CN113765485A - 用于包络跟踪应用的复合共源共栅功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本文提供了用于包络跟踪应用的复合共源共栅功率放大器。在某些实施例中，包络跟踪系统包括复合共源共栅功率放大器，其放大射频(RF)信号并从功率放大器供电电压接收功率；以及包络跟踪器，该包络跟踪器基于RF信号的包络产生功率放大器供电电压。复合共源共栅功率放大器包括用于放大RF信号的增强模式(E‑MODE)场效应晶体管(FET)和与E‑MODE FET共源共栅的耗尽模式(D‑MODE)FET。

Description

用于包络跟踪应用的复合共源共栅功率放大器
技术领域
本发明的实施例涉及电子系统，尤其涉及用于射频(RF)电子设备中的功率放大器。
背景技术
功率放大器用于射频(RF)通信系统中，以放大RF信号供天线发射。重要的是管理RF信号发射的功率以延长电池寿命和/或提供合适的发射功率水平。
具有一个或多个功率放大器的示例RF通信系统包括，但不限于，移动电话、平板电脑、基站、网络接入点、客户驻地设备(CPE)、便携式计算机、和可穿戴电子设备。例如，在使用蜂窝标准、无线局域网(WLAN)标准、和/或任何其他合适的通信标准进行通信的无线设备中，功率放大器可以用于RF信号放大。RF信号的频率可以在约30kHz～300GHz范围内，例如，在第五代(5G)蜂窝通信的频率范围1(FR1)中约410MHz～7.125GHz的范围内，或在5G通信标准的频率范围2(FR2)中约24.250GHz～52.600GHz的范围内。
发明内容
在一些实施例中，本申请涉及一种移动设备。该移动设备包括收发器，收发器配置为生成射频信号；功率管理系统，其包括包络跟踪器，配置为生成关联于射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压；前端系统，其包括复合(composite)共源共栅(cascode)功率放大器，被配置为放大射频信号、并从功率放大器供电电压接收功率。复合共源共栅功率放大器包括：配置为接收射频信号的增强模式场效应晶体管；以及与增强模式场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管。
在各种实施例中，增强模式场效应晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
在多个实施例中，增强模式场效应晶体管是短沟道n型金属氧化物半导体晶体管。
在数个实施例中，耗尽模式场效应晶体管是肖特基(Schottky)栅极场效应晶体管。
在一些实施例中，增强模式场效应晶体管的源极连接到地电压，并且增强模式场效应晶体管的漏极通过耗尽模式场效应晶体管连接到复合共源共栅功率放大器的输出端子。根据多个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被地电压偏置。根据数个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被高于地电压的正电压偏置。
在各个实施例中，复合共源共栅功率放大器还包括电连接在功率放大器供电电压和耗尽模式场效应晶体管的漏极之间的扼流电感器。
在数个实施例中，复合共源共栅功率放大器还包括栅极偏置电感器，该栅极偏置电感器被配置为向增强模式场效应晶体管的栅极提供栅极偏置电压。
在一些实施例中，包络跟踪器包括被配置为输出多个调节电压的DC-至-DC转换器，被配置为基于多个调节电压和射频信号的包络在输出端处生成调制器输出电压，以及耦接在调制器的输出端与功率放大器供电电压之间的调制器输出滤波器。
在各种实施例中，包络跟踪器包括DC-至-DC转换器和误差放大器，它们被配置为彼此并联操作以产生功率放大器供电电压。
在一些实施例中，本申请涉及一种包络跟踪系统。包络跟踪系统包括：包络跟踪器，其配置为生成关联射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压；以及复合共源共栅功率放大器，其配置为放大射频信号并从功率放大器供电电压接收功率。复合共源共栅功率放大器包括：配置为接收射频信号的增强模式场效应晶体管；以及与增强模式场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管。
在各个实施例中，增强模式场效应晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
在数个实施例中，增强模式场效应晶体管是短沟道n型金属氧化物半导体晶体管。
在一些实施例中，耗尽模式场效应晶体管是肖特基栅极场效应晶体管。
在各种实施例中，增强模式场效应晶体管的源极连接到地电压，并且增强模式场效应晶体管的漏极通过耗尽模式场效应晶体管连接到复合共源共栅功率放大器的输出端子。根据多个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被地电压偏置。根据数个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被高于地电压的正电压偏置。
在一些实施例中，复合共源共栅功率放大器还包括电连接在功率放大器供电电压与耗尽模式场效应晶体管的漏极之间的扼流电感器。
