自由飛d類功率放大器的制造方法
【專利摘要】在放大器中，第一啟動信號(EN[1])被斷言以便啟用第一驅(qū)動器(206-1)，其中第一驅(qū)動器具有第一輸出端(N-1)和第一寄生電容。第二啟動信號(EN[2])被斷言以便啟用第二驅(qū)動器(206-2)，其中第二驅(qū)動器具有第二輸出端(N-2)和第二寄生電容。在第二驅(qū)動器啟用時第一輸出端和第二輸出端通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(208)耦合在一起。來自互補第一射頻(RF)和第二射頻信號的脈沖被施加到第一驅(qū)動器，其中在來自第一RF信號和第二RF信號的連續(xù)脈沖之間具有第一組自由飛間隔，并且來自互補第三RF信號和第四RF信號的脈沖被施加到第二驅(qū)動器，其中在來自第三RF信號和第四RF信號的連續(xù)脈沖之間具有第二組自由飛間隔。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)何時啟動的時序和連續(xù)脈沖之間的自由飛間隔的時序都被選擇以改善放大器的功率效率。
【專利說明】自由飛D類功率放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及D類放大器，并且更具體地涉及自由飛D類功率放大器（PA)。

【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)到圖1，可見能夠幅度調(diào)制的常規(guī)D類PA 100的實例。該PA100 -般包括驅(qū)動 器102-1到102-N(其通常是反相器）、電容器CI1到CIN，以及匹配網(wǎng)絡(luò)104。在操作中， 預(yù)定數(shù)目的電容器（即，電容器CI1到CIn)切換，同時剩余電容器（即，電容器CI(n+l)到 CIN)維持"斷開"。這生成了有效電容CIEFF和有效電源電壓VEFF( S卩，VEFF = VDD*(n/ N))，有效電容CIEFF是切換的電容器的總和（即，CIEFF = CI1+…+CIn)。在圖2中可見具 有反相器106的功能等效電路，該功能等效電路代表驅(qū)動器102-1到102-N并包括有效電 容CIEFF和有效電源電壓VEFF。這允許輸出射頻（RF)信號RF0UT從輸入RF信號RFIN (其 能夠被進行幅度調(diào)制）生成以便被施加到負(fù)載RL。
[0003] 然而，該配置的問題是切換損耗是有效電容CIEFF和頻率的函數(shù)。這些損耗能夠 非常顯著，從而對于許多應(yīng)用是禁止的，并且效率能夠非常低。具體地，PA 100的效率可僅 達(dá)到約54%。因此需要改善的D類放大器。
[0004] 一些其他傳統(tǒng)電路是：Yoo 等人，"A Switched-Capacitor PowerAmplifier for EER/Polar Transmitters，'，IEEE Inti, Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (IEEE國際固態(tài)電路會議技術(shù)論文文摘（ISSCC)) 2011，2011年2月20-24 日，428-430頁；美國專利號6, 882, 829 ;美國專利號7, 509, 102 ;美國專利號7, 733, 187 ;以 及美國專利號7, 831，227。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 實施例提供一種設(shè)備，其包括具有第一輸入端、第一輸出端和第一寄生電容的第 一驅(qū)動器，其中第一輸入端經(jīng)配置以接收互補第一射頻（RF)信號和第二射頻信號，并且其 中在來自第一 RF信號和第二RF信號的連續(xù)脈沖之間具有第一組自由飛間隔；具有第二輸 入端、第二輸出端和第二寄生電容的第二驅(qū)動器，其中第二輸入端經(jīng)配置以接收互補第三 RF信號和第四RF信號，并且其中在來自第三RF信號和第四RF信號的連續(xù)脈沖之間具有第 二組自由飛間隔；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其耦合到第一輸出端和第二輸出端，并且經(jīng)配置以在第二驅(qū)動 器啟用時將第一輸出端和第二輸出端f禹合在一起；f禹合到第一輸出端的第一輸出電容器； 奉禹合到第二輸出端的第二輸出電容器；以及f禹合到第一輸出電容器和第二輸出電容器的匹 配網(wǎng)絡(luò)。
[0006] 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可進一步包括在第一輸出端和第二輸出端之間耦合的開關(guān)。
[0007] 該設(shè)備可進一步包括：第一啟動電路，其耦合到第一驅(qū)動器并接收第一 RF信號和 第二RF信號；第二啟動電路，其耦合到第一驅(qū)動器并接收第三RF信號和第四RF信號；以及 控制器，其耦合到第一啟動電路和第二啟動電路以便提供第一啟動信號和第二啟動信號， 并且經(jīng)耦合以控制開關(guān)。
[0008] 第一驅(qū)動器可進一步包括：PM0S晶體管，其在其柵極耦合到第一啟動電路并在其 漏極耦合到第一輸出電容器；以及NM0S晶體管，其在其柵極耦合到第一啟動電路并在其漏 極奉禹合到第一輸出電容器。
