CN1391724A - 功率放大器内核 - Google Patents

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Abstract

一个功率放大器内核(40)，用于放大一个RF信号。这个功率放大器内核(40)包括用于放大RF信号的一第一FET单元串(46)。这个FET单元串包括与放大器内核的一个输出端口(48)串联的至少两个FET单元(46)。一个偏置网络(44)，被连接在一个放大器内核输入端口(42)和FET单元(46)之间，用于将RF信号耦合到FET单元(46)。这个偏置网络(44)包括一个偏置电容(50)和一个电阻网络。这个偏置电容(50)被连接到输入端口(42)，以将RF信号AC耦合到FET单元串中的一个相关FET单元(46)。这个电阻网络被从偏置电容(50)耦合到相关的FET单元(46)，以向该相关的FET单元(46)提供一个DC偏置。

Description

功率放大器内核
技术领域
本发明一般涉及功率放大器，更特别地，涉及在功率放大器中利用场效应晶体管的微波单片集成电路。
背景技术
在各种电信系统中都有功率放大器，其中典型地，它们是在用天线发送信号以前对RF信号进行放大。功率放大器包括一个或者多个用于放大信号的半导体器件。典型地，传统系统提供了一个放大的RF信号，该被放大的RF信号的输出电压是被该半导体器件的最大电压能力所限制。所以，为了增加功率放大器的输出功率，就增加了输出电流。将功率放大器连接到天线的电缆的大小直接与RF信号输出电流相关。大的电流需要大尺寸的电缆，而大电缆就导致电缆的成本就更高，连接器更大，电缆的支撑座就更多，电缆布线的体积就更大。所以，需要减小一个功率放大器的输出电流。
在一个单片微波集成电路(MMIC)功率放大器设计中的其它目的包括使电源电流最小，降低在功率放大器和其它系统器件之间的阻抗不匹配。被提供到功率放大器的电流与功率输出，功率消耗，和功率放大器的工作电压相关。放大器所需要的输出功率和功率消耗增加，就导致被提供到这个器件的DC电流相应地增加，导致在半导体器件之间的互连线的宽度增加，并且需要改变衬底以能够容纳更多的供电电流。线宽度增加就降低了功率放大器的功率密度，并且增加了与互连线相关的寄生电容。所以，就需要降低功率放大器的供电电流。
在功率放大器和其它系统部件之间的不匹配导致漏电极效率降低，并且带宽变窄。典型的功率放大器的输出沟道阻抗大约为3欧姆，这个输出沟道阻抗必须被进行组合以实现几倍的输出阻抗。例如，如果4个FET被组合，对50欧姆的组合匹配就导致200欧姆。这样，变换比例是200/3＝67∶1。所以，就需要降低在功率放大器和其它系统部件之间的不匹配。
为了更好地理解本发明，它的目的和优点，可以参考下面的描述和附图。
附图说明
图1A是现有技术功率放大器系统的一个框图；
图1B是利用根据本发明原理的核心放大器的一个功率放大器系统的一个框图；
图2是本发明优选实施方式的一个详细示意图；
图3是本发明优选实施方式的一个核心布局图；
图4是本发明优选实施方式和一个标准FET之间的增益特性的差异；和
图5是利用了根据本发明原理的核心放大器的一个功率放大器电路的一个框图。
具体实施方式
图1A显示了放大RF信号的一个典型现有技术功率放大器系统。一个AC-DC转换器20位于一个建筑物内，将线电压，例如115VAC，60Hz转换为45VDC。这个AC-DC转换器20的输出被提供到位于这个建筑物的屋顶上的一个功率放大器22。这个功率放大器22包括一个DC-DC转换器24和一个核心放大器26，另外，还包括对该领域内的技术人员来说是众所周知的其它系统部件。这个DC-DC转换器24将45VDC电源转换为可以被核心放大器26所使用的一个电压。一般来说，提供的电压是在9VDC到15VDC之间，因为在这个进行放大的核心放大器中所利用的FET的最大漏电极-源极击穿电压就在这个范围内。
