DE102012215332A1

DE102012215332A1 - Eine klasse von leistungsverstärkern zum verbesserten backoff-betrieb

Info

Publication number: DE102012215332A1
Application number: DE102012215332A
Authority: DE
Inventors: Sandro Pinarello; Jan-Erik Müller
Original assignee: Intel Mobile Communications GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: DE102012215332B4; TW201320587A; CN102969988B; CN102969988A; US20130049867A1; US8482348B2; TWI514754B

Abstract

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, der eine Vielzahl verstärkender Elemente, die in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration verbunden sind, die parallele Spalten mit verstärkenden Elementen beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind, umfasst. Die parallelen Spalten sind mit einem gemeinsamen Ausgangspfad verbunden, der mit einer Speisespannungsquelle gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um jeder der Spalten eine gleiche Speisespannung bereitzustellen. Ein oder mehr Eingangssignale (z. B. RF-Eingangssignale) sind mit dem Leistungsverstärker mittels Eingangsanschlüssen auf einer ersten Zeile verstärkender Elemente verbunden. Die verbleibenden verstärkenden Elemente weisen Steueranschlüsse auf, die mit unabhängigen Steuersignalen verbunden sind, die jedem verstärkenden Element einen von den anderen verstärkenden Elementen in der Matrix unabhängigen Betrieb ermöglichen. Dieser selektive Betrieb verstärkender Elemente ermöglicht eine verbesserte Effizienz gegenüber einer breiten Spanne an Ausgangsleistungen von Leistungsverstärkern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Leistungsverstärker sind elektronische Geräte, die die Leistung eines elektrischen Signals erhöhen (d. h. verstärken). Leistungsverstärker werden weithin bei Kommunikationssystemen mit geringer Leistung verwendet. Typischerweise ist ein Leistungsverstärker in der Endstufe einer Übertragungskette angeordnet und ist konfiguriert, um die Leistung eines Funkfrequenz-(radio frequency, RF)-signals zu erhöhen, bevor es von einer Antenne übertragen wird.
Kommunikationssysteme, die Leistungsverstärker einsetzen, können Signale gemäß bestimmter Kommunikationsstandards senden (z. B. EDGE, WCDMA, LTE etc.). Viele solcher Kommunikationsstandards ermöglichen unterschiedliche Niveaus der Ausgangsleistung mit unterschiedlichen Emissionsstatistiken. Daher werden Leistungsverstärker oft betrieben, um Ausgangssignale zu erzeugen, die eine breite Ausgangsleistungsspanne abdecken (z. B. von einer niedrigen Ausgangsleistung zu einer maximalen Ausgangsleistung). Wenn jedoch ein Leistungsverstärker betrieben wird, um ein Signal auszugeben, das weniger als die maximale Ausgangsleistung aufweist, für die der Verstärker gestaltet ist, nimmt die Effizienz des Leistungsverstärkers ab.
Die Abnahme der Effizienz eines Leistungsverstärkers kann durch Senken der DC-Speisespannung an dem Ausgang des Leistungsverstärkers gemildert werden, um den Gesamtenergieverbrauch des Leistungsverstärkers zu senken. Die Wirksamkeit einer solchen Lösung hängt von einer optimalen Lastanpassung zwischen der Last des Leistungsverstärkers und einer Ausgangsimpedanz ab, die durch ein Ausgangsanpassungsnetzwerk gesteuert wird, das an dem Ausgang des Leistungsverstärkers angeordnet ist. Um eine hohe Effizienz zu erhalten, ändert das Ausgangsanpassungsnetzwerk die Ausgangsimpedanz, wenn sich die Speisespannung ändert. Eine Änderung der DC-Speisespannung ohne eine entsprechende Änderung der Ausgangsimpedanz ruft eine Impedanzfehlanpassung hervor, die die Effizienz des Leistungsverstärkers verringert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung wie hierin bereitgestellt.
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Leistungsverstärkerschaltung, umfassend eine Vielzahl an Transistoren in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration, die bei einer maximalen Ausgangsleistung und in einem Backoff-Betriebsmodus arbeitet.
3a veranschaulicht eine schematische Darstellung eines beispielhaften Leistungsverstärkers, der eine 2×2 Transistormatrix umfasst.
3b und 3c zeigen Blockdiagramme der Transistoren in dem Leistungsverstärker von 3a, veranschaulicht als eine Stromquelle, ein offener Schalter oder ein Kurzschluss.
4a–4b veranschaulichen eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung, umfassend eine elektrische Verbindung zwischen Knoten, die an benachbarten Spalten in Reihe geschalteter Transistoren angeordnet sind.
5a veranschaulicht eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung wie hierin bereitgestellt.
5b und 5c zeigen Blockdiagramme der Transistoren in dem Leistungsverstärker von 5a, veranschaulicht als eine Stromquelle, ein offener Schalter oder ein Kurzschluss für verschiedene Ausgangsleistungen.
6 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das parasitäre Elemente der Leistungsverstärkerschaltung von 5a zeigt.
7 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Leistungsverstärkers.
8a–8c veranschaulichen drei mögliche Ausführungsformen der Schaltung, die verwendet werden können, um ein RF-Eingangssignal in eine Vielzahl an RF-Eingangssignalen aufzuspalten.
9 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung, die eine 3×3 Transistormatrix mit Kopplungsstrukturen zwischen internen Knoten der Matrix umfasst.
10a veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Leistungsverstärkers, die eine alternative Ausführungsform von Kopplungsstrukturen zwischen den internen Knoten einer Transistorenmatrix umfasst.
10b–10d zeigen Blockdiagramme der Transistoren in dem Leistungsverstärker von 10a, veranschaulicht als eine Stromquelle, ein offener Schalter oder ein Kurzschluss für verschiedene Ausgangsleistungen.
11a veranschaulicht eine weitere alternative Ausführungsform des in 9 gezeigten Leistungsverstärkers.
11b–11d zeigen Blockdiagramme der Transistoren in dem Leistungsverstärker von 11a, veranschaulicht als eine Stromquelle, ein offener Schalter oder ein Kurzschluss für verschiedene Ausgangsleistungen.
12 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines beispielhaften Leistungsverstärkers, der kaskadierte Transistoren umfasst.
13 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines beispielhaften Leistungsverstärkers, der kaskadierte Transistoren umfasst.
14 veranschaulicht einen Graphen, der Messungen der Effizienz eines Leistungsverstärkers, ähnlich denjenigen, die in 13 gezeigt sind, als eine Funktion der Ausgangsleistung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugsnummern verwendet werden, um durchgängig auf gleiche Elemente Bezug zunehmen, und wobei die veranschaulichten Strukturen und Geräte nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
Einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung sehen einen Leistungsverstärker vor, der eine hohe Effizienz über eine breite Spanne an Ausgangsleistungen aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform umfasst der Leistungsverstärker eine Vielzahl verstärkender Elemente, die in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration verbunden sind, die parallele Spalten verstärkender Elemente beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind. Die parallelen Spalten sind mit einem gemeinsamen Ausgangspfad verbunden, der mit einer Speisespannungsquelle gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um jeder der Spalten eine gleiche Speisespannung bereitzustellen. Die Vielzahl verstärkender Elemente weist Steueranschlüsse auf, die mit unabhängigen Steuersignalen verbunden sind, die jedem verstärkenden Element einen von den anderen verstärkenden Elementen in der Matrix unabhängigen Betrieb ermöglichen. Verstärkende Elemente einer ersten Zeile weisen Steueranschlüsse auf, die weiter mit einem oder mehreren Eingangssignalen verbunden sind (z. B. RF-Eingangssignale). Wenn sie bei maximaler Ausgangsleistung arbeiten, arbeiten alle verstärkenden Elemente, um das/die Eingangssignal(e) zu verstärken. Wenn sie in einem Backoff-Betriebsmodus mit verringerter Leistung arbeiten, ermöglichen es die unabhängigen Steuersignale einer Untermenge der verstärkenden Elemente, als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden verstärkenden Elemente als Schalter arbeiten, die im Wesentlichen keine Energie verbrauchen. Dieser selektive Betrieb verstärkender Elemente ermöglicht eine verbesserte Effizienz gegenüber einer breiten Spanne an Ausgangsleistungen von Leistungsverstärkern.