在数个实施例中，复合共源共栅功率放大器还包括栅极偏置电感器，被配置为向增强模式场效应晶体管的栅极提供栅极偏置电压。
在各种实施例中，包络跟踪器包括配置为输出多个调节电压的DC-至-DC转换器，配置为基于多个调节电压和射频信号的包络在输出端生成调制器输出电压的调制器，以及耦接在调制器的输出端与功率放大器供电电压之间的调制器输出滤波器。
在一些实施例中，包络跟踪器包括DC-至-DC转换器和误差放大器，它们被配置为彼此并联操作以产生功率放大器供电电压。
在一些实施例中，本申请涉及一种移动设备中的射频信号放大的方法。该方法包括，用包络跟踪器生成关联于射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压，用功率放大器供电电压为复合共源共栅功率放大器供电，并用复合共源共栅功率放大器放大射频信号，所述复合共源共栅功率放大器包括增强模式场效应晶体管和与增强模式场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管。
在各种实施例中，增强模式场效应晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
在多个实施例中，增强模式场效应晶体管是短沟道n型金属氧化物半导体晶体管。
在数个实施例中，耗尽模式场效应晶体管是肖特基栅极场效应晶体管。
在一些实施例中，增强模式场效应晶体管的源极连接到地电压，并且增强模式场效应晶体管的漏极通过耗尽模式场效应晶体管连接到复合共源共栅功率放大器的输出端子。根据多个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被地电压偏置。根据数个实施例，耗尽模式晶体管的栅极被高于地电压的正电压偏置。
在各种实施例中，该方法还包括使用扼流电感器将功率放大器供电电压提供给耗尽模式场效应晶体管的漏极。
在数个实施例中，该方法还包括使用栅极偏置电感器向增强模式场效应晶体管的栅极提供栅极偏置电压。
在一些实施例中，产生功率放大器供电电压包括：从DC-至-DC转换器输出多个调节电压；用调制器根据所述多个调节电压和射频信号的包络来产生调制器输出电压，并用调制器输出滤波器对调制器输出电压进行滤波以生成功率放大器供电电压。
在各个实施例中，生成功率放大器供电电压包括，用并联操作的DC-至-DC转换器和误差放大器来跟踪包络。
附图说明
图1是移动设备的一个示例的示意图。
图2是用于从移动设备发射射频(RF)信号的发射系统的一个示例的示意图。
图3是根据一个示例的功率放大器的示意图。
图4A是用于公共源极n型金属氧化物半导体(NMOS)功率放大器的功率增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图4B是复合共源共栅功率放大器的功率增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图4C是用于公共源极NMOS功率放大器的静态漏极电流相对于供电电压的一个示例的曲线图。
图4D是复合共源共栅功率放大器的静态漏极电流相对于供电电压的一个示例的曲线图。
图5A是复合共源共栅功率放大器的增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图5B是复合共源共栅功率放大器的功率增加效率(PAE)相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图5C是用于复合共源共栅功率放大器的静态电流相对于功率放大器供电电压的一个示例的曲线图。
图6是根据另一示例的功率放大器的示意图。
图7A是短沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管的漏极电流相对于漏极电压的一个示例的曲线图。
图7B是短沟道MOS晶体管的漏极电流相对于栅极电压的一个示例的曲线图。
图8A是功率放大器供电电压相对于时间的一个示例的曲线图。
图8B是功率放大器供电电压相对于时间的另一示例的曲线图。
图9A是根据一个实施例的包络跟踪系统的示意图。
图9B是根据另一个示例的包络跟踪系统的示意图。
图10是根据另一个示例的包络跟踪系统的示意图。
图11A是封装模块的一个示例的示意图。
图11B是沿图11A的线11B-11B截取的封装模块的横截面示意图。
图12是电话板的一个示例的示意图。
具体实施方式
以下对一些实施例的详细描述给出了对具体实施例的各种描述。然而，本文描述的创新可以以例如权利要求书所定义和涵盖的多种不同方式来体现。在本说明书中，参考了附图，其中相似的附图标记可以指示相同或功能相似的元件。将理解的是，附图中示出的元件不必按比例绘制。此外，将理解的是，一些实施例可以包括比附图中示出的元件更多的元件和/或附图中示出的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
图1是移动设备100的一个示例的示意图。移动设备100包括基带系统1，收发器2，前端系统3，天线4，功率管理系统5，存储器6，用户接口7，和电池8。
移动设备100可以用于利用多种通信技术进行通信，所述通信技术包括但不限于2G、3G、4G(包括LTE、LTE-Advanced、和LTE-Advanced Pro)、5G、WLAN(例如Wi-Fi)、WPAN(例如蓝牙和ZigBee)、WMAN(例如WiMax)、和/或GPS技术。