参考图1B，利用根据本发明的一个核心放大器32的一个功率放大器系统28被显示了。这个功率放大器系统28与现有技术的系统的不同点在于：AC-DC转换器20的输出被提供到核心放大器，而不需要DC-DC转换器。该优选实施方式的核心放大器32能够在比现有技术系统的工作电压高的工作电压下工作。在功率放大器系统28中不需要DC-DC转换器24就改进了系统功率的效率，减少了系统体积，并且降低了系统成本。
参考图2，显示了根据本发明的一个N层，M-并行功率内核41。这个优选实施方式是一个3层，2-并行的功率内核。这个M-并行的功率内核41包括两个并行放大器内核40来对通过输入口42而输入的RF信号进行放大。虽然在优选实施方式中仅并行连接了两个放大器内核40，但是本发明的原理可以被很容易地扩展到并行连接比两个多的放大器内核40。在这个优选实施方式中，RF信号在26GHz到31GHz的范围内，但是，对于在600MHz到50GHz内的RF信号也属于本发明的范围。使用一个4mil GaAs衬底的一个PHEMT处理将被利用来构造本发明的优选实施方式。但是，本发明的原理不局限于这个处理，也不局限于被利用来构造这个器件的衬底材料。每一个放大器内核40包括被连接在输入端口42和一串3个FET单元46之间的一个偏置网络44。但是，本发明的优选实施方式利用了串联的3个FET单元46，可以这样设想，两个或者更多的FET单元可以被串联。FET单元46从一单个接地点47延伸到一个输出端口48。在M-并行功率内核41的每一端仅需要一个接地点47改进了性能，因为内核尺寸不会受到与沟道侧相关的相位问题的限制。偏置网络44将RF信号AC耦合到每一个FET单元46。被放大的RF信号被从每一个放大器内核40连接到单个输出端口48。通常与输出端口相关的相位问题被降低到最小，这是因为在优选实施方式中仅利用了单个输出端口48。
偏置网络44包括向每一个FET单元46提供一个DC偏置点的一串电阻。这串电阻包括一个上电阻56，两个偏置电阻54，和一个下电阻52。这串电阻被选择，以使一个-0.2V的DC偏置Vgs被提供到这串FET单元的每一个FET单元46的栅极-源极结上。另外，这串电阻的值被选择以使电阻串的阻抗不会降低FET单元46的栅极-源极的负载。但是，这个电阻串中电阻值的上限受到限制电阻尺寸的影响。在优选实施方式中，每一个FET在RF工作频率的输入阻抗的实数部分大约是10到15欧姆。所以，偏置电阻54的电阻值被选择成优选在5k欧姆到15k欧姆的范围内，并且最好是10k欧姆。上电阻和下电阻52和56的值根据偏置电阻54的电阻值来进行选择。下电阻52和上电阻56的最佳值是通过下面的方程来决定的：
R下＝R偏置+Vgs*(N+1)*R偏置/(Vdd-Vgg)
R上＝R偏置-Vgs*(N+1)*R偏置/(Vdd-Vgg)
设置：Vgg＝-1*Vdd/N
其中Vgs是希望被提供给FET栅极-源极结的DC电压，N是这个串中的FET单元46的数目，Vdd是输出端口的电压，Vgg是被施加到下电阻52上的电压。在这个优选实施方式中，N是3，Vdd是15V，Vgg被设置为-5V。所产生的、上电阻和下电阻56和52的最佳值是10.4k欧姆和9.6k欧姆。优选地，上电阻和下电阻56和52的电阻值被选择为计算出来的最佳值，但是，它们也可以在最佳值的±30％的幅度内进行变化而仍在本发明的范围内。选择不是最佳的上电阻和下电阻56和52的电阻值将导致一个不平衡的DC偏置被施加到FET单元串46。随着DC偏置中的误差增加，在FET单元46的结中出现的发热点可能导致FET单元46被破坏。在增加输出功率电平时，施加到FET单元的较小的DC偏置误差也会出现发热点。所以，在低输出功率电平时，就可以使用较大的DC偏置误差来进行工作，而不会产生破坏性的发热点。