1 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung 100 wie hierin bereitgestellt.
Die Leistungsverstärkerschaltung 100 umfasst eine Vielzahl verstärkender Elemente 102 in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration. Die seriell-parallele Matrixkonfiguration enthält M Spalten 104a–104m und N Zeilen 106a–106n. Jeweilige Spalten weisen N verstärkende Elemente 102a,x–102n,x auf, die in Reihe geschaltet sind. Die Spalten 104 sind über Parallelschaltung verbunden mit einem gemeinsamen Ausgangspfad, der mit einer DC-Speisespannungsquelle 108 gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um eine variable Speisespannung V_dd bereitzustellen. Die variable Speisespannung V_dd wird gleichmäßig an Ausgangsanschlüsse des letzten verstärkenden Elements 102a,1–102a,m in jeder Spalte angelegt.
Jedes verstärkende Element 102 weist einen Steueranschluss 110 auf, der konfiguriert ist, um ein unabhängiges Steuersignal zu empfangen. Die unabhängigen Steuersignale ermöglichen jedem verstärkenden Element einen von den anderen verstärkenden Elementen in der Matrix unabhängigen Betrieb. Daher kann ein aktiver Bereich (z. B. die Anzahl verstärkender Elemente, die als Verstärker in einer Leistungsverstärkerarchitektur arbeitet) des Leistungsverstärkers selektiv in Verbindung mit einer Einstellung der Speisespannung V_dd eingestellt werden, wodurch eine Anpassung zwischen der Matriximpedanz und der Ausgangslastimpedanz über eine breite Spanne an Ausgangsleistungen ermöglicht wird.
Spezieller ermöglichen Änderungen des aktiven Bereichs des Leistungsverstärkers und der Speisespannung während des Betriebs einen effizienten Betrieb der Leistungsverstärkerschaltung 100 bei einer maximalen Ausgangsleistung (d. h. eine maximale Ausgangsleistung zu erzeugen) oder in einem oder mehreren Backoff-Betriebsmodi (z. B. um verringerte Ausgangsleistungen zu erzeugen).
Wenn er beispielsweise bei einer maximalen Ausgangsleistung arbeitet, wird die Vielzahl verstärkender Elemente 102 in der Leistungsverstärkermatrix als Verstärker betrieben. Insbesondere verstärkt/verstärken alle der verstärkenden Elemente 102 ein Eingangssignal/Eingangssignale (z. B. ein RF-Eingangssignal), das/die an Steueranschlüssen 110n empfangen wurde(n). Beispielsweise verstärken verstärkende Elemente 102a,1–102n,1 ein an Steueranschlüssen 110n,1 empfangenes RF-Eingangssignal, verstärkende Elemente 102a,2–102n,2 verstärken ein an Steueranschlüssen 110n,2 empfangenes RF-Eingangssignal etc.
Wenn sie in einem Backoff-Betriebsmodus arbeitet, um dieselbe Effizienz wie bei maximaler Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten, wird die DC-Speisespannung V_dd verringert, und der aktive Bereich des Leistungsverstärkers wird verringert, indem eine Untermenge der Vielzahl verstärkender Elemente selektiv als Verstärker betrieben wird, während die verbleibenden verstärkenden Elemente als Nicht-Verstärker arbeiten (z. B. als Ein- oder Aus-Schalter).
Bei einer Ausführungsform können die verstärkenden Elemente 102 Halbleiterbauelemente (d. h. Transistoren) umfassen. Beispielsweise können die verstärkenden Elemente Galliumarsenid-(GaAs)-Halbleiterbauelemente umfassen. Bei solch einer Ausführungsform umfasst der Steueranschluss 110 eines jeden Transistors einen Gate-Anschluss, der konfiguriert ist, um eine Gate-Vorspannung zum Steuern des Stromflusses zwischen einem Source-Anschluss 112 und einem Drain-Anschluss 114 des Transistors zu empfangen. Eine Spalte übereinander angeordneter Transistorbauelemente ist in Reihe geschaltet, sodass der Drain 114n eines ersten Transistors mit der Source 112 des nächsten Transistors verbunden ist, und der Drain des letzten Transistors konfiguriert ist, um eine Drain-Spannung V_dd von DC-Speisespannungsquelle 108 zu empfangen. Der Drain des letzten Transistors ist ebenfalls mittels einer optimierten Ausgangslast 116 mit dem Ausgangsanschluss des Leistungsverstärkers verbunden.
Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, dass solch ein Halbleitertransistorbauelement zwischen dem Betrieb als ein Verstärker, als ein offener Schalter (d. h. offen) und ein geschlossener Schalter (z. B. ein Kurzschluss) geschaltet werden kann, indem die an den Transistor angelegte Gate-Vorspannung und/oder die Drain-Spannung variiert wird.
Beispielsweise kann ein Transistor als ein Verstärker betrieben werden, indem eine bestimmte Gate-Vorspannung angelegt wird, die den Transistor in einen aktiven Betriebsbereich (Sättigungsbereich) treibt. Wenn er als ein Verstärker arbeitet, ist der Transistor konfiguriert, um einen an dem Gate-Anschluss oder dem Source-Anschluss angelegten Strom zu verstärken. Somit wird bei maximaler Ausgangsleistung (d. h. alle Transistoren arbeiten als Verstärker) ein an Eingangsanschluss 110n,1 angelegtes RF-Eingangssignal durch Transistoren 102n,1 ... 102b,1 und 102a,1 verstärkt. Wenn die Gate-Vorspannung deutlich verringert wird (z. B. V_GS < V_TH), arbeitet der Transistor als ein ausgeschalteter Schalter (d. h. ein offener Schalter ohne Leitung zwischen Drain und Source). Wenn die Gate-Vorspannung deutlich erhöht wird (z. B. auf einen Wert, der den Transistor auf einen Ohm'schen Bereich treibt) und/oder wenn die Speisespannung deutlich verringert wird (z. B. auf einen Wert, sodass V_GS–V_TH größer ist als V_dd), arbeitet der Transistor als ein eingeschalteter Schalter (d. h. ein Kurzschluss).
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Leistungsverstärkerschaltung 200, umfassend eine Vielzahl an Transistoren in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration, die bei einer maximalen Ausgangsleistung und in einem Backoff-Betriebsmodus arbeitet. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, dass, obwohl 2 nachstehend für eine Transistorenmatrix mit gleicher Breite und/oder der gleichen Art beschrieben ist, dies ein nicht einschränkendes Beispiel ist, das bereitgestellt ist, um die hierin offenbarten Konzepte besser zu erklären.
Mit Bezug auf 2 ist der Strom durch jeden der in Reihe geschalteten Transistoren in einer Spalte gleich, und der Spannungsabfall über eine Spalte entspricht der Summe der Spannungsabfälle über jeden der in Reihe geschalteten Transistoren in der Spalte. Daher wird bei maximaler Ausgangsleistung (wobei M × N Transistoren als Verstärker arbeiten) ein Strom (I_TS = I_max/M von jedem Transistor abgegeben, und ein Spannungsabfall V_TS = V_dd,max/N wird über jeden Transistor verteilt (da die Drain-Spannung V_dd gleichmäßig an jede der parallelen Spalten angelegt wird). Demnach beträgt die von jedem der Transistoren gezeigte Impedanz Z_TS = V_TS/I_TS = Z_load·M/N = Z_opt und die Drain-Effizienz (η) eines jeden Transistors ist gleich η = P_out/P_dc = P_out/(V_dc·I_dc) = P_out/(V_dd,max·I_max/(N·M)).
Bei einem Backoff-Betriebsmodus ist der aktive Bereich der Leistungsverstärkerschaltung verringert, sodass eine Untermenge 202 von L × P Transistoren derart konfiguriert ist, um als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden Transistoren unter Verwendung beinahe keiner DC-Leistung (z. B. ohne Strom oder Spannung aufzuweisen) als Nicht-Verstärker arbeiten. Wie in 2 veranschaulicht, umfasst die Untermenge 202 einen Bruchteil der verstärkenden Elemente in einer Spalte der seriell-parallelen Matrix (z. B. P verstärkende Elemente aus einer Spalte N verstärkender Elemente) und einen Bruchteil verstärkender Elemente in einer Zeile der seriell-parallelen Matrixkonfiguration (z. B. L verstärkende Elemente aus einer Zeile M verstärkender Elemente).