收发器2产生用于发射的RF信号、并处理从天线4接收的输入RF信号。应理解，与发射和接收RF信号关联的各种功能可以通过一个或多个在图1中总体上表示为收发器2的部件来实现。在一个示例中，可以提供单独的部件(例如，单独的电路或晶片(die))来处理一些类型的RF信号。
前端系统3帮助调节发送到天线4和/或从天线4接收的信号。在所示的实施例中，前端系统3包括功率放大器(PA)11，低噪声放大器(LNA)12，滤波器13，开关14，和双工器15。然而，其他实施方式也是可能的。
例如，前端系统3可以提供多种功能，包括但不限于，放大用于发射的信号，放大接收到的信号，对信号滤波，在不同频带之间切换，在不同功率模式之间切换，在发射和接收模式之间切换，信号双工，信号多工(例如，双信(diplex)或三工)，或它们的组合。
在一些实施方式中，移动设备100支持载波聚合，从而提供灵活性以增加峰值数据速率。载波聚合可以用于频分双工(FDD)和时分双工(TDD)，并且可以用于聚合多个载波或信道。载波聚合包括连续聚合，其中在相同工作频带内的连续载波被聚合。载波聚合也可以是不连续的，并且可以包括在一个公共频带内和/或在不同频带中在频率上分开的载波。
天线4可以包括用于多种类型的通信的天线。例如，天线4可以包括与发射和/或接收关联着广泛多种频率和通信标准的信号相关联的天线。
在一些实施方式中，天线4支持MIMO通信和/或切换式分集通信。例如，MIMO通信使用多个天线在单个射频信道上传送多个数据流。MIMO通信受益于更高的信噪比、改进的编码、和/或由于无线电环境的空间复用差异而降低的信号干扰。切换式分集是指在特定时间选出特定天线进行操作的通信。例如，可以用开关根据各种因素(如观测到的误码率和/或信号强度指示符)从一组天线中选出特定天线。
在一些实施方式中，移动设备100可以以波束成形来操作。例如，前端系统3可以包括具有由收发器2控制的可变相位的移相器。另外，这些移相器受到控制，以提供波束成形和方向性，用于使用天线4来发射和/或接收信号。例如，在信号发射的情形中，提供给天线4的发射信号的相位受到控制，使得来自天线4的辐射信号利用相长干涉和相消干涉进行组合，以生成聚合发射信号，所述聚合发射信号表现出波束式品质，在给定方向上传播更多的信号强度。在信号接收的情形中，相位受到控制，使得当信号从特定方向到达天线4时接收更多的信号能量。在一些实施方式中，天线4包括天线元件的一个或多个阵列以增强波束成形。
基带系统1耦接到用户接口7，以促进对各种用户输入和输出(I/O)例如语音和数据的处理。基带系统1向收发器2提供发射信号的数字表示，收发器2对其进行处理以生成用于发射的RF信号。基带系统1还处理由收发器2提供的接收信号的数字表示。如图1所示，基带系统1耦接到存储器6，以促进移动设备100的操作。
存储器6可以用于广泛多种目的，诸如存储数据和/或指令以促进移动设备100的操作和/或提供用户信息的存储。
功率管理系统5提供了移动设备100的多种功率管理功能。图1的功率管理系统5包括一个包络跟踪器60。如图1所示，功率管理系统5接收电池8传来的电池电压。电池8可以是在移动设备100中使用的任何合适的电池，包括例如锂离子电池。
图1的移动设备100例示了RF通信系统的一个示例，其可以包括根据本申请的一个或多个特征实施的一或多个功率放大器。然而，本文的教导适用于以广泛多种方式实施的RF通信系统。
图2是用于从移动设备发射RF信号的发射系统130的一个实施例的示意图。发射系统130包括电池101，包络跟踪器102，功率放大器103，定向耦合器104，双工切换电路105，天线106，基带处理器107，信号延迟电路108，数字预失真(DPD)电路109，I/Q调制器110，观察接收器111，互调检测电路112，包络延迟电路121，坐标旋转数字计算(CORDIC)电路122，整形电路123，数字-模拟转换器124，和重建滤波器125。
图2的发射系统130示出了RF通信系统的一个示例，其可以包括根据本申请的一个或多个特征实施的功率放大器。然而，本文的教导适用于以广泛多种方式实施的RF通信系统。
基带处理器107操作以生成I信号和Q信号，其对应于正弦波的信号分量或具有期望的幅度、频率和相位的信号。例如，I信号可以用来表示正弦波的同相分量，而Q信号可以用来表示正弦波的正交相位分量，它可以是正弦波的等效表示。在一些实施方式中，以数字格式将I和Q信号提供给I/Q调制器110。基带处理器107可以是被配置为处理基带信号的任何合适的处理器。例如，基带处理器107可以包括数字信号处理器，微处理器，可编程核芯(core)，或其任何组合。
信号延迟电路108向I和Q信号提供可调节的延迟，以帮助控制包络信号和RF信号RFIN之间的相对对准。由信号延迟电路108提供的延迟量基于由互调检测电路112检测到的互调量来控制。
DPD电路109进行操作以对来自信号延迟电路108的延迟的I和Q信号提供数字整形，以生成数字预失真的I和Q信号。在所示的实施例中，由DPD电路109提供的DPD基于由互调检测电路112检测到的互调量来控制。DPD电路109用于减小功率放大器103的失真和/或提高功率放大器103的效率。
