,所述载波放大器和所述峰值放大器均包括共射共基晶体管。
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