[0009] 第一啟動電路可進一步包括：第一邏輯電路，其耦合到PM0S晶體管的柵極和控制 器；以及第二邏輯電路，其耦合到NM0S晶體管的柵極和控制器。
[0010] 第一邏輯電路和第二邏輯電路可進一步包括與門。
[0011] 在一些實施例中，第一 RF信號和第三RF信號是基本相同的信號，并且其中第二RF 信號和第四RF信號是基本相同的信號。
[0012] 還提供一種方法。該方法包括斷言第一啟動信號以便啟用第一驅(qū)動器，其中第一 驅(qū)動器具有第一輸出端和第一寄生電容；斷言第二啟動信號以便啟用第二驅(qū)動器，其中第 二驅(qū)動器具有第二輸出端和第二寄生電容；在第二驅(qū)動器啟用時將第一輸出端和第二輸出 端奉禹合在一起；將來自互補第一 RF信號和第二RF信號的脈沖施加到第一驅(qū)動器，其中在來 自第一 RF信號和第二RF信號的連續(xù)脈沖之間具有第一組自由飛間隔；以及將來自互補第 三RF信號和第四RF信號的脈沖施加到第二驅(qū)動器，其中在來自第三RF信號和第四RF信 號的連續(xù)脈沖之間具有第二組自由飛間隔。
[0013] 斷言第一啟動信號的步驟可進一步包括：將第一啟動信號提供到第一邏輯電路和 第二邏輯電路；由第一邏輯電路接收第一 RF信號；以及由第二邏輯電路接收第二RF信號。
[0014] 斷言第二啟動信號的步驟可進一步包括：將第二啟動信號提供到第三和第四邏輯 電路；由第三邏輯電路接收第三RF信號；以及由第四邏輯電路接收第四RF信號。
[0015] 第一、第二、第三和第四邏輯電路可進一步包括與門。
[0016] 在一些實施例中，設(shè)備包括控制器，其經(jīng)配置以通過從多個啟動信號斷言一組啟 動號來選擇輸出功率級；多個啟動電路，其中每個啟動電路f禹合到控制器以便接收啟動 信號中的至少一個，并且其中每個啟動電路經(jīng)配置以接收互補第一 RF信號和第二RF信號， 并且其中對于每組在來自第一 RF信號和第二RF信號的連續(xù)脈沖之間具有自由飛間隔；多 個驅(qū)動器，其中每個驅(qū)動器具有輸入端、輸出端和寄生電容，其中每個驅(qū)動器的輸入端耦合 至IJ啟動電路中的至少一個；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其耦合到每個驅(qū)動器的輸出端并且耦合到控制器，其 中至少部分基于經(jīng)斷言以選擇輸出功率級的該組啟動信號將驅(qū)動器的輸出端耦合在一起； 多個輸出電容器，其中每個輸出電容器耦合到驅(qū)動器中的至少一個的輸出端；以及匹配網(wǎng) 絡(luò)，其耦合到每個輸出電容器。
[0017] 多個驅(qū)動器可按順序布置，并且其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進一步包括多個開關(guān)，其中每個開 關(guān)在按順序的連續(xù)驅(qū)動器的輸出端之間耦合。
[0018] 每個啟動電路可進一步包括：第一邏輯電路，其耦合到控制器以便接收啟動信號 中的至少一個并且接收第一 RF信號；以及第二邏輯電路，其耦合到控制器以便接收啟動信 號中的至少一個并且接收第二RF信號。
[0019] 每個驅(qū)動器可進一步包括：PM0S晶體管，其在其柵極耦合到其相應(yīng)啟動電路的第 一邏輯電路并在其漏極耦合到其相應(yīng)輸出電容器；以及NM0S晶體管，其在其柵極耦合到其 相應(yīng)啟動電路的第二邏輯門并在其漏極耦合到其相應(yīng)輸出電容器。
[0020] 第一邏輯電路和第二邏輯電路可進一步包括與門。
[0021] 每個開關(guān)可進一步包括傳輸門。
[0022] 每個開關(guān)可進一步包括微機電系統(tǒng)（MEMS)開關(guān)、繼電器或CMOS開關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是能夠幅度調(diào)制的常規(guī)D類PA的實例的示意圖；
[0024] 圖2是圖1的PA的功能等效電路的示意圖；
[0025] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的PA的實例的示意圖；
[0026] 圖4是用于圖3的PA的啟動電路和驅(qū)動器的實例的不意圖；
[0027] 圖5是圖3的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的實例的示意圖；
[0028] 圖6是圖3的PA的功能等效電路的實例的示意圖；
[0029] 圖7-10是為圖3的PA的實例示出漏極效率的示意圖；以及
[0030] 圖11是為圖1和3的PA的實例比較效率的示意圖。

【具體實施方式】
