JP6741370B2 - 集積回路における信号の電力増幅のためのシステム、方法、及びデバイス - Google Patents

Description

本願は、概して、電気信号及び電子信号の増幅に関し、更に具体的には、信号の電力増幅のためのシステム、方法、及びデバイスに関連する。

信号の電力は、しばしば、集積回路の仕様に合うように増幅される。例えば、ワイヤレス通信システムにおいて、集積回路が、伝送範囲を増大させるため無線周波数（ＲＦ）信号の電力を増幅するように実装される。概して、より大きな電力利得をサポートするために、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）など、大きなサイズのトランジスタ／デバイスが製造される。一つの手法において、トランジスタのサイズを低減するために、より小さな利得の複数の電力増幅器が実装される。複数の電力増幅器の出力はその後、信号の所望電力レベルを達成するために組み合わされる。

記載される例において、電力増幅器のセットが、電力伝送のために信号を増幅する。電力増幅器のセットからの信号電力は一次巻線のセットに結合され、一次巻線上の電力が二次巻線において付加されるように、一次巻線のセットは共通に二次巻線に結合される。一次巻線側の電流経路が、その一次巻線に結合される電力増幅器が「オフ」状態にあるとき二次巻線を流れる電流によって少なくとも一つの一次巻線上で誘導される電流の流れのために提供される。その結果、誘導された電流が、「オン」状態にある電力増幅器に流れることが防止される。更に、この電流経路は、電力増幅器を互いから隔離し、これにより、電力増幅器が定格効率で動作し得る。一実施例において、電流経路はレジスタ（抵抗）ネットワークを用いて提供される。

例示の実施例の種々の態様が有効である、例示の環境のブロック図である。

例示の従来のトランスミッタデバイスのブロック図である。

例示の一実施例における電力増幅器の実装を示す、例示の集積回路のブロック図である。

例示の一実施例における例示の電力コンバイナの概略図である。

例示のコンバイナを示す集積回路のレイアウト部である。

一実施例における、電力増幅器が互いから隔離される方式のブロック図である。

一実施例において、電力増幅器に対する隔離を提供する一次巻線側で逆方向電流経路が導入され得る方式の例示の回路図である。

一実施例において、一次巻線における逆方向電流経路を提供するためにコンバイナ４００に接続され得る例示のレジスタネットワークである。

一実施例における例示のコンバイナである。

図１は、例示の実施例の種々の態様が有効である例示の環境を示す。図１は、送信デバイス１１０、通信ネットワーク１２０、及び受信デバイス１３０を示し、これらはこれ以降で更に詳細に説明する。

送信デバイス１１０は、信号（無線周波数信号など）を送信するように構成される電子デバイス／集積回路（ＩＣ）である。送信デバイス１１０は、例えば、周波数乗算器、データエンコーダ、電力増幅器、フィルタ、整合ネットワーク、及び送信アンテナを含む。オペレーションの周波数、変調タイプ、電力増幅器の利得、及びインピーダンスマッチングなどの種々のパラメータが、所望の伝送規格に合致／準拠するように、送信デバイス１１０において調節される。

通信ネットワーク１２０は、送信デバイス１１０と受信デバイス１３０との間の通信を可能にする。通信ネットワークは、無線周波数チャネル（ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＧＳＭ、ＣＤＭＡなど）及び物理的チャネル（ケーブル、光ケーブルなど）を含み得る。

受信デバイス１３０は、通信ネットワーク１２０から信号を受信するように構成される電子デバイス／ＩＣである。レシーバデバイス１３０は、トランスミッタデバイス１１０により送信された信号を受信及び抽出するためにトランスミッタデバイス１１０に関連して動作するように構成され得る。従って、レシーバデバイス１３０は、アンテナ、チューナー、ミキサ、デコーダ、無線周波数（ＲＦ）レシーバ、検出器、及び一つ又は複数の同調無線周波数増幅器を含み得る。受信デバイス１３０は、通信ネットワーク１２０からアンテナにより受信される他の信号から所望の信号（或る周波数範囲を占める）を分離するために電子的フィルタを用い得る。受信デバイス１３０は、更なる処理のため受信信号の電力を増大させるために電力増幅器を用い得る。電力増幅器及び他の信号処理要素が従来のデバイスにおいて実装される方式を下記で説明する。

図２は、例示の従来のトランスミッタデバイスのブロック図である。図示するように、トランスミッタ／送信デバイス２０１は、信号プロセッサ２３０及び電力増幅器２４０を含む。