Daher wird bei einem Backoff-Betriebsmodus ein Strom I_TS = I_max/M von jedem aktiven Transistor abgegeben, sodass der durch den Leistungsverstärker abgegebene Gesamtstrom I_TS = I_max·(L/M) beträgt. Die Drain-Spannung wird auf V_dd·P/N verringert, sodass ein Spannungsabfall V_TS = V_dd,max·(P/N)/P = V_dd,max/N über jeden Transistor verteilt wird. Demnach ist die von jedem Transistor gezeigte Impedanz gleich V_TS/I_TS = Z_load·M/N und die Drain-Effizienz (η) ist gleich η = P_out/P_dc = P_out/(V_dc·I_dc) = P_out/(V_dd,max·I_max/(N·M)).
Demnach bleibt durch Einstellung des aktiven Bereichs der Leistungsverstärkerschaltung (d. h. durch selektive Änderung der Anzahl an Transistoren, die als Verstärker innerhalb der Leistungsverstärkermatrix arbeitet) im Verhältnis zur Änderung der Speisespannung V_dd die Effizienz des Leistungsverstärkers angesichts von Änderungen der Speisespannung V_dd unverändert. Mit anderen Worten wird die Effizienz des Leistungsverstärkers im Backoff-Betriebsmodus aufrechterhalten, da das Verhältnis zwischen Ausgangsleistung P_out und DC-Strom direkt proportional mit dem Verhältnis der DC-Speisespannung abnimmt. Dies ermöglicht es, dass die Gesamteffizienz des Leistungsverstärkers über eine breite Spanne an Ausgangsleistungen konstant bleibt.
3a–3c veranschaulichen ein bestimmtes Beispiel eines beispielhaften Leistungsverstärkers wie hierin bereitgestellt. 3a veranschaulicht eine schematische Darstellung des Leistungsverstärkers. 3b und 3c zeigen Blockdiagramme der Transistoren in dem Leistungsverstärker für unterschiedliche Ausgangsleistungen, veranschaulicht als eine Stromquelle 306 (wenn er in einem Verstärkermodus arbeitet), als ein offener Schalter/offen 310 (wenn er in einem Schalter-Aus-Modus arbeitet) oder als ein geschlossener Schalter/Kurzschluss 312 (wenn er in einem Schalter-Ein-Modus arbeitet), mit Parasitärkapazitäten 308 (z. B. Gate-Source-Kapazitäten), die parallel zur Stromquelle 306 geschaltet gezeigt sind.
Es ist selbstverständlich, dass die hierin bereitgestellten beispielhaften Leistungsverstärker vereinfachte Beispiele sind, die veranschaulicht sind, um die hierin offenbarten erfinderischen Konzepte besser zu erklären. Demnach ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass die veranschaulichten Leistungsverstärker in eine größere Leistungsverstärkermatrix eingeschlossen sein können, oder dass die veranschaulichten Transistoren einem oder mehreren tatsächlichen Transistoren entsprechen können (z. B. übereinander angeordnete Transistoren, kaskadierte Transistoren, etc.). Beispielsweise kann Transistor M₁ in 3a einer Vielzahl tatsächlicher Transistoren entsprechen (z. B. zwei oder mehr in Reihe/parallel geschaltete Transistoren), die zusammengenommen Eigenschaften aufweisen, die von Transistor M₁ dargestellt werden.
Mit Bezug auf 3a umfasst der Leistungsverstärker 300 eine 2×2 Matrix an Transistoren M₁–M₄ in einer seriell-parallelen Konfiguration. Bei der gezeigten Ausführungsform weist jeder der Transistoren M₁–M₄ eine im Wesentlichen gleiche Gate-Breite auf und ist von derselben Art (z. B. p-Art, n-Art). Bei alternativen Ausführungsformen können die Transistoren variierende Gate-Breiten aufweisen (z. B. wie in 13 gezeigt) und/oder von unterschiedlicher Art sein.
Getrennte Eingangssignale, RF_in1 und RF_in2, sind mit dem Leistungsverstärker 300 an den DC-entkoppelten Gate-Anschlüssen von Transistoren M₁ und M₂ verbunden. Die getrennten RF-Eingangssignale werden gemäß unterschiedlicher Verstärkungspfade verstärkt, wodurch der Matrix ein Betrieb ermöglicht wird, um effizient eine breite Spanne an Ausgangsleistungen zu erzeugen. Beispielsweise wird das Eingangssignal RF_in1 der Reihe nach (d. h. Summierung der Ausgangsleistungen) durch eine Spalte der Matrix verstärkt, die verstärkende Transistoren M₁ und M₃ enthält, und Eingangssignal RF_in2 wird der Reihe nach durch eine Spalte der Matrix verstärkt, die verstärkende Transistoren M₂ und M₄ enthält.
Ein DC-DC-Transformator 302 ist mit einem gemeinsamen Ausgangspfad mit einer optimalen Ausgangslast Z_opt gekoppelt. Der DC-DC-Transformator 302 ist konfiguriert, um den Drains von Transistoren M₃ und M₄ eine gleiche Speisespannung V_dd bereitzustellen.
Ein Bias-Controller 304 ist konfiguriert, um eine Vielzahl unabhängiger Gate-Vorspannungen V_g1–V_g4 zu erzeugen, die an die Gate-Anschlüsse von Transistoren M₁–M₄, wie in der Figur gezeigt, angelegt werden (z. B. V_g1 wird an das Gate von Transistor M₁ angelegt, V_g2 wird an das Gate von Transistor M₂ angelegt, etc.). Indem unabhängige Gate-Vorspannungen V_g1–V_g4 an getrennte Transistor-Gates angelegt werden, wird es getrennten Transistoren ermöglicht, individuell als ein Verstärker, ein offener Schalter/offen oder ein geschlossener Schalter/Kurzschluss zu arbeiten.
Wie in 3b veranschaulicht, werden Transistoren M₁–M₄ bei maximaler Ausgangsleistung als Verstärker betrieben (z. B. M₁ und M₃ verstärken RF_in1 und M₂ und M₄ verstärken RF_in2). Insbesondere der Drain von Transistoren M₃ und M₄ ist bei einer Soll-Speisespannung V_dd voreingestellt. Die an Transistoren M₁ und M₂ angelegten Gate-Vorspannungen weisen einen gleichen Wert auf (z. B. V_g1 = V_g2), der gemäß einer gewünschten Betriebsklasse des Leistungsverstärkers gewählt wird. Die an Transistoren M₃ und M₄ angelegten Gate-Vorspannungen weisen ebenfalls einen gleichen Wert auf (z. B. V_g3 = V_g4), der so gewählt wird, dass die Spannungsschwankung an dem gemeinsamen Ausgangspfad gleichmäßig zwischen den Spalten der Matrix aufgeteilt wird.
Solche Vorspannungsbedingungen veranlassen Transistoren M₁ und M₃, einen Strom I zu erzeugen, und Transistoren M₂ und M₄ haben einen Strom I für einen Gesamtausgangsstrom 2I. Des Weiteren erfährt jede Zeile der Matrix einen Spannungsabfall V_dd/2 (z. B. Transistoren M₁ und M₂ erfahren je einen Spannungsabfall V_dd/2 und Transistoren M₃ und M₄ erfahren je einen Spannungsabfall V_dd/2) für einen Gesamtspannungsabfall V_dd. Diese Vorspannungsbedingungen führen zu einer Gesamtausgangsleistung P_max, die für eine konstante Ausgangslast Z_opt optimiert ist (erreicht bei einem optimalen Reflexionskoeffizienten ⌈_opt).
Wie in 3c veranschaulicht, sind bei einem Backoff-Betriebsmodus die Drains von Transistoren M₃ und M₄ bei einer verringerten Speisespannung V_dd/2 voreingestellt. Die Gate-Vorspannung V_g2 bleibt die gleiche wie bei maximaler Ausgangsleistung (z. B. 3b), sodass Transistor M₂ weiter als ein Verstärker arbeitet. Die Gate-Vorspannung V_g4 wird auf einen Spannungswert angehoben, der Transistor M₄ veranlasst, als ein geschlossener Schalter (d. h. ein Kurzschluss) zu arbeiten. Die Gate-Vorspannungen V_g1 und/oder V_g3 werden auf einen Spannungswert gesenkt, der Transistoren M₁ und M₃ veranlasst, als offene Schalter zu arbeiten.