I/Q调制器110接收数字预失真的I和Q信号，这些信号经过处理后生成RF信号RFIN。例如，I/Q调制器110可以包括：DAC，被配置为将数字预失真的I和Q信号转换为模拟格式；混频器，用于将模拟I和Q信号上变频为射频；以及信号组合器，用于将上变频的I和Q信号组合成适于由功率放大器103放大的RF信号。在一些实施方式中，I/Q调制器110可以包括一个或多个滤波器，所述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。
包络延迟电路121延迟来自基带处理器107的I和Q信号。此外，CORDIC电路122处理延迟的I和Q信号以生成表示RF信号RFIN的包络的数字包络信号。尽管图2示出了使用CORDIC电路122的实施方式，但是可以以其他方式获得包络信号。
整形电路123操作以对数字包络信号进行整形以增强发射系统130的性能。在一些实施方式中，整形电路123包括将数字包络信号的每个电平映射到相应的整形包络信号电平的整形表。包络整形可以帮助控制功率放大器103的线性、失真和/或效率。
在所示的实施例中，整形包络信号是数字信号，其被DAC 124转换为模拟包络信号。另外，模拟包络信号由重构滤波器125滤波以生成适合于包络跟踪器102使用的包络信号。在一些实施方式中，重构滤波器125包括低通滤波器。
继续参考图2，包络跟踪器102从重构滤波器125接收包络信号，从电池101接收电池电压VBATT，并使用该包络信号生成关联于RF信号RFIN的包络而改变的功率放大器供电电压VPA。在该示例中，功率放大器103从I/Q调制器110接收RF信号RFIN，并通过双工切换电路105将放大的RF信号RFOUT提供给天线106。
定向耦合器104位于功率放大器103的输出端与双工切换电路105的输入端之间，从而允许功率放大器103的输出功率的测量不包括双工切换电路105的插入损耗。感测到的来自定向耦合器104的输出信号被提供给观察接收器111，观察接收器111可以包括用于对所感测的输出信号的I和Q信号分量进行下变频的混频器，以及用于从下变频后的信号生成I和Q观察信号的DAC。
互调检测电路112确定I和Q观察信号与来自基带处理器107的I和Q信号之间的互调乘积。另外，互调检测电路112控制由DPD电路109提供的DPD和/或信号延迟电路108的延迟以控制包络信号和RF信号RFIN之间的相对对准。
通过包括来自功率放大器103的输出和基带的反馈路径，可以动态调整I和Q信号以优化发射系统130的操作。例如，以这种方式配置发射系统130可以帮助提供功率控制，补偿发射器损伤，和/或执行DPD。
尽管示出为单级，但是功率放大器103可以包括一个或多个级。此外，RF通信系统如移动设备可以包括多个功率放大器。在这样的实施方式中，可以为不同的功率放大器提供单独的包络跟踪器和/或可以使用一个或多个共享的包络跟踪器。
用于包络跟踪应用的复合共源共栅功率放大器
包络跟踪是一种可用于提高功率放大器的功率增加效率(PAE)的技术，是通过有效地控制与功率放大器放大的RF信号的包络相关联的功率放大器供电电压的电压电平来实现。因此，当RF信号的包络增加时，可以增大提供给功率放大器的电压。同样，当RF信号的包络减小时，可以减小提供给功率放大器的电压以减小功耗。
在一个示例中，包络跟踪器包括DC-至-DC转换器，该DC-至-DC转换器与误差放大器结合操作以基于包络信号生成功率放大器供电电压。例如，DC-至-DC转换器和误差放大器可以彼此并联电连接，DC-至-DC转换器可以跟踪包络信号的低频分量，而误差放大器可以跟踪包络信号的高频分量。例如，DC-至-DC转换器的开关频率可以降低到小于包络信号的最大频率分量，并且误差放大器可以进行操作对转换器输出中的间隙进行平滑处理，以生成功率放大器供电电压。在一些实施方式中，DC-至-DC转换器和误差放大器经由组合器组合。
在另一个示例中，包络跟踪器包括：多输出升压切换器，用于生成不同电压电平的调节电压；一组开关，用于根据包络信号来控制随时间对合适的调节电压的选择；以及滤波器，用于对该组开关的输出进行滤波以产生功率放大器供电电压。
本文提供了用于包络跟踪应用的复合共源共栅(cascode)功率放大器。在一些实施例中，包络跟踪系统包括：复合共源共栅功率放大器，其放大RF信号并从功率放大器供电电压接收功率；以及包络跟踪器，其基于RF信号的包络生成功率放大器供电电压。复合共源共栅功率放大器包括用于放大RF信号的增强模式(E-MODE)场效应晶体管(FET)和与E-MODEFET共源共栅的耗尽模式(D-MODE)FET。
通过以这种方式实施功率放大器，实现了由E-MODE和D-MODE晶体管提供的益处，同时也避免了这些晶体管类型的负面影响。
例如，E-MODE FET具有多个理想特性，例如高跃迁频率(ft)、被易于获得的正电压偏置的能力、和/或因高度线性栅极电容和可忽略的栅极电流所致的低相位失真(AM-至-PM)。但是，E-MODE FET也可能遭受不良的额定电压、沟道长度调制、漏极引起的势垒降低、和/或晶体管的其他不良问题。相比之下，D-MODE FET通常具有较高的额定电压、但会遭受工作时的负电压偏置，待机工作时极高的负电压偏置，和/或因非线性栅极电流所致的不良相位失真。