信号プロセッサ２３０は、対応する製造技術を用いて小型のデバイス（トランジスタ、ダイオード、キャパシタ）で実装されるＩＣである。信号プロセッサ２３０は、低電力（信号レベル）で信号を処理するように構成され、コンプレッサ、伸張器、リミッタ、エンコーダ、及び変調器アップコンバータを含み得る。処理された信号は電力増幅器２４０に提供される。

電力増幅器２４０は、信号プロセッサ２３０から受信した信号の電力を増幅するように構成されるＩＣである。電力増幅器２４０は、大電力／電流を扱うことが可能な大きなサイズのデバイス（トランジスタなど）で構成される。例えば、電力増幅器２４０におけるトランジスタは、信号プロセッサ２３０におけるトランジスタに比べて大きなチャネル幅を有して実装され得る。そのため、従来のトランスミッタ２０１は、異なる製造手法を用いて製造される２つのＩＣで実装される。従って、従来のトランスミッタは、複数のＩＣ／製造手法を使うためコスト効率がよくない。また、電力増幅器の利得は、従来の電力増幅器において実質的に変更されない可能性がある。

従来のトランスミッタにおける欠点の少なくとも幾つかを克服する、電力増幅器が小型のデバイスを用いて実装され得る方式を下記で説明する。

図３は、例示の一実施例における電力増幅器の実装を示す例示の集積回路のブロック図である。図示するように、集積回路３００が、信号プロセッサ３１０、電力増幅器ユニット３３０、及びアンテナ３７０を含む。各ブロックを下記で更に詳細に説明する。

信号プロセッサ３１０は、低電力（信号レベル）で信号を処理するように構成され、コンプレッサ、伸張器、リミッタ、エンコーダ、及び変調器アップコンバータを含み得る。処理された信号は、経路３１３で電力増幅器ユニット３３０に提供される。アンテナ３７０は電力を電磁放射に変換する。一実施例において、アンテナ３７０は、集積回路３００の一部として実装される。代替として、アンテナ３７０は、電力コンバイナ３６０に接続される負荷を表し得る。

電力増幅器ユニット３３０は、経路３１３上の信号の電力を所望の利得係数（利得）により増幅する。増幅された信号はアンテナ３７０に提供される。図３に示すように、電力増幅器ユニット３３０は、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄ、及び電力コンバイナ３６０を含む。各電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄは、電力を総所望増幅（利得）の一部（fraction）により増幅するように構成される。そのため、各電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄは、経路３６７上の全出力電力又は電流の一部を扱うように構成される。一実施例において、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）として実装される。各電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄは必要とされる総電力の一部のみを扱うので、増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄは小さなサイズのデバイスを用いて実装される。従って、信号処理ユニット３１０及び増幅器ユニット３３０は、一つのＩＣにおいて同じ製造技術を用いて単一基板上で実装される。

電力コンバイナ３６０は、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄの出力電力を組み合わせ、それにより、所望電力を有する信号をアンテナ３７０に搬送する。コンバイナが集積回路３００上に実装され得る方式をこれ以降に更に詳細に述べる。

図４は、例示の一実施例における例示の電力コンバイナの概略図である。図示するように、コンバイナ４００は、一次巻線４１０、４２０、４３０、及び４４０、及び二次巻線４９０を含む。一次巻線４１０、４２０、４３０、及び４４０、及び二次巻線４９０は、一次巻線４１０、４２０、４３０、及び４４０におけるエネルギー（電流）を二次巻線４９０に伝送するために（例えばトランスフォーマの一例において）誘導的／電磁的に結合される。これらの巻線は、各一次巻線４１０、４２０、４３０、及び４４０から伝送されるエネルギー（電流）が二次巻線４９０において付加されるように配される。一実施例において、各電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄの出力が、一次巻線４１０〜４４０にそれぞれ結合される。そのため、各一次巻線上の電流（電力）は、対応する電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄの出力電力に比例する。従って、二次巻線４９０上の電力は、各一次巻線４１０〜４４０から二次巻線４９０に伝送される電力の合計（又は累積加算）であり、それにより、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄにおいて一層大きなサイズのトランジスタを用いることなく、必要とされる電力が得られる。