Solche Vorspannungsbedingungen veranlassen Transistoren M₂ und M₄, einen Strom I zu haben, und Transistoren M₁ und M₃ einen Strom 0 für einen Gesamtausgangsstrom I zu haben. Des Weiteren erfährt Transistor M₂ einen Spannungsabfall V_dd/2 und Transistor M₄ erfährt einen Spannungsabfall 0 für einen Gesamtspannungsabfall V_dd/2. Diese Vorspannungsbedingungen führen zu einer Gesamtausgangsleistung, die ¼ der maximalen Ausgangsleistung (d. h. P_max/4) beträgt. Die Effizienz der Gesamtleistungsverstärkerschaltung (d. h. die Effizienz des aktiven Bereichs des Leistungsverstärkers) bleibt jedoch die gleiche und die Transistoren bleiben mit der konstanten Lastimpedanz Z_opt optimiert (um die Ausgangsleistung bei dem optimalen Reflexionskoeffizienten ⌈_opt zu erreichen).
4a–4b veranschaulichen eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer beispielhaften Leistungsverstärkerschaltung 400. Die Leistungsverstärkerschaltung 400 umfasst eine elektrische Verbindung 402 zwischen Knoten 404a und 404b, die auf benachbarten Spalten in Reihe geschalteter (d. h. übereinander angeordneter) Transistoren angeordnet ist. Die elektrische Verbindung 402 veranlasst Transistoren M₃ und M₄, in Parallelschaltung verbunden zu sein.
Bei maximaler Ausgangsleistung sind Transistoren M₃ und M₄ beide auf eine Gate-Spannung gleich V_g3 voreingestellt, die so gewählt ist, dass sie einen Wert aufweist, der die Ausgangsspannung über die zwei Spalten von Transistoren aufteilt. Die Verwendung einer gleichen Gate-Vorspannung veranlasst Transistoren M₃ und M₄, als ein einziger Transistor bei Block 406 zu arbeiten. Transistoren M₁ und M₂ können bei Gate-Vorspannungen mit einem gleichen Wert voreingestellt sein (z. B. V_g1 = V_g2), der gemäß einer gewünschten Betriebsklasse des Leistungsverstärkers gewählt wird.
Bei einem, wie in 4b veranschaulichten Backoff-Betriebsmodus kann die Vorspannung des obersten Drains auf V_dd\2 gesenkt werden, und die Gate-Vorspannungen V_g3, mit der Transistoren M₃ und M₄ gespeist werden, kann angehoben werden, um die Transistoren bei Block 406 anzutreiben, um als ein Ein-Schalter (d. h. ein Kurzschluss) zu arbeiten. Die Parallelschaltung von Transistoren M₃ und M₄ verringert Verluste in der Leistungsverstärkerschaltung 400.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4a sind die Speisespannung V_dd und einige Gate-Vorspannungen V_gx mit dem Leistungsverstärker über Drosseln 408 verbunden. Die Drosseln 408 ermöglichen es niederfrequenten (z. B. DC) Signalen zu passieren, blockieren aber hochfrequente (z. B. RF) Signale. Beispielsweise ermöglicht eine zwischen dem Drain von Transistoren M₃ und M₄ und der Speisespannungsquelle V_dd angeordnete Drossel 408a, dass die DC-Speisespannung V_dd frei fließt, während sie den Fluss des verstärkten RF-Signals blockiert.
Die RF-Eingänge RF_in1 und RF_in2 sind durch Kondensatoren 410 mit dem Leistungsverstärker verbunden. Die Kondensatoren 410 ermöglichen es hochfrequenten RF-Signalen zu passieren, blockieren aber niederfrequente (z. B. DC) Signale. Beispielsweise ermöglicht ein zwischen dem RF-Eingang RF_in1 und dem Gate von Transistor M₁ angeordneter Kondensator 410a, dass das RF-Eingangssignal frei fließt, während er den Fluss der DC-Gate-Spannung V_g1 blockiert.
5a–5c veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines beispielhaften Leistungsverstärkers wie hierin bereitgestellt. 5a veranschaulicht eine schematische Darstellung der Leistungsverstärkerschaltung 500. 5b und 5c zeigen Blockdiagramme der Transistoren in 5a, veranschaulicht als eine Stromquelle, ein offener Schalter/offen oder ein geschlossener Schalter/Kurzschluss.
Mit Bezug auf 5a weist ein einzelner Transistor M₂ einen Drain, der mit der Speisespannungsquelle V_dd gekoppelt ist, und eine Source auf, die mit parallelen Transistoren M_A und M_B verbunden ist. Transistoren M_A und M_B weisen je getrennte RF-Eingänge, RF_inA bzw. RF_inB, auf. Bei einer nachstehend beschriebenen Ausführungsform kann Transistor M₂ eine Gate-Breite aufweisen, die zweimal die Gate-Breite der parallelen Transistoren M_A und M_B aufweist, sodass die Stromdichte über Transistor M₂ die gleiche ist wie die Stromdichte über Transistoren M_A und M_B.
Ein variabler Abstimmkondensator C_tune ist mit dem Gate des Transistors M₂ verbunden. Der Abstimmkondensator C_tune reguliert die Kopplung des RF-Signals mit der Speisespannung V_dd, sodass die Speisespannung gleichmäßig über die Zeilen der Matrix verteilt wird (z. B. die M₂ enthaltende Zeile und die M_A und M_B enthaltende Zeile). Bei einer Ausführungsform kann der Abstimmkondensator C_tune eine Kapazitätsdiode umfassen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Abstimmkondensator C_tune eine rekonfigurierbare Standardkondensatorenbank umfassen, die in der Technik verfügbar und ausgewählt ist, um die Leistungsverstärkerschaltung herzustellen.
5b veranschaulicht die Leistungsverstärkerschaltung 500, die bei maximaler Ausgangsleistung arbeitet. Wie in 5b veranschaulicht, ist bei maximaler Leistung die Speisespannung auf V_dd eingestellt und Transistoren M_A, M_B und M₂ werden als Verstärker betrieben. Transistoren M_A und M_B sind je derart konfiguriert, dass sie einen Strom I/2 aufweisen, und Transistor M₂ ist konfiguriert, um einen Strom I aufzuweisen, sodass der Gesamtausgangsstrom I ist.
5c veranschaulicht eine Leistungsverstärkerschaltung 500, die in einem 6 dB Backoff-Betriebsmodus arbeitet. Wie in 5c veranschaulicht, ist die Speisespannung bei Betrieb in einem Backoff-Betriebsmodus auf V_dd/2 verringert, Gate-Vorspannung V_g2 ist auf Kurzschlusstransistor M₂ eingestellt, und Gate-Vorspannung V_gA ist eingestellt, um Transistor M_A auszuschalten. Der so erhaltene Gesamtausgangsstrom beträgt I/2, die Hälfte des Stroms bei maximaler Leistung. Des Weiteren gibt Transistor M_B, der mit derselben Effizienz arbeitet, eine Leistung aus, die ¼ der maximalen Ausgangsleistung beträgt.
6 veranschaulicht Blockdiagramm 600, das parasitäre Elemente der Leistungsverstärkerschaltung von 5a in einem Backoff-Betriebsmodus zeigt. Wie in 6 gezeigt, kann ein abstimmbarer Kondensator C_tune als ein Parallelkondensator auf dem RF-Signalpfad an dem Gate von M₂ verbunden sein. Bei maximaler Ausgangsleistung kann Kondensator C_tune abgestimmt werden, um die Kopplung des RF-Signals mit der Gate-Vorspannung V_g2 am Gate von Transistor M₂ zu regulieren, sodass die Speisespannung gleichmäßig über die Zeilen der Matrix verteilt wird.
Bei einem Backoff-Betriebsmodus wird Transistor M₂ als ein Kurzschluss betrieben (z. B. ein Schalter in offenem Zustand) mit einem Widerstand Rc, und Transistor M_A wird als offen betrieben (z. B. ein Schalter in einem ausgeschalteten Zustand). Da Kurzschlüsse und offene Schalter nicht ideal sind, wird der verstärkende Transistor M_B am Ausgang des Leistungsverstärkers aufgrund von Störeffekten (z. B. C_GD, C_GS) nicht mit der theoretisch erwarteten optimalen Impedanz dargestellt.