在一些实施方式中，E-MODE FET被实现为短沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，而D-MODE FET被实现为金属半导体FET(MESFET)，其在本文中也被称为肖特基栅极FET。由于肖特基栅极D-MODE FET通常具有比E-MODE MOS晶体管更高的额定电压，因此，复合共源共栅功率放大器相对于公共源极E-MODE MOS功率放大器而言以更高的额定电压工作。高额定电压允许复合共源共栅功率放大器用于下述包络跟踪应用中，其中，功率放大器供电电压在宽的电压范围内工作。此外，复合共源共栅功率放大器还具有高ft、高线性度、低相位失真、低静态电流、和/或相对于功率放大器供电电压的低增益变化。而且，复合共源共栅功率放大器不需要在负偏压下工作，从而避免了对负电荷泵的需求，该负电荷泵增加了静态和动态功耗，并且通常包括产生杂散发射的振荡器。
D-MODE FET可以通过多种方式偏置。在第一个示例中，D-MODE FET的栅极使用地来偏置。在另一个示例中，D-MODE FET的栅极用正的公共栅极电压进行偏置。用正电压偏置D-MODE FET的栅极可以提供一种平衡增益变化和PAE的机制。
E-MODE晶体管在本文中也被称为常通(ON)晶体管，因为当在0V的栅-源电压下工作时，E-MODE晶体管导通。D-MODE晶体管在本文中被称为常断(OFF)晶体管。
图3是根据一个实施例的功率放大器250的示意图。功率放大器250包括E-MODEMOS晶体管241，D-MODE肖特基栅极FET 242，输入DC隔离(blocking)电容器243，输出DC隔离电容器244，栅极偏置电感器245，和扼流电感器246。
尽管图3描绘了复合共源共栅功率放大器的一个实施例，但是本文的教导适用于以广泛多种方式实现的复合共源共栅功率放大器。
功率放大器250在RF输入端子处接收RF输入信号RFIN，并且将放大的RF输出信号RFOUT提供给RF输出端子。在所示的实施例中，输入DC隔离电容器243连接在RF输入端子与E-MODE MOS晶体管241的栅极之间，以允许将E-MODE MOS晶体管241的栅极电压与RF输入端子的DC电压分开地偏置。另外，输出DC隔离电容器244连接在D-MODE肖特基栅极FET 242的漏极与RF输出端子之间，以使FET 242的漏极电压与RF输出端子的DC电压解耦。
如图3所示，扼流电感器246将功率放大器供电电压VPA提供给D-MODE肖特基栅极FET 242的漏极。功率放大器供电电压VPA可以由包括但不限于本文公开的任何一种包络跟踪器的包络跟踪器生成。
E-MODE MOS晶体管241包括接收RF输入信号RFIN的栅极。D-MODE FET 242与E-MODEMOS晶体管241共源共栅操作，以产生RF输出信号RFOUT。在示出的实施例中，E-MODE MOS晶体管241的栅极被栅极偏置电感器245提供的栅极偏置电压VGBIAS偏置，而D-MODE肖特基栅极FET 242的栅极被地电压(地)偏置。在一些实施方式中，E-MODE MOS晶体管241是短沟道n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。
图4A是用于公共源极n型金属氧化物半导体(NMOS)功率放大器的功率增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图4B是复合共源共栅功率放大器的功率增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
如图4A和图4B的比较所示，将功率放大器实现为复合共源共栅功率放大器减小了增益的变化(例如，在此示例中，从大约15dB到大约3dB)。
图4C是用于公共源极NMOS功率放大器的静态漏极电流相对于供电电压的一个示例的曲线图。
图4D是复合共源共栅功率放大器的静态漏极电流相对于供电电压的一个示例的曲线图。
如图4C和图4D的比较所示，将功率放大器实现为复合共源共栅功率放大器减小了静态漏极电流的变化(例如，在此示例中，从大约12倍降大约1.25倍)。
图5A是复合共源共栅功率放大器的增益相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图5B是复合共源共栅功率放大器的功率增加效率(PAE)相对于输出功率的一个示例的曲线图。
图5C是复合共源共栅功率放大器的静态电流相对于功率放大器供电电压的一个示例的曲线图。
图6是根据另一实施例的功率放大器280的示意图。功率放大器280包括E-MODEMOS晶体管241，D-MODE肖特基栅极FET 242，输入DC隔离电容器243，输出DC隔离电容器244，栅极偏置电感器245，和扼流电感器246。
图6的功率放大器280与图3的功率放大器250相似，不同之处在于，在图6的功率放大器280中，D-MODE肖特基栅极FET 242由具有高于地的正电压的共源共栅栅极偏置电压VCBIAS偏置。
D-MODE FET 242的栅极用正电压偏置可以提供一种用于在增益变化和PAE之间进行平衡的机制。
图7A是短沟道MOS晶体管的漏极电流相对于漏极电压的一个示例的曲线图。描绘了在短沟道MOS晶体管的不同栅极-源极电压下漏极电流相对于漏极电压的各种曲线图。这些曲线图包括了不考虑沟道长度调制(虚线图)和考虑沟道长度调制(实线图)这两种情况。
图7B是短沟道MOS晶体管的漏极电流相对于栅极电压的一个示例的曲线图。该图描绘了由漏极引起的势垒降低引起的晶体管阈值电压偏移的一个示例。
图8A-8B示出了功率放大器供电电压相对于时间的两个示例。