図５は、例示のコンバイナを示す集積回路のレイアウト部である。図示するように、正方形のトラック５１０、５２０、５３０、及び５４０は、金属層のうちの一つの金属層上（金属層６上など）にエッチングされた導電性トラックである。正方形トラック５１０、５２０、５３０、及び５４０は、一次巻線４１０、４２０、４３０、及び４４０を表す。各正方形トラック５１０、５２０、５３０、及び５４０は、電力増幅器出力を受け取るように構成される開口（「＋」及び「−」で記される）を有する。正方形トラック５９０は、正方形トラック５１０、５２０、５３０、及び５４０によって形成される周辺部上にエッチングされた導電性トラックである。正方形トラック５９０は二次巻線４９０を表す。正方形トラック５９０は、ＩＣＴの再配線層（ＲＤＬ）上にエッチングされ得る。正方形トラック５９０は、一実施例において、ＲＦアンテナとして動作し得、信号を放射し得る。一次及び二次正方形トラックは、互いに誘導的／磁気的に結合され、電流が一次正方形トラック５１０、５２０、５３０、及び５４０を流れるとき、エネルギーを搬送する。例えば、各一次巻線は、それぞれの電力増幅器により注入される電流に等しい、二次巻線５９０における電流を誘導する。一次正方形トラック５１０〜５４０及び二次正方形トラック５９０の長さは、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄのインピーダンスレベルに整合するように調節され得る。二次巻線５９０は、アンテナとして作用し得、一実施例において５０オームインピーダンスに整合され得る。

一実施例において、二次巻線４９０に伝送される総エネルギーは、所望の数の電力増幅器をオフにすること（又はオンにすること）によって制御され得る。例えば、電力増幅器ユニット３３０が、全ての電力増幅器がオンにされるとき電力Ｐを提供するように構成される場合、アンテナに（又はユニット３３０の出力電力として）搬送される電力は、電力増幅器ユニット３３０における電力増幅器の数の半分をオフにする（又は一次巻線から電力増幅器を切断する）ことにより０．５×Ｐ低減され得る（特定の例において、２つの電力増幅器がオフにされ得る）。

しかし、電力増幅器の幾つかを「オフ」状態にすることは、「オン」状態にある電力増幅器に負荷をかけ得る。「オン」状態にある電力増幅器のこのような負荷は、それぞれの「オン」状態電力増幅器により一次に搬送されることが意図される電力に影響を与え得る。或いは、「オン」状態電力増幅器が、はるかに低い効率で動作し得、それにより、他の方式で達成し得るピーク電力よりもずっと小さな電力を搬送し得る。例えば、各電力増幅器が総電力（Ｐ）の４分の１（１／４）を搬送するように構成される場合、電力増幅器の一つがオフにされると、各増幅器は、負荷に起因して、意図されるＰの４分の１（１／４）より小さな電力を搬送し得る。また、「オン」状態にある各電力増幅器により搬送される電力は、オフにされる電力増幅器の一次巻線上の所望とされない高ＥＭＦ（電磁場）を誘導し得、それにより、電力増幅器を互いから隔離しない。従って、一実施例において、コンバイナは、一次における電力増幅器の互いからの隔離を提供するように構成され、それにより、電力増幅器の幾つかがオフにされるか又は切断される場合に、実質的に意図される電力を対応する一次に搬送する。

図６は、一実施例において、電力増幅器が互いから隔離される方式のブロック図である。ブロック６１０において、電力コンバイナ３６０は、電力増幅器のセットからの電力を、一次巻線の対応するセットに結合する。電力コンバイナ３６０は、増幅された出力電流又は電圧の形式の電力を、電力増幅器３４０Ａ〜３４０Ｄから受信し得る。

ブロック６２０において、一次巻線上の電力が二次巻線において付加されるように、電力コンバイナ３６０は一次巻線のセット上の電力を二次巻線に結合する。コンバイナ３６０は適切な巻線比を用い得る。一実施例において、各一次巻線上の実質的に同じ電力が二次に搬送されるように、この比は１：１で維持される。例えば、一次巻線４１０〜４４０の各々を介して流れる電流は、二次巻線４９０において同じ電流を誘導する。誘導された電流は、二次巻線４９０において付加され、二次巻線４９０の出力端子で所望の高出力電力を生成する。

ブロック６３０において、電力コンバイナ３６０は、二次巻線（４１０〜４４０など）を流れる電流により少なくとも一つの一次巻線上で誘導された電流の流れのために一次巻線側のセット上の電流経路を提供する。例えば、対応する電力増幅器が「オフ」状態にあるとき、電流が一次において誘導される。一実施例において、（逆方向の）電流経路が、一次巻線に接続される電力増幅器への誘導された逆方向電流のフローを低減する。代替として、オフである電力増幅器に実質的にゼロ電流が流れるようにされる。同様に、「オン」状態にある電力増幅器に（逆方向の）電流が流れない。その結果、電力増幅器は互いから隔離される。代替の電流経路が提供され得る方式をこれ以降に更に詳細に説明する。