Bei solch einer Ausführungsform arbeitet Kondensator C_tune als ein Parallelkondensator zwischen dem RF-Ausgangspfad (am Drain von M_B) und der Masse. Die Kapazität von Kondensator C_tune kann variiert werden, um den Einfluss parasitärer Kapazitäten auf die Effizienz des verstärkenden Leistungsverstärkers im Backoff-Betriebsmodus zu minimieren (z. B. um den von Transistor M_B gezeigten Reflexionskoeffizienten zu verbessern). Mit anderen Worten kann Kondensator C_tune variiert werden, um die Last des aktiven Transistors M_B abzustimmen, ohne das Anpassungsnetzwerk 602 abzustimmen. Dadurch, dass das Anpassungsnetzwerk 602 nicht variiert wird, wird die Leistung des Leistungsverstärkers bei maximaler Ausgangsleistung nicht vermindert.
7 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 700 zum Betrieb eines Leistungsverstärkers. Obwohl Verfahren 700 veranschaulicht und nachstehend als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen beschrieben ist, ist es selbstverständlich, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht einschränkend ausgelegt werden soll. Beispielsweise können einige Vorgänge in unterschiedlicher Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen außer den hierin veranschaulichten und/oder beschriebenen stattfinden. Zusätzlich können nicht alle veranschaulichten Vorgänge zur Umsetzung eines oder mehrerer Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung hierin erforderlich sein. Ebenfalls können ein oder mehr der hierin dargestellten Vorgänge in ein oder mehr getrennten Vorgängen und/oder Phasen durchgeführt werden.
Des Weiteren kann der beanspruchte Gegenstand als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder Herstellungsgegenstand unter Verwendung von Standardprogrammier- und/oder Standardingenieurstechniken zur Herstellung von Software, Firmware, Hardware oder jeder Kombination davon umgesetzt sein, um einen Computer zu steuern, um den offenbarten Gegenstand umzusetzen (z. B. die in 1, 2 etc. gezeigten Schaltungen sind nicht einschränkende Beispiele von Schaltungen, die zur Umsetzung von Verfahren 700 verwendet werden können). Der Begriff „Herstellungsgegenstand” wie hierin verwendet, soll ein Computerprogramm umfassen, auf das von jedem computerlesbaren Gerät, Träger oder Medien zugegriffen werden kann. Natürlich werden Fachleute erkennen, dass viele Modifikationen an dieser Konfiguration gemacht werden können, ohne vom Umfang oder Sinn des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen.
Bei 702 ist eine Vielzahl verstärkender Elemente in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration verbunden, die parallele Spalten enthält. Spezieller enthält die seriell-parallele Matrixkonfiguration M parallele Spalten, wobei jeweilige Spalten N verstärkende Elemente aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Die Spalten sind mit einem gemeinsamen Ausgangspfad in Parallelschaltung verbunden, der mit einer DC-Speisespannungsquelle gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um eine Speisespannung bereitzustellen.
Bei 704 sind getrennte Eingangssignale den Steueranschlüssen der ersten in Reihe geschalteten verstärkenden Elemente in jeder Spalte bereitgestellt. Daher wird jeder Spalte ein getrenntes Eingangssignal bereitgestellt, an dem die Spalte arbeiten muss (z. B. verstärken). Bei einer Ausführungsform umfassen die getrennten Eingangssignale RF-Eingangssignale, die von einem gemeinsamen RF-Eingangssignal erzeugt werden.
Bei 706 wird den Steueranschlüssen der ersten in Reihe geschalteten verstärkenden Elemente in jeder Spalte eine variable Speisespannung bereitgestellt.
Bei 708 werden getrennte Steuersignale den Steueranschlüssen getrennter verstärkender Elemente bereitgestellt, die in der Matrix enthalten sind. Beispielsweise kann ein getrenntes Steuersignal einem getrennten Steueranschluss eines jeden verstärkenden Elements bereitgestellt werden. Die Verwendung unabhängiger Steuersignale ermöglicht es dem aktiven Bereich des Leistungsverstärkers, durch Betrieb einer Untermenge der Verstärkerelemente als Verstärker unabhängig von den anderen verstärkenden Elementen in der Matrix eingestellt zu werden. Beispielsweise arbeiten alle verstärkenden Elemente, wenn sie bei maximaler Ausgangsleistung arbeiten, als Verstärker, um das/die Eingangssignal(e) zu verstärken. Wenn sie in einem Backoff-Betriebsmodus mit verringerter Leistung arbeiten, ermöglichen es die unabhängigen Steuersignale einer Untermenge der verstärkenden Elemente, als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden verstärkenden Elemente als Nicht-Verstärker arbeiten, die im Wesentlichen keine Energie verbrauchen.
Demnach ermöglicht Verfahren 700 es, dass eine variable Speisespannung in Verbindung mit dem selektiven Betrieb der leistungsverstärkenden Elemente eingestellt wird, um ein Eingangssignal zu verstärken, was zu einer verbesserten Effizienz des Leistungsverstärkers über eine breite Spanne an Ausgangsleistungen führt.
Es ist selbstverständlich, dass ein am Leistungsverstärker empfangenes Funkfrequenz-Eingangssignal in zwei oder mehr RF-Eingangssignale aufgespalten werden kann, die getrennten Spalten der hierin bereitgestellten seriell-parallelen Matrixkonfigurationen des Leistungsverstärkers bereitgestellt werden. Die Verwendung von zwei oder mehr RF-Eingangssignalen ermöglicht es, dass Spalten der Leistungsverstärkermatrix getrennt betrieben werden, um ein verstärktes RF-Ausgangssignal zu erzeugen.
Beispielweise kann ein einzelnes RF-Eingangssignal in zwei RF-Eingänge aufgeteilt werden. Für den Erfinder ist es selbstverständlich, dass die Aufteilung eines einzelnen RF-Eingangssignals in zwei oder mehr RF-Eingangssignale auf zahlreiche Weisen praktiziert werden kann. 8a–8c veranschaulichen drei mögliche Ausführungsformen der Schaltung, die verwendet werden können, um ein RF-Eingangssignal RF_in in eine Vielzahl an RF-Eingangssignalen, RF_inA und RF_inB, aufzuspalten. Es ist selbstverständlich, dass diese Ausführungsformen nicht einschränkende Ausführungsformen sind, und für den Erfinder sind zusätzliche Ausführungsformen selbstverständlich, die ein ähnliches Ziel erreichen können.
8a veranschaulicht eine Schaltung, bei der Knoten RF_inA, RF_inB und RF_in mit einem gemeinsamen Knoten gekoppelt sind. Wie in 8a gezeigt, wird ein RF-Eingangssignal in Knoten RF_in eingespeist, das in einen ersten Zweig, der ein RF-Signal an Knoten RF_inA ausgibt, und einen zweiten Zweig, der ein RF-Signal an Knoten RF_inB ausgibt, aufgespalten wird. 8b veranschaulicht eine zusätzliche Ausführungsform einer Schaltung, die einen Schalter 802 umfasst, der in dem ersten Zweig angeordnet ist, der ein RF-Signal an Knoten RF_inA ausgibt.
8c veranschaulicht eine zusätzliche Ausführungsform einer Schaltung, die einen Leistungsteiler 804 umfasst, der verwendet wird, um RF-Signale an Knoten RF_inA und RF_inB aus einem in Knoten RF_in eingespeisten RF-Eingangssignal zu erzeugen. Der Leistungsteiler akzeptiert ein RF-Eingangssignal von Knoten RF_in als einen Eingang und basierend darauf gibt er RF-Signale an Knoten RF_inA und RF_inB aus. Der RF-Signalausgang an Knoten RF_inA und RF_inB weist im Wesentlichen gleiche Amplituden und dazwischen eine hohe Isolation auf.