在图8A中，图447示出了RF信号441的电压和功率放大器供电电压443随时间变化的一个示例。RF信号441具有包络线442。
重要的是，功率放大器的功率放大器供电电压443的电压大于RF信号441的电压。例如，使用幅度小于RF信号的幅度的功率放大器供电电压为功率放大器供电会削波射频信号，从而产生信号失真和/或其他问题。因此，重要的是功率放大器供电电压443大于包络线442的电压。但是，也可能希望减小功率放大器供电电压443与RF信号441的包络线442之间的电压差，因为功率放大器供电电压443和包络线442之间的面积可代表能量损失，它会减少电池寿命并增加无线设备中产生的热量。
在图8B中，图448示出了RF信号441的电压和功率放大器供电电压444相对于时间的另一示例。与图8A的功率放大器供电电压443不同，图8B的功率放大器供电电压444关联于RF信号441的包络线442而变化。图8B中功率放大器供电电压444和包络线442之间的面积小于图8A中功率放大器443与包络线442之间的面积，因此图8B的图448可以与具有更高能量效率的功率放大器相关联。
图9A是根据一个实施例的包络跟踪系统500的示意图。包络跟踪系统500包括功率放大器501和包络跟踪器502。功率放大器501对射频信号503进行放大。
包络跟踪器502接收与射频信号503的包络相对应的包络信号504。另外，包络跟踪器502生成功率放大器供电电压VPA，该电压将功率提供给功率放大器501。
示出的包络跟踪器502包括DC-至-DC转换器511和误差放大器512，它们相互结合操作以基于包络信号504产生功率放大器供电电压VPA。在示出的实施例中，DC-至-DC转换器511和误差放大器512的输出端使用组合器515进行组合。
图9A的包络跟踪器502示出了模拟包络跟踪的一个示例，其中，开关调节器彼此并联操作以跟踪RF信号的包络。
图9B是根据另一实施例的包络跟踪系统540的示意图。包络跟踪系统540包括功率放大器501和包络跟踪器532。功率放大器501对射频信号503进行放大。
包络跟踪器532接收与射频信号503的包络相对应的包络信号504。另外，包络跟踪器532生成功率放大器供电电压VPA，其将功率提供给功率放大器501。
所示的包络跟踪器532包括多级开关电路535。在一些实施方式中，多级开关电路包括用于产生不同电压电平的调节电压的多输出DC-至-DC转换器，用于根据包络信号控制随时间对合适的经调节电压进行的选择的开关，以及用于对开关的输出进行滤波以生成功率放大器供电电压的滤波器。
图9B的包络跟踪器532说明了MLS包络跟踪的一个示例。
图10是根据另一实施例的包络跟踪系统600的示意图。包络跟踪系统600包括功率放大器501和包络跟踪器602。功率放大器501对射频信号503进行放大。
包络跟踪器602接收与射频信号503的包络相对应的包络信号。在该示例中，包络信号是差分的。另外，包络跟踪器602生成功率放大器供应电压VPA，该电压将功率提供给功率放大器501。
所示的包络跟踪器602包括包络放大器611，第一比较器621，第二比较器622，第三比较器623，编码和抖动电路624，多输出升压切换器625，滤波器626，开关组627，和电容器组630。电容器组630包括第一电容器631，第二电容器632，和第三电容器633。另外，开关组627包括第一开关641，第二开关642，和第三开关643。
包络放大器611放大包络信号，以将放大的包络信号提供给第一至第三比较器621-623。第一至第三比较器621-623将放大的包络信号分别与第一阈值T1、第二阈值T2、和第三阈值T3进行比较。比较的结果被提供给编码和抖动电路624，其对结果进行处理以控制对开关组627的开关的选择。编码和抖动电路624可以在使用编码和/或抖动来减少由断开和闭合开关引起的伪影(artifacts)的同时激活开关。
尽管示出了具有三个比较器的示例，但是可以使用更多或更少的比较器。此外，可以省略编码和抖动电路624，以利于以其他方式控制开关组。在第一示例中，使用编码而不使用抖动。在第二示例中，使用抖动而不使用编码。在第三示例中，既不使用编码也不使用抖动。
多输出升压切换器625基于提供电池电压VBATT的DC到DC转换，生成第一调节电压VMLS1、第二调节电压VMLS2、和第三调节电压VMLS3。尽管示出了具有三个调节电压的示例，但是多输出升压开关625可以产生更多或更少的调节电压。在一些实施方式中，至少一部分调节电压相对于电池电压VBATT升高。在一些配置中，一个或多个调节电压是具有比电池电压VBATT更低的电压的降压电压。
电容器组630有助于稳定由多输出升压开关625产生的调节电压。例如，电容器631-633用作去耦电容器。
滤波器626处理开关组627的输出以产生功率放大器供电电压VPA。通过基于包络信号控制随时间开关641-643的选择，产生了功率放大器供电电压VPA以跟踪包络信号。
图11A是封装模块800的一个实施例的示意图。图11B是沿图11A的线11B-11B截取的封装模块800的横截面示意图。
封装模块800包括IC或晶片(die)801、表面安装部件803、引线键合(wirebond)808、封装基板820、和包封(encapsulation)结构840。封装基板820包括由设置在其中的导体形成的焊盘806。另外，晶片801包括焊盘804，并且引线键合808已经用于将晶片801的焊盘804电连接到封装基板820的焊盘806。