図７は、一実施例において、電力増幅器への隔離を提供する一次巻線側で（逆方向の）電流経路が導入され得る方式の例示の回路図である。この回路図は、２つの一次巻線７１０及び７２０、及び二次巻線７３０を含む。隔離レジスタ７４０が、それぞれ、一次巻線７１０及び７２０の端子７１１及び７２１間に接続される。同様に、隔離レジスタ７５０が、それぞれ、一次巻線７１０及び７２０の端子７１２及び７２２間において接続される。一実施例において、端子７１２及び７２２（正の端子）は、２つの電力増幅器から電流を受け取るように構成される。端子７１１及び７１２（負の端子）は、それぞれの電力増幅器への電流リターン経路を提供するように構成される。

一実施例において、一次巻線７２０に接続される電力増幅器がオフになる。従って、図７に示すように、端子７１２で受け取られた電流７８０が一次巻線７１０を介して流れる。一次巻線７１０を介して流れる電流は、二次巻線７３０において電流７７０を誘導する。二次巻線７３０における電流７７０は、一次巻線７２０の電圧又はＥＭＦ（電磁場）を誘導する。

一実施例において、図７に示すように、レジスタ７４０及び７５０は、電流７９０をレジスタ７４０及び７５０を介して流す経路を提供し、それにより、電力増幅器に接続される経路７１１、７１２、７２１及び７２２上の電流に影響を与えず、それにより、電力増幅器への隔離を提供する。

レジスタ７４０及び７５０がない場合、一次巻線７１０に接続された電力増幅器は増大された負荷を受け得、その結果、電力増幅器の起こり得るオペレーションの効率が低減される。

一次巻線の数が２つ以上であるときレジスタネットワークを用いて代替の逆方向電流経路が提供され得る方式をこれ以降に更に述べる。

図８Ａは、一実施例において、一次巻線における逆方向電流経路を提供するためにコンバイナ４００に接続され得る例示のレジスタネットワークである。図８Ａは、レジスタネットワーク８１０（レジスタ８１１〜８１４を含む）及びレジスタネットワーク８２０（レジスタ８２１〜８２４を含む）を含む。レジスタネットワーク８１０において、各レジスタ８１１〜８１４の一つの端部が、共通端子８０１に接続される。レジスタネットワーク８２０において、各レジスタ８２１〜８２４の一つの端部が、共通端子８０２に接続される。レジスタ８１１〜８１４の他方の端部（＋で記される）が、一次巻線の対応するそれぞれの正の端子に接続される。同様に、レジスタ８２１〜８２４の他方の端部（−で記される）が、一次巻線の対応するそれぞれの負の端子に接続される。レジスタネットワーク８０１及び８０２の例示の接続を図８Ｂに更に示す。

図８Ｂは、一実施例における例示のコンバイナである。図示するように、このコンバイナは、二次巻線７８０に結合される一次巻線８４０、８５０、８６０、及び８７０を含む。一次巻線８４０、８５０、８６０、及び８７０は、電力増幅器（３４０Ａ〜３４０Ｄなど）出力の対応するそれぞれに接続するように構成され、それにより、二次８８０において電力を組み合わせる。

レジスタ８１１〜８１４を含むレジスタネットワーク８０１は、各一次巻線の＋端子に接続される。同様に、レジスタ８２１〜８２４を含むレジスタネットワーク８０２は、各一次巻線の−端子に接続される。その結果、一次上の電流（二次から誘導される）のフローのために代替の経路が提供される。従って、対応する一次巻線に接続される電力増幅器に流れる、二次巻線から一次巻線上で誘導される電流が実質的にない。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。

Claims (15)