Obwohl die hierin gezeigten Ausführungsformen eine 2×2 Matrix veranschaulicht haben, ist es selbstverständlich, dass die hierin offenbarten Grundideen auf Matrixkonfigurationen mit einer größeren Anzahl verstärkender Elemente angewandt werden können. Beispielsweise veranschaulicht 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Leistungsverstärkerschaltung 900 mit einer 3×3 Transistorenmatrix, die es ermöglicht, die Leistungsverstärkerschaltung 900 bei einer Vielzahl an Backoff-Betriebsmodi zu betreiben. Bei einer Ausführungsform weisen die Transistoren M₁–M₉ eine im Wesentlichen gleiche Gate-Breite auf, sodass die Stromdichte einer jeden Zeile im Wesentlichen gleich ist. Die Matrix umfasst weiter Kopplungsstrukturen 902a–902c zwischen internen Knoten der Spalten von übereinander angeordneten Transistoren in der Matrix.
Eine maximale Ausgangsleistung wird für den Leistungsverstärker bei einer Speisung V_dd und mit einer Gate-Anschluss-Vorspannung V_g3, V_g2 = V_g2', V_g1 = V_g1' = V_g1'' erzielt, die alle Transistoren veranlasst, als Verstärker zu fungieren und die Ausgangsspannung über die Zeilen der parallel-seriellen Matrix gleichmäßig aufteilt. Ein erster Backoff-Betriebsmodus mit einem 3,5 dB Backoff kann erzielt werden, indem die Speisespannung auf V_dd·2/3 gesenkt wird und V_g3 erhöht wird, um die Transistoren M₇, M₈ und M₉ auf einen Ein-Schalter zu schalten. Die Gate-Vorspannung V_g2 und/oder V_g1 kann gesenkt werden, um den Zweig M4–M1 auszuschalten. Ein zweiter Backoff-Betriebsmodus mit einem 9,5 dB Backoff kann erzielt werden, indem die Vorspannung des obersten Drains auf V_dd\3 gesenkt wird, indem Transistoren M₅ und M₆ eingeschaltet werden, indem sie auf die Gate-Vorspannung V_g2' Einfluss nehmen, und indem Transistor M₂ ausgeschaltet wird.
Es ist selbstverständlich, dass die Anordnung der Kopplungsstrukturen zwischen übereinander angeordneten Transistoren bei alternativen Ausführungsformen variiert werden kann. Wie es für einen Fachmann selbstverständlich ist, beeinflusst solch eine Variation der Kopplungsstrukturen nicht die konzeptionelle Funktionsfähigkeit des hierin offenbarten Leistungsverstärkers, kann jedoch aus Design-Gründen ausgeschöpft werden.
Beispielsweise veranschaulicht 10a eine alternative Ausführungsform einer schematischen Darstellung einer Leistungsverstärkerschaltung 1000 mit Kopplungsstrukturen 1002 zwischen den internen Knoten einer Transistorenmatrix. 10b–10d veranschaulichen bildlich die unterschiedlichen Betriebsmodi.
Wie in 10b gezeigt, erzielt die Leistungsverstärkerschaltung 1000 eine maximale Ausgangsleistung für eine Speisespannung V_dd unter Verwendung einer Gate-Vorspannungskonfiguration V_g1 = V_g2 = V_g3, V_g4 = V_g5 = V_g6 und V_g7 = V_g8 = V_g9. Solch eine Gate-Vorspannung veranlasst alle Stufen der Leistungsverstärkerschaltung 1000 eine Ausgangsspannung zu verstärken und zu erzeugen, die gleichmäßig über die Zeilen der parallel-seriellen Matrix aufgeteilt ist. Die so erhaltene Ausgangsleistung ist die maximale Ausgangsleistung.
Wie in 10c gezeigt, kann ein erster Backoff-Betriebsmodus erzielt werden, indem die Speisespannung auf (2·V_dd)/3 gesenkt wird, und die Gate-Vorspannungen V_g4, V_g5 und V_g6 auf einen Wert erhöht werden, der Transistoren M₄, M₅ und M₆ auf einen Ein-Zustand schaltet (d. h. auf einen Kurzschluss). Die Gate-Vorspannungen V_g3 und V_g9 werden gesenkt, um Transistoren M₃ und M₉ auszuschalten (d. h. auf einen offenen Zustand). Die so erhaltene Ausgangsleistung solch eines ersten Backoff-Betriebsmodus beträgt 4/9 der maximalen Ausgangsleistung (d. h. ein 3,5 dB Backoff).
Wie in 10c gezeigt, kann ein zweiter Backoff-Betriebsmodus erzielt werden, indem die Speisespannung weiter auf V_dd/3 gesenkt wird, und indem Gate-Vorspannungen V_g7, V_g8 und V_g9 weiter eingestellt werden, um die Transistoren M₇, M₈ und M₉ einzuschalten, und um Gate-Vorspannung V_g1 zu senken, um Transistor M₁ auszuschalten. Die so erhaltene Ausgangsleistung solch eines zweiten Backoff-Betriebsmodus beträgt 1/9 der maximalen Ausgangsleistung (d. h. ein 9,5 dB Backoff).
11a–11d veranschaulichen eine weitere alternative Ausführungsform des Leistungsverstärkers. 11a veranschaulicht eine schematische Darstellung der Leistungsverstärkerschaltung 1100. 11b–11d zeigen Blockdiagramme der Transistoren, die als eine Stromquelle, ein offener Schalter oder ein Kurzschluss veranschaulicht sind.
Wie in 11a veranschaulicht, weist ein einzelner Transistor M₆, mit einer Gate-Breite gleich der Summe der Gate-Breiten von Transistoren M₇–M₉ in 9 einen Drain, der mit der Speisespannung V_dd gekoppelt ist, und eine Source auf, die mit zwei parallelen Transistoren M₄ und M₅ gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform entspricht die gesamte Gate-Breite von Transistoren M₄ und M₅ der Gate-Breite von Transistor M₆. Transistor M₄ weist eine Source auf, die mit Transistor M₁ gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform weisen Transistoren M₁ und M₄ eine gleiche Gate-Breite auf. Transistor M₅ weist eine Source auf, die mit parallelen Transistoren M₂ und M₃ gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform entspricht die gesamte Gate-Breite von Transistoren M₂ und M₃ der Gate-Breite von Transistor M₅.
Der Betriebsmodus, der der maximalen Ausgangsleistung entspricht, ist grafisch in 11b dargestellt, in der alle Transistoren in der Matrix verstärkend sind.
Ein erster Backoff-Betriebsmodus kann erzielt werden, indem die Speisespannung auf (2·V_dd)/3 gesenkt wird, und V_g6 auf einen Spannungswert erhöht wird, der Transistor M₆ auf einen Ein-Zustand schaltet (d. h. M₆ fungiert als ein Kurzschluss). Die Gate-Vorspannung V_g1 und/oder V_g4 wird gesenkt, um Transistoren M₁ und M₄ auszuschalten. Die so erhaltene Ausgangsleistung solch eines ersten Backoff-Betriebsmodus beträgt 4/9 der maximalen Leistung (d. h. ein 3,5 dB Backoff).
Ein zweiter Backoff-Betriebsmodus kann erzielt werden, indem die Speisespannung weiter auf V_dd/3 gesenkt wird, und indem Gate-Vorspannung V_g5 geändert wird, um Transistor M₅ einzuschalten, und indem Gate-Vorspannung V_g2 geändert wird, um Transistor M₂ auszuschalten. Die Ausgangsleistung solch eines zweiten Backoff-Modus beträgt 1/9 der maximalen Ausgangsleistung (d. h. ein 9,5 dB Backoff).
12 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer beispielhaften Leistungsverstärkerschaltung 1200 wie hierin bereitgestellt. Die Leistungsverstärkerschaltung 1200 von 12 setzt anstelle der bei vorherigen Ausführungsformen veranschaulichten Transistoren Kaskaden ein. Beispielsweise veranschaulicht 12 Kaskaden 1202, die zwei Transistoren umfassen, wobei einer als eine gemeinsame Source und der andere als ein gemeinsames Gate arbeitet.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kaskade 1202a zwei übereinander angeordnete Transistoren M₆ und M₅, die die gleiche Breite aufweisen können. Die Source von Kaskade 1202a ist mit zwei Kaskaden 1202b und 1202c gekoppelt, die über Parallelschaltung verbunden sind. Kaskade 1202b umfasst Transistoren M₁ und M₂, die eine Gate-Breite aufweisen können, die halb so groß ist wie die Gate-Breite von Transistoren M₅ und M₆. Kaskade 1202b umfasst Transistoren M₃ und M₄, die eine Gate-Breite aufweisen können, die halb so groß ist wie die Gate-Breite von Transistoren M₅ und M₆. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Kaskaden 1202b und 1202c ungleiche Gate-Breiten aufweisen, die im Wesentlichen der Gate-Breite von Kaskade 1202a entsprechen. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Kaskaden 1202b und 1202c gesamte Gate-Breiten aufweisen, die ungleich (z. B. breiter) der Gate-Breite von Kaskade 1202a sind.