偏置网络44也包括与每一个FET单元46相应的一个偏置电容50。这个偏置电容50滤波出RF信号中的直流部分，并且将所产生的AC分量提供到这个电阻串和相应的FET单元46。优选地，偏置电容50的值被选择成在最低发送频率下大约是2欧姆的电抗。但是，偏置电容50的值可以有一个比较宽的范围。电容值的上限是受到限制偏置电容50的物理尺寸的限制的。较大电容值的电容需要电容50有一个表面面积较大的极板。电容值的下限是受到可接受RF信号的衰减量的限制。在这个优选实施方式中，RF信号的衰减量比0.5dB小。但是，取决于为获得所希望的幅度和相位而要求的设计不匹配，可将偏置电容选择或会导致较高衰减值的电容值而仍属于本发明的范围。
参考图3，显示了M-并行功率内核41的优选实施方式的一个核心布局58。该领域内的技术人员将认识到，核心布局58是可以很容易被输入到一个Cadence计算机系统的一个形式。RF输入信号通过输入端口42被输入到偏置电容50，该偏置电容50与每一个FET单元46相应。每一个偏置电容50连接到相应FET单元46的栅极，连接到包括一个上电阻56，一个下电阻52，和两个偏置电阻54的一个电阻串。被放大的RF信号从FET单元46被连接到输出端口48。
再次参考图2，优选实施方式的工作如下：一个DC偏置通过用包括上电阻56，一个下电阻52，和两个偏置电阻54的一个电阻串来分输出电压，而被提供到每一个FET单元46。被施加到每一个FET单元46的DC偏置是这样的，每一个FET单元46的工作点被设置到大约是相同的值。被输入到输入端口42的一个RF信号通过两个放大器内核40中的每一个偏置电容50被进行AC耦合。所产生的RF信号的AC分量然后被增加到由电阻串所提供的DC偏置上，并且然后，被偏置的RF信号被施加到与偏置电容50相应的FET单元46上。因为，在FET单元串中的每一个FET单元46被设置到相同的工作点，它们被打开到基本上相同的程度，促使电流流过FET单元46串。另外，在输出端口48上的负载电压通过每一个FET单元46被进行均分。通过每一个FET单元46而消耗的功率基本上相等，因为同一个电流流过了每一个FET单元46，并且每一个FET单元46的漏电极-源极电压基本上相等。这个电流从输出端口48通过每一个放大器内核40的FET单元46流到相应的接地点47。
通过串联FET单元46和提供将漏电极-源极电压均匀地分到每一个FET单元46的装置，就可以承受是传统工作电压的N倍的一个工作电压(其中N是串联连接的FET单元的数目)。使用一个更高的工作电压能够导致FET单元沟道电流成比例地降低，而使功率内核具有相同的功率输出。更低的沟道电流允许使用成比例缩小的、用于连接FET单元46的走线的宽度。线宽度的缩小能够更密集地封装放大器内核，并且减少与走线相关的寄生电容。另外，当工作电压增加了N倍时，沟道电流降低N倍，而真正的沟道阻抗增加N2倍。另外，每一个功率放大器核心的寄生输出电容减少了1/N倍，因为堆叠了FET单元，由此使与M-并行功率内核41的输出相关的相位匹配问题变为最小。
参考图4，是显示与一个传统功率内核相比的优选实施方式的小信号增益和稳定性特性。传统的功率内核利用了并行连接的6个FET单元，而优选实施方式是一个双3层FET单元的结构。传统的功率内核增益特性60缓慢地从1GHz处的22dB降低到15GHz的10.5dB。在从1GHz到15GHz的频率范围内，优选实施方式的增益特性64大约比传统的功率内核增益小1.5dB。虽然在小信号增益上稍微有点降低，但是，将优选实施方式的稳定性特性66与传统的功率内核稳定性特性62相比，就可以发现，优选实施方式的稳定性增加了。