晶片801包括功率放大器846，其可以根据本文的任何实施例来实施。
封装底板820可以被配置为接收多个部件，例如晶片801和表面安装部件803(可以包括例如表面安装电容器和/或电感器)。
如图11B中所示，封装模块800被示为包括多个接触焊盘832，这些接触焊盘布置在封装模块800上与用于安装晶片801的一侧相对的一侧上。以这种方式配置封装模块800可以帮助将封装的模块800连接到电路板例如无线设备的电话板。示例性接触焊盘832可以被配置为向晶片801和/或表面安装部件803提供RF信号、偏置信号、一个或多个功率低电压和/或一个或多个功率高电压。如图11B所示，接触焊盘832和晶片801之间的电连接可以通过贯穿封装基板820的连接通路833来促进。连接通路833可以表示穿过封装基板820而形成的电通路，例如与多层层压封装基板的通孔和导体相关联的连接通路。
在一些实施例中，封装模块800还可以包括一个或多个封装结构，以例如提供对封装模块800的保护和/或促进对封装模块800的处理。这样的封装结构可以包括形成于封装基板820上的上覆模(overmold)或包封结构840以及设置在其上的部件和一或多个晶片。
可以理解的是，尽管封装模块800是在基于引线键合的电连接的上下文中描述，但是本申请的一个或多个特征也可以在其他封装配置(包括例如倒装芯片配置)中实施。
图12是电话板900的一个实施例的示意图。电话板900包括连接到其上的图11A-11B中所示的模块800。尽管没有在图12中清楚示出，但是电话板900可以包括其他的部件和结构。
应用
上面描述的一些实施例已经提供了与无线设备或移动电话有关的示例。然而，这些实施例的原理和优点可以用于需要功率放大器的任何其他系统或装置。
这样的包络跟踪器可以在各种电子设备中实施。所述电子设备的示例可以包括但不限于，消费电子产品、消费电子产品的一部分、电子测试设备等。所述电子设备的示例还可以包括但不限于，存储芯片、存储模块、光纤网络或其他通信网络的电路、以及磁盘驱动器电路。消费类电子产品可以包括但不限于手机、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、照相机、数码相机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣/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，所述电子设备可以包括未完成的产品。
结论
除非上下文另外清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等将被解释为包含性的意义，而不是排他性的或穷举的意义；也就是说，是指“包括但不限于”。词语“耦接”，如本文中通常使用的，是指两个或更多个元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件来连接。同样地，词语“连接”，如本文中通常使用的，是指两个或更多元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件来连接。此外，词语“本文”、“上文”、“下文”，以及具有类似重要性的词语，当在本申请中使用时，应该指整个的本申请，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在上文具体实施方式章节中使用单数或复数形式的词语也可以分别包括复数或单数。词语“或”是指两个或更多个项目的列表，该单词覆盖该词语的所有以下解释：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。
此外，本文中所使用的有条件的语言，诸如，“可以(can,could,might)”，“例如(e.g.,for example,such as)”等等，除非特别声明，或者根据所用的上下文有另外的理解，否则通常旨在表示，某些实施例包括某些特征、元件和/或状态，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这类有条件的语言通常并不旨在暗示，这些特征、元件和/或状态是以任何方式被一个或多个实施例所要求的，或者一个或多个实施例必须包括以下逻辑，该逻辑用于在有或无作者输入或提示的情况下确定是否要在任何特定实施例中包括或将要执行这些特征、元素和/或状态。
本发明实施例的以上详细描述并不旨在穷举或将本发明限于以上公开的精确形式。虽然上文中出于说明性目的描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内各种等效修改是可能的。例如，虽然过程或框是以给定顺序呈现，但是替代实施例可以以不同的顺序执行具有步骤的例程，或者采用具有框的系统，并且一些过程或框可以被删除、移动、添加、细分、组合、和/或修改。这些过程或框中的每一个可以以各种不同的方式来实现。此外，虽然过程或框有时表示为按串行执行，但是这些过程或框也可以并行地执行，或者可以在不同的时间执行。
本文所提供的本发明的教导可应用于其它系统，未必是上文所描述的系统。上述各种实施例的元件和动作可以组合以提供另外的实施例。