Blockkondensatoren C₆, C₂ und C₄ sind gemäß der Anforderungen der Kaskaden hinsichtlich Verstärkung, Ausgangsleistung und Effizienz aufgebaut. Eine Vorspannung wird durch einen gesteuerten Vorspannungsblock bereitgestellt. Der Kondensator C_tune gleicht die RF-Schwankung am obersten Drain über die Zeilen aus (z. B. M₆, M₅ und M₂ und M₄, M₁ und M₃) und kann ebenso als Kapazitätsdiode oder als eine dynamisch rekonfigurierbare Standardkondensatorenbank, die in der Technik verfügbar und ausgewählt ist, um die Schaltung herzustellen, umgesetzt werden.
13 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer beispielhaften Leistungsverstärkerschaltung 1300 wie hierin bereitgestellt. Die Leistungsverstärkerschaltung 1300 des Aufbaus von 13 ist aus der Ausführungsform von 12 abgeleitet, indem die Transistoren M₅ und M₃ in zwei parallele Transistoren mit unterschiedlichen Gate-Knoten aufgeteilt werden (je M₆–M₇ und M₂–M₃ in 13).

Die Leistungsverstärkerschaltung 1300 kann bei einer maximalen Ausgangsleistung und bei verschiedenen Backoff-Betriebsniveaumodi betrieben werden, wie in Tabelle 1 nachstehend zusammengefasst ist.

Modus	aktive Transistoren	Schalter-Ein Transistoren	Schalter-Aus Transistoren	Pout	BO Niveau
1	Alle	-	-	P_max	0 dB
2	M₂, M₃, M₅, M₇	M₈	M₁, M₄, M₆	(9/16)·P_max	2,5 dB
3	M₃	M₈, M₇, M₆, M₅	M₁, M₄, M₂	(1/16)·P_max	12 dB

Um sicherzustellen, dass die Stromdichte auf jedem Transistor ungeachtet des Backoff-Modus unverändert bleibt, können Transistoren M₁, M₃, M₄ und M₆ derart gewählt werden, dass sie eine gleiche Breite aufweisen, Transistor M₂ kann derart gewählt werden, dass er doppelt so breit ist wie M₁, Transistoren M₅ und M₇ können derart gewählt werden, dass sie dreimal so breit sind wie M₁, und Transistor M₈ kann derart gewählt werden, dass er viermal so breit ist wie M₁. Die Breiten sind in 13, normiert auf die Breite w des Referenztransistors M₁, veranschaulicht.
Die Gates der Transistoren M₁, M₂ und M₃ sind DC-entkoppelt. Ein RF-Eingangssignal wird in den Leistungsverstärker als RF_in1, RF_in2 und RF_in3 an Gate-Anschlüssen von Transistoren M₁, M₂ und M₃ eingegeben. Blockkondensatoren C₄, C₅, und C₈ und Abstimmkondensatoren C₆ und C₇ können Kapazitätsdioden oder schaltbare Standardkondensatorenbanken, die in der Technik verfügbar und ausgewählt sind, um die Schaltung herzustellen, umfassen.
14 veranschaulicht einen Graphen 1400, der Messungen der Effizienz eines Leistungsverstärkers, ähnlich denjenigen, die in 13 veranschaulicht sind, als eine Funktion des Backoffs (in dB) zeigt, wobei die Ausgangslast auf einem Wert gehalten wird, der zur maximalen Ausgangsleistung optimiert ist. Das Backoff erstreckt sich entlang der x-Achse von 0 dB bei maximaler Ausgangsleistung auf ca. –25 dB. Die gestrichelte Linie 1402 zeigt die Effizienz des Leistungsverstärkers, wenn alle verstärkenden Elemente als Verstärker arbeiten (z. B. bei einer maximalen Ausgangsleistung). Wie in Graph 1400 gezeigt, nimmt die Effizienz der gestrichelten Linie 1402 in dem Maße ab, wie die dem Drain der obersten Kaskade bereitgestellte Speisespannung verringert wird.
Die durchgezogene Linie 1404 zeigt die Effizienz des Leistungsverstärkers, wenn die oberste Kaskade auf Kurzschluss geschaltet ist und eine der unteren Kaskaden ausgeschaltet ist (z. B. bei einem Backoff-Betriebsmodus mit einem aktiven Bereich von 1/3 der maximalen Ausgangsleistung). Wie in Graph 1400 veranschaulicht, verbessert sich bei einem Backoff von ca. –7 dB die Effizienz des Backoff-Betriebsmodus 1404 über die maximale Ausgangsleistung 1402. Somit veranschaulicht Graph 1400, dass der Backoff-Betriebsmodus bei hohem Backoff (eine geringe Ausgangsleistung) eine größere Effizienz erzielt, wenn eine Untermenge verstärkender Elemente als Verstärker arbeitet und die verbleibenden verstärkenden Elemente als nicht verstärkende Elemente arbeiten. Daher kann die offenbarte Leistungsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um sowohl bei maximaler Ausgangsleistung als auch in einem Backoff-Betriebsmodus zu arbeiten, bei einer hohen Effizienz über eine breite Spanne an Ausgangsleistungen betrieben werden.
Graph 1400 veranschaulicht ebenfalls eine Verbesserung der Effizienz eines DC-DC-Transformators (z. B. entsprechend DC-DC-Transformator 302), die unter Verwendung eines Backoff-Betriebsmodus erzielt wird. Wie in 14 gezeigt, wird eine höhere Spannung des obersten Drains für teilweise ausgeschaltete Lösungen mit Bezug auf Strukturen, die vollständig eingeschaltet sind, benötigt, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erreichen. Beispielsweise wird ein Backoff von –7 dB bei einer Leistung von 2 V für den Backoff-Modus 1404 erzielt, während ein Backoff von –7 dB bei einer niedrigeren Leistung von ca. 1,6 V für einen Leistungsverstärker erzielt wird, der bei maximaler Ausgangsleistung 1402 betrieben wird. Da die Effizienz eines DC-DC-Transformators zusammen mit der erzeugten Spannung fällt, wird die Gesamteffizienz des Leistungsverstärkers unter Verwendung eines Backoff-Betriebsmodus verbessert.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf ein oder mehr Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den veranschaulichten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Sinn und Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Obwohl beispielsweise Matrizen von Leistungsverstärkern oftmals als 2×2 oder 3×3 Transitormatrizen beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, dass die hierin offenbarten Konzepte auf jede Größe einer Transitormatrix angewandt werden können. Des Weiteren können die offenbarten Leistungsverstärker auf eine oder mehr Stufen eines mehrstufigen Leistungsverstärkers bei zusätzlichen Ausführungsformen angewandt werden.
Des Weiteren schränken die Betriebsklassen eines Leistungsverstärkers eine hier dargestellte erfindungsgemäße Anwendung nicht ein. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, dass jede Betriebsklasse (z. B. A, AB, etc.) eine Verstärkungsstufe gemäß der hier beschriebenen Hardware umsetzen kann. Außerdem ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass die hierin dargestellte Idee als eine Matrix von n-mos Transistoren, p-mos Transistoren oder einer Kombination daraus umgesetzt werden kann, obwohl die Figuren n-mos Transistoren umfassende Leistungsverstärker veranschaulichen.
Insbesondere bei den verschiedenen Funktionen, die durch die vorstehend beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Aufbauten, Geräte, Schaltungen, Systeme etc.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „bedeutet”), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, jeder Komponente oder Struktur, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die z. B. funktionell äquivalent ist) zu entsprechen (es sei denn, dass es anderweitig angezeigt ist), wenn sie auch nicht strukturell zur offenbarten Struktur, welche die Funktion in den hierin veranschaulichten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt, äquivalent ist. Obwohl zusätzlich ein bestimmtes erfindungsgemäßes Merkmal vielleicht lediglich in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann solch ein Merkmal mit ein oder mehr anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für jegliche vorgegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht oder vorteilhaft sein kann. Des Weiteren sind die Begriffe „einschließlich”, „beinhaltet” „aufweisen”, „mit” oder Varianten davon, soweit sie entweder in der ausführlichen Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, dazu beabsichtigt, ähnlich dem Begriff „umfassend” einschließend zu sein.