图5显示了包括根据本发明的一个M-并行功率内核41的一个功率放大器70。到功率放大器70的一个PA输入72将一个RF信号耦合到一个输入分离器76。这个输入分离器74将RF信号分成6个RF输入信号，它们被耦合到相应的输入匹配电路76的输入。输入匹配电路的输出76被连接到4个相应功率核心41的输入端口42。虽然，这个实施方式使用了独立的输入匹配电路76，但是，根据本发明的范围，也可以使用众所周知的设计技术来将每一个输入匹配电路76与相关功率核心41的偏置网络组合在一起。双3层功率内核被用于这个实施方式，但是，本发明的原理可以被扩展到其它功率核心结构，例如双5层功率核心。每一个功率内核41对相应的RF输入信号进行放大。然后，被放大的RF信号通过输出匹配电路78和一个输出组合器80被组合在一起。所产生的PA输出82被连接到功率放大器负载(没有显示)。
功率放大器70提供了一个组合多个功率核心41的装置，来提供一个可以对RF信号进行可伸缩放大的信号。功率内核41的阻抗增加导致了漏电极的效率和带宽，这是因为功率内核输出的阻抗匹配被改善了。另外，使用一个更高的工作电压导致工作电流变小，而这导致在功率放大器和DC电源之间的互连电缆和相关部件的尺寸变小。
这样，从上面的描述可以理解，作为本发明的结果，提供了一个核心放大器，它不仅实现了其它的目的，而且也完全实现了其主要目的。同样很明显的是，并且也可以设想出来，可以对所说明的实施方式进行修改和/或者改变，而不会偏离本发明的范围。所以，可以很清楚地理解，前面所描述的描述和附图仅仅是优选实施方式的说明，而不具有任何限制，本发明的真正精神和范围仅仅被所附权利要求书和它们的合法等效所定义。

Claims (18)

1、一个功率放大器内核，具有一个输入端口和一个输出端口，用于放大一个RF信号，包括：
一第一FET单元串，用于放大RF信号，包括与输出端口串联的至少两个FET单元；和
一个偏置网络，被连接在输入端口和该至少两个FET单元之间，用于将RF信号耦合到该至少两个FET单元，其中该偏置网络向该至少两个FET单元提供了一个DC偏置，并且将RF信号AC耦合到该至少两个FET单元，只要DC偏置是这样的以致第一FET单元串放大该RF信号。
2、如权利要求1的功率放大器内核，其中这个偏置网络包括：
一个偏置电容，被连接到输入端口，用于将RF信号AC耦合到一个相关的FET单元；和
一个电阻网络，被从该偏置电容连接到相关的FET单元，用于向相关的FET单元提供DC偏置，其中这样来选择DC偏置，以使相关的FET单元对通过偏置电容而耦合的RF信号进行放大。
3、如权利要求2的这个功率放大器内核，其中这样来选择偏置网络，以使该至少两个FET单元中的每一个将RF信号放大到基本上相同的程度。
4、如权利要求2的这个功率放大器内核，其中该至少两个FET单元中的每一个具有一个输入阻抗，电阻网络具有一个输出阻抗，该输出阻抗这样被选择以使电阻网络对相关FET单元的输入阻抗的降低的比例比10％小。
5、如权利要求4的功率放大器内核，其中电阻网络包括从输出端口连接到一个偏置电阻串的一个上电阻，从偏置电阻串连接到一个偏置电压端口的一个下电阻，包括与该至少两个FET单元中的每一个相关的一个偏置电阻的偏置电阻串。
6、如权利要求2的功率放大器内核，进一步具有一个最低的发送频率，其中这样来选择偏置电容的电容值以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗在0.2到20欧姆的范围内。
7、如权利要求2的功率放大器内核，其中这样来选择偏置电容的电容值以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗优选为大约2欧姆。
8、如权利要求2的功率放大器内核，进一步包括一第二FET单元串，它与第一FET单元串并行连接。
9、如权利要求2的功率放大器内核，进一步具有一个最低发送频率，该功率放大器内核进一步包括：
一第二FET单元串，被与第一FET单元串并行连接；
其中，这样来选择偏置电容的电容值，以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗在0.2到20欧姆的范围内；和