1. 集積回路であって、
   第１の電力増幅器と、
   第２の電力増幅器と、
   前記第１の電力増幅器から単独に第１の電力を直接に受け取るように構成される第１の１次巻線と、
   前記第２の電力増幅器から単独に第２の電力を直接に受け取るように構成される第２の１次巻線と、
   ２次巻線であって、前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線とから伝送される前記電力が前記２次巻線上で付加されるように、前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線との両方に共通に電磁気的に結合される、前記２次巻線と、
   前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線とを含むループとしての電流経路であって、前記第１の電力増幅器と前記第２の電力増幅器との１つが「オフ」状態にあるときに前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線との少なくとも一方に誘導される第１の電流の流れを可能にする、前記電流経路と、
   を含み
   前記第１の電流が前記２次巻線を流れる電流により誘導され、前記電流経路が前記第１及び第２の電力増幅器の外にあり、
   前記電流経路が第１のレジスタと第２のレジスタとを含み、前記第１のレジスタが前記第１及び第２の１次巻線の正端子の間に結合され、前記第２のレジスタが前記第１及び第２の１次巻線の負端子の間に結合される、集積回路。
2. 請求項１に記載の集積回路であって、
   前記第１の電力増幅器と前記第２の電力増幅器とが、通信チャネルを介する伝送のため信号を増幅するように構成される、集積回路。
3. 請求項２に記載の集積回路であって、
   前記２次巻線が、前記第１及び第２の１次巻線により結合される前記第１の電力と前記第２の電力との和に実質的に等しい送信電力で前記信号を伝送するように構成される、集積回路。
4. 請求項３に記載の集積回路であって、
   前記第１の電力をゼロに等しくするために前記第１の電力増幅器を前記「オフ」状態にすることによって前記送信電力が低減される、集積回路。
5. 請求項１に記載の集積回路であって、
   前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線とが金属層上にエッチングされ、前記２次巻線が前記集積回路の再配線層上に形成される、集積回路。
6. 請求項５に記載の集積回路であって、
   前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線とが前記２次巻線に誘導的に結合される、集積回路。
7. 方法であって、
   電力増幅器の或るセットからの電力を１次巻線の対応するセットに結合することであって、各１次巻線が前記電力増幅器の対応する１つからだけ直接に電力を受け取るように結合される、前記結合することと、
   前記１次巻線上の電力が２次巻線において付加されるように前記１次巻線のセット上の前記電力を前記２次巻線に電磁気的に結合することと、
   前記１次巻線に結合される電力増幅器が「オフ」状態にあるときに少なくとも１つの１次巻線上に誘導される第１の電流の流れのために前記１次巻線のセットを含むループとしての電流経路を提供することと、
   を含み、
   前記誘導された電流が、前記１次巻線に接続される電力増幅器が前記「オフ」状態にあるときに前記２次巻線を流れる電流によって１次巻線上に誘導され、
   前記電流経路が第１の抵抗性ネットワークと第２の抵抗性ネットワークとを含み、前記第１の抵抗性ネットワークが、第１の共通端子と前記１次巻線のセットの正の端子のセットとの間に接続され、前記第２の抵抗性ネットワークが、第２の共通端子と前記１次巻線のセット上の負の端子のセットとの間に接続される、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記電力増幅器のセットが通信チャネルを介する伝送のため信号を増幅するように構成される、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記２次巻線が、前記１次巻線のセットから受信した電力の和に実質的に等しい送信電力で前記信号を伝送するように構成される、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    電力増幅器の第１のセットにおける「オン」状態と「オフ」状態との電力増幅器の比を変えることによって前記送信電力を変えることを更に含み、前記「オフ」状態電力増幅器がゼロ電力を前記対応する一次巻線に結合する、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    各電力増幅器が前記信号電力を最大送信電力の一部まで増幅するように構成される、方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記１次巻線のセットが金属層上にエッチングされ、前記２次巻線が前記集積回路の再配線層上に形成される、方法。
13. トランスミッタであって、
    通信チャネルを介する伝送のため信号を増幅するように構成される電力増幅器のセットであって、前記電力増幅器のセットにおける各電力増幅器が、「オン」状態において動作されるときに前記信号の前記電力を送信電力の一部まで増幅し、そうでないときにゼロ電力まで増幅するように構成される、前記電力増幅器のセットと、
    １次巻線のセットであって、各１次巻線が前記電力増幅器のセットにおける前記電力増幅器の対応する１つに結合される正及び負の端子を含む、前記１次巻線のセットと、
    ２次巻線であって、各１次巻線で受け取られる電力が前記２次巻線に付加的に搬送されるように、前記１次巻線のセットに電磁気的に結合される、前記２次巻線と、
    前記１次巻線のセットの前記正の端子と第１の共通端子との間に結合される第１の抵抗と、
    前記１次巻線のセットの前記負の端子と第２の共通端子との間に結合される第２の抵抗と、
    を含み、
    前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とが前記電力増幅器のセットの外で電流経路を形成し、
    前記対応する１次巻線に結合される電力増幅器が「オフ」状態にあるときに、少なくとも１つの１次巻線上に誘導される第１の電流が前記電流経路を介して流れる、トランスミッタ。
14. 請求項１３に記載のトランスミッタであって、
    前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とが、第１のレジスタネットワークと第２のレジスタネットワークとをそれぞれ含む、トランスミッタ。
15. 請求項１４に記載のトランスミッタであって、
    前記１次巻線のセットが金属層上に形成され、前記２次巻線が前記集積回路の再配線層上に形成される、トランスミッタ。

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