Claims

Leistungsverstärkerschaltung, umfassend: eine Vielzahl verstärkender Elemente, die in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration angeordnet sind, die Zeilen und parallele Spalten enthält, die mit einem gemeinsamen Ausgangspfad gekoppelt sind, wobei jeweilige parallele Spalten zwei oder mehr der Vielzahl verstärkender Elemente umfassen, die in Reihe geschaltet sind, wobei die verstärkenden Elemente jeweils einen Steueranschluss umfassen, der konfiguriert ist, um ein unabhängiges Steuersignal zu empfangen, das es verstärkenden Elementen ermöglicht, unabhängig betrieben zu werden, sodass bei einem Backoff-Betriebsmodus mit verringerter Leistung eine Untermenge der Vielzahl verstärkender Elemente aktiviert werden kann, um als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden verstärkenden Elemente als Nicht-Verstärker arbeiten, die in Wesentlichen keine Energie verbrauchen.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Untermenge der Vielzahl verstärkender Elemente einen Bruchteil der verstärkenden Elemente in zumindest einer der parallelen Spalten und einen Bruchteil verstärkender Elemente in zumindest einer der Zeilen umfasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Speisespannungsquelle, die mit dem gemeinsamen Ausgangspfad gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine variable Speisespannung an Ausgangsanschlüsse der letzten verstärkenden Elemente in der Reihenschaltung bereitzustellen.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 3, weiter umfassend: einen Bias-Controller, der konfiguriert ist, um selektiv unabhängige Steuersignale an Steueranschlüsse der Vielzahl verstärkender Elemente bereitzustellen, wobei die unabhängigen Steuersignale jeweilige verstärkende Elemente veranlassen, als ein Verstärker, ein offener Schalter oder ein geschlossener Schalter zu arbeiten.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 4, wobei der Bias-Controller konfiguriert ist, um die Anzahl verstärkender Elemente, die als Verstärker arbeiten, basierend auf einem Wert der variablen Speisespannung einzustellen, sodass Änderungen der Speisespannung im Verhältnis zu Änderungen einer Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers und eines Ausgangsstroms des Leistungsverstärkers stehen.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Steueranschlüsse erster verstärkender Elemente in der Reihenschaltung der parallelen Spalten konfiguriert sind, um getrennte RF-Eingangssignale zu empfangen, die gemäß unterschiedlicher Verstärkungspfade des Leistungsverstärkers verstärkt werden.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine elektrische Verbindung zwischen verstärkenden Elementen in der Reihenschaltung benachbarter paralleler Spalten.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Spalten umfasst: einen ersten Transistor mit einem Gate-Anschluss, der konfiguriert ist, um ein erstes Funkfrequenzeingangssignal zu empfangen und der in Parallelschaltung mit einem zweiten Transistor verbunden ist, der einen Gate-Anschluss aufweist, der konfiguriert ist, um ein zweites Funkfrequenzeingangssignal zu empfangen; und einen dritten Transistor mit einer Source, die mit Drains der ersten und zweiten Transistoren gekoppelt ist; wobei die ersten und zweiten Transistoren Gate-Breiten aufweisen, die die Hälfte einer Gate-Breite des dritten Transistors betragen.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Abstimmkondensator, der mit einem Gate-Anschluss des dritten Transistors verbunden ist und konfiguriert ist, um die Ausgangsimpedanz einzustellen, die von dem ersten oder zweiten Transistor gezeigt wird, wenn er während des Backoff-Betriebsmodus mit verringerter Leistung als Verstärker arbeitet.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei eine parallele Spalte umfasst: eine erste Kaskade, die konfiguriert ist, um ein erstes Funkfrequenzeingangssignal zu empfangen und in Parallelschaltung mit einer zweiten Kaskade verbunden ist, die konfiguriert ist, um ein zweites Funkfrequenzeingangssignal zu empfangen, wobei die ersten und zweiten Kaskaden übereinander angeordnete Transistoren umfassen; und eine dritte Kaskade mit einer Source, die mit Drains der ersten und zweiten Kaskade gekoppelt ist.
Leistungsverstärker, umfassend: eine Vielzahl an Transistorbauelementen, die in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration angeordnet sind, die parallele Spalten mit in Reihe geschalteten Transistorbauelementen umfasst, die mit einem gemeinsamen Ausgangspfad gekoppelt sind, wobei: die Transistorbauelemente jeweils einen Gate-Anschluss umfassen, der konfiguriert ist, um eine unabhängige Gate-Vorspannung zu empfangen, die den Stromfluss zwischen einer Source und einem Drain des Transistors steuert; die Gate-Anschlüsse erster in Reihe geschalteter Transistoren der parallelen Spalten sind konfiguriert, um weiter getrennte RF-Eingangssignale zu empfangen; eine Speisespannungsquelle, die mit dem gemeinsamen Ausgangspfad gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine variable Speisespannung an Drain-Anschlüsse der letzten Transistorbauelemente in der Reihenschaltung bereitzustellen; und einen Bias-Controller, der konfiguriert ist, um selektiv die unabhängigen Gate-Vorspannungen an Gate-Anschlüsse der Vielzahl an Transistorbauelementen bereitzustellen, wobei die unabhängigen Gate-Vorspannungen jeweilige Transistorbauelemente veranlassen, als ein Verstärker, ein offener Schalter oder ein geschlossener Schalter zu arbeiten, wobei bei einem Backoff-Betriebsmodus mit verringerter Leistung eine Untermenge der Vielzahl an Transistorbauelementen aktiviert ist, um als Verstärker zu arbeiten, während verbleibende Transistorbauelemente als Nicht-Verstärker arbeiten, die im Wesentlichen keine Energie verbrauchen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 11, wobei die Untermenge einen Bruchteil der Transistorbauelemente in zumindest einer der parallelen Spalten und einen Bruchteil der Transistorbauelemente in zumindest einer der Zeilen der seriell-parallelen Matrix umfasst.
Leistungsverstärker nach Anspruch 11, weiter umfassend: eine elektrische Verbindung zwischen Transistorbauelementen in der Reihenschaltung benachbarter paralleler Spalten.
Leistungsverstärker nach Anspruch 11, wobei die getrennten RF-Eingangssignale gemäß unterschiedlicher Verstärkungspfade des Leistungsverstärkers verstärkt werden.
Verfahren zum Betrieb eines Leistungsverstärkers, umfassend: eine Vielzahl verstärkender Elemente, die in einer seriell-parallelen Matrixkonfiguration verbunden sind, die parallele Spalten verstärkender Elemente umfasst, die in Reihe geschaltet sind, eine variable Speisespannung den letzten verstärkenden Elementen, die in Reihe geschaltet sind, bereitzustellen; und unabhängige Steuersignale Steueranschlüssen getrennter verstärkender Elemente bereitzustellen, sodass eine Untermenge der Vielzahl verstärkender Elemente aktiviert werden kann, um als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden verstärkenden Elemente als Nicht-Verstärker arbeiten, die in Wesentlichen keine Energie verbrauchen.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend: getrennte Eingangssignale dem Steueranschluss des letzten verstärkenden Elements der parallelen Spalten bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Steuersignale jeweilige verstärkende Elemente als einen Kurzschluss, einen Verstärker oder einen offenen Schalter betreiben.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei einer maximalen Ausgangsleistung die Vielzahl verstärkender Elemente konfiguriert ist, um als Verstärker zu arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei einem Backoff-Betriebsmodus eine Untermenge der Vielzahl verstärkender Elemente konfiguriert ist, um als Verstärker zu arbeiten, während die verbleibenden der Vielzahl verstärkender Elemente konfiguriert sind, um als ein Kurzschluss oder als ein offener Schalter zu arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Untermenge einen Bruchteil der verstärkenden Elemente in zumindest einer der parallelen Spalten und einen Bruchteil verstärkender Elemente in zumindest einer der Zeilen der seriell-parallelen Matrix umfasst.