其中该至少两个FET单元中的每一个具有具有一个输入阻抗，电阻网络具有一个输出阻抗，该输出阻抗这样被选择以使电阻网络对相关FET单元的输入阻抗的降低的比例比10％小。
10、一个功率放大器内核，具有一个输入端口和一个输出端口，用于放大一个RF信号，包括：
至少两个FET单元串，被并行连接以放大RF信号，所述至少两个FET单元串中的每一个包括：
至少两个FET单元，被与输出端口串联，和
一个偏置网络，被连接在输入端口和该至少两个FET单元之间，用于将RF信号耦合到该至少两个FET单元，该偏置网络包括：
一个偏置电容，被连接到输入端口，以将RF信号AC耦合到一个相关的FET单元；和
一个电阻网络，从该偏置电容被耦合到相关的FET单元，以向相关的FET单元提供一个DC偏置，其中这样来选择DC偏置以使相关的FET单元放大通过偏置电容而耦合来的RF信号。
11、如权利要求10的功率放大器内核，其中这样来选择偏置网络，以使该至少两个FET单元中的每一个将RF信号放大到基本上相同的程度。
12、如权利要求10的功率放大器内核，进一步具有一个最低的发送频率：
其中这样来选择偏置电容的电容值以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗在0.2到20欧姆的范围内；和
其中该至少两个FET单元中的每一个具有具有一个输入阻抗，电阻网络具有一个输出阻抗，该输出阻抗这样被选择以使电阻网络对相关FET单元的输入阻抗的降低的比例比10％小。
13、一个功率放大器，用于放大一个RF信号，包括：
至少一个核心放大器，具有一个输入端口和一个输出端口，用于放大RF信号，包括：
至少一个FET单元串，用于放大RF信号，所述至少一个FET单元串包括与输出端口串联的至少两个FET单元；和
一个偏置网络，被连接在输入端口和该至少两个FET单元之间，用于将RF信号耦合到至少两个FET单元，这个偏置网络包括：
一个偏置电容，被连接到输入端口，以将RF信号AC耦合到一个相关的FET单元；和
一个电阻网络，被从该偏置电容耦合到相关的FET单元，以向相关的FET单元提供一个DC偏置，其中这样来选择DC偏置，以使相关的FET单元放大通过偏置电容而耦合来的RF信号；
一个输入分离器，用于将同相位的RF信号提供到所述至少一个核心放大器；和
一个输出组合器，用于将所述至少一个核心放大器的输出进行组合。
14、如权利要求13的功率放大器，其中这个功率放大器进一步包括：
一个输入匹配电路，被连接到输入分离器；和
一个输出匹配网络，被从输出端口连接到输出组合器。
15、如权利要求14的功率放大器，其中这样来选择偏置网络，以使该至少两个FET单元中的每一个将RF信号放大到基本上相同的程度。
16、如权利要求14的功率放大器，其中该至少两个FET单元中的每一个具有一个输入阻抗，电阻网络具有一个输出阻抗，该输出阻抗这样被选择，以使电阻网络能对关FET单元的输入阻抗的降低的比例比10％小。
17、如权利要求14的这个功率放大器，其中电阻网络包括被从输出端口连接到一个偏置电阻串的一个上电阻，被从偏置电阻串连接到一个偏置电压端口的一个下电阻，包括与所述至少两个FET单元中的每一个相关的一个偏置电阻的偏置电阻串；和
这个功率放大器具有一个最低的发送频率，其中这样来选择偏置电容的电容值，以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗在0.2到20欧姆的范围内。
18、如权利要求14的功率放大器，进一步具有一个最低的发送频率，其中这样来选择偏置电容的电容值，以使偏置电容在一个最低发送频率的电抗在0.2到20欧姆的范围内。
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