虽然已经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，而不旨在限制本申请的范围。实际上，本文所描述的新颖方法和系统可以以各种其它形式来体现；此外，在不脱离本申请的精神的情况下，可以对本文所描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本申请的范围和精神内的这类形式或修改。

Claims (20)

1.一种移动设备，包括：
收发器，被配置为产生射频信号；
功率管理系统，包括：包络跟踪器，被配置为生成关联于射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压；和
前端系统，包括复合共源共栅功率放大器，其配置为放大射频信号并从功率放大器供电电压接收功率，该复合共源共栅功率放大器包括配置为接收射频信号的增强模式场效应晶体管、和与增强型场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述增强模式场效应晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
3.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述耗尽模式场效应晶体管是肖特基栅极场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述增强模式场效应晶体管的源极连接到地电压，并且所述增强模式场效应晶体管的漏极通过所述耗尽模式场效应晶体管连接到所述复合共源共栅功率放大器的输出端子。
5.根据权利要求4所述的移动设备，其中，所述耗尽模式晶体管的栅极被地电压偏置。
6.根据权利要求4所述的移动设备，其中，所述耗尽模式晶体管的栅极被高于地电压的正电压偏置。
7.如权利要求1所述的移动设备，其中，所述复合共源共栅功率放大器还包括电连接在功率放大器供电电压与耗尽模式场效应晶体管的漏极之间的扼流电感器。
8.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述复合共源共栅功率放大器还包括：栅极偏置电感器，被配置为向增强模式场效应晶体管的栅极提供栅极偏置电压。
9.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述包络跟踪器包括：DC-至-DC转换器，被配置为输出多个调节电压；调制器，被配置为基于所述多个调节电压和射频信号的包络在输出端生成调制器输出电压；以及耦接在调制器的输出端和功率放大器供电电压之间的调制器输出滤波器。
10.根据权利要求1所述的移动设备，其中，所述包络跟踪器包括DC-至-DC转换器和误差放大器，它们被配置为彼此并联操作以生成功率放大器供电电压。
11.一种包络跟踪系统，包括：
包络跟踪器，被配置为生成关联于射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压；和
复合共源共栅功率放大器，被配置为放大射频信号并从功率放大器供电电压接收功率，该复合共源共栅功率放大器包括配置为接收射频信号的增强模式场效应晶体管、和与增强模式场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管。
12.根据权利要求11所述的包络跟踪系统，其中，所述增强模式场效应晶体管是短沟道n型金属氧化物半导体晶体管。
13.根据权利要求11所述的包络跟踪系统，其中，所述增强模式场效应晶体管的源极连接至地电压，并且所述增强模式场效应晶体管的漏极通过耗尽模式场效应晶体管连接至所述复合共源共栅功率放大器的输出端子。
14.根据权利要求13所述的包络跟踪系统，其中，所述耗尽模式晶体管的栅极被地电压偏置。
15.根据权利要求13所述的包络跟踪系统，其中，所述耗尽模式晶体管的栅极被高于地电压的正电压偏置。
16.根据权利要求11所述的包络跟踪系统，其中，所述包络跟踪器包括：DC-至-DC转换器，其被配置为输出多个调节电压；调制器，其被配置为基于所述多个调节电压和射频信号的包络在输出端产生调制器输出电压；以及调制器输出滤波器，其耦接在调制器的输出端与功率放大器供电电压之间。
17.根据权利要求11所述的包络跟踪系统，其中，所述包络跟踪器包括DC-至-DC转换器和误差放大器，它们被配置为彼此并联操作以产生功率放大器供电电压。
18.一种在移动设备中的射频信号放大的方法，该方法包括：
用包络跟踪器产生关联于射频信号的包络而变化的功率放大器供电电压；
用功率放大器供电电压为复合共源共栅功率放大器供电，该复合共源共栅功率放大器包括增强模式场效应晶体管和与增强模式场效应晶体管共源共栅的耗尽模式场效应晶体管；和
用该复合共源共栅功率放大器放大射频信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述增强模式场效应晶体管是金属氧化物半导体晶体管，并且所述耗尽模式场效应晶体管是肖特基栅极场效应晶体管。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述增强模式场效应晶体管的源极连接至地电压，所述方法还包括：用高于所述地电压的正电压来对所述耗尽模式晶体管的栅极进行偏置。
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