[0031] 轉(zhuǎn)到圖3-5,可見根據(jù)一個實施例的D類PA 200的實例。如圖所示，PA 200 -般 由啟動電路202-1到202-R、控制器204、驅(qū)動器206-1到206-R、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)208、輸出電容 器C0-1到C0-N(其能夠例如每個都具有近似相同的電容），以及匹配網(wǎng)絡(luò)104構(gòu)成。驅(qū)動 器206-1到206-R -般由晶體管Q1和Q2 (其通常分別是PM0S和NM0S晶體管）構(gòu)成，其分 別具有寄生電容CP1和CP2,并且其分別經(jīng)由啟動電路202-1到202-R的邏輯電路302和 304(8卩，與門或其他功能等效邏輯電路）接收RF輸入信號RFINU和RFIND。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)或橋 接開關(guān)208 -般包括開關(guān)S-2到S-R(其能夠例如是傳輸門并示作傳輸門），其每個都在驅(qū) 動器206-1到206-R的連續(xù)或相鄰輸出端之間耦合，并由來自控制器204的信號CNTL[2 :R] 控制。而且，匹配網(wǎng)絡(luò)104可包括電感器、電容器和電阻器。微機電系統(tǒng)（MEMS)開關(guān)、繼電 器或其他CMOS開關(guān)也可用作開關(guān)S-2到S-R。
[0032] 在操作中，RF輸出信號RF0UT被生成并施加到負(fù)載RL。通常，PA 200具有若干 輸出功率級，該輸出功率級由控制器通過用啟動信號EN[1 :R]激活和停用驅(qū)動器202-1 到202-R來選擇。每個啟動電路202-1到202-R通常在其輸入端接收輸入RF信號RFINU 和RFIND，并且基于期望的輸出級，激活相應(yīng)數(shù)目的啟動電路202-1到202-R，允許RF信號 RFINU和RFIND傳遞到相應(yīng)驅(qū)動器206-1到206-R。這些信號RFINU和RFIND -般是能夠 激活驅(qū)動器206-1到206-R內(nèi)的晶體管Q1和Q2的互補脈寬調(diào)制（PWM)輸入信號，但對于 PA 200,這些信號不彼此"相鄰"，意味著這些信號從時序角度真正互補。在信號RFINU和 RFIND的連續(xù)脈沖之間具有自由飛或停滯時間間隔，意味著在晶體管Q1和Q2的連續(xù)激活之 間具有間隔。因為由于其晶體管Q1或Q2 "導(dǎo)通"引起寄生電容CP1和CP2中的一個被充 電，所以寄生電容器CP 1或CP2在該自由飛間隔期間在其放電時產(chǎn)生失真，這具有減小間隔 的效果。這由其自身導(dǎo)致改善低效。
[0033] 為了更優(yōu)改善效率超過僅使用自由飛間隔，能夠調(diào)諧PA 200的寄生電容。通常， 這能夠通過根據(jù)期望功率級激活開關(guān)S-2到S-R完成。例如，對于功率級2,啟動信號EN[1] 和ΕΝ [2]被斷言以便激活啟動電路202-1和202-2,并且控制信號CNTL [2]經(jīng)斷言以激活或 閉合開關(guān)S-2。作為另一實例，對于功率級4,啟動信號EN[1]和EN[4]將被斷言以便激活 啟動電路202-1和202-4,并且控制信號CNTL[2]到CNTL[4]將經(jīng)斷言以激活或閉合開關(guān) S-2、S-3和S-4。在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)208中的這些開關(guān)S-2到S-R根據(jù)期望功率級被激活時，寄生 電容增大，允許期望的（即，理論上最優(yōu)的）電壓出現(xiàn)。因此，這提供漏極效率的顯著改善， 尤其在低于最大值或上限的功率輸出級。
[0034] 作為實例，在圖6中具有PA 200的功能等效電路的實例。對于該電路，晶體管Q3 和Q4代表驅(qū)動器206-1到206-n，其已對應(yīng)于期望功率級（表示為"η"）被激活或啟用。 如圖所示，電容器C0-1到CO-η彼此并聯(lián)耦合，提供總輸出電容N*C0。另外，因為驅(qū)動器 206-(n+l)到206-R停用，因此電容器C〇-(n+l)到C0-R耦合在匹配網(wǎng)絡(luò)104和大地之間。 功率級η的總寄生電容也是n2*CP(如通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)208提供）以便提供適當(dāng)?shù)腞F匹配。
[0035] 為說明效率改善，能夠假設(shè)（作為例子）PA 200采用四個驅(qū)動器（即，206-1到 206-4)、四個啟動電路（即，202-1到202-4)和三個開關(guān)（即，S-2到S-4)以便具有四個輸 出級。在該例子中，對于最低輸出級（即功率級1)，激活啟動電路202-1以便提供約8mW的 輸出功率。用于功率級1的驅(qū)動器206-1的漏極電壓在圖7中可見具有約50%的漏極效 率。對于功率級2 (其中激活啟動電路202-1和202-2與開關(guān)S-2)，輸出功率是約35mW并 且漏極效率（其在圖8中可見）是約78%。相似地，對于功率級3和4,漏極效率對于（分 別地）約89mW和約170mW的輸出功率級是約86%和91 % (分別地并且其在圖9和10中 示出）。該效率改善顯著高于比較的4級PA 100,這在圖11中可見。
[0036] 本發(fā)明涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到可在所要求發(fā)明的保護范圍內(nèi)對所描述的 實施例做修改，而且許多其他實施例是可能的。
【權(quán)利要求】
1. 一種設(shè)備，其包括： 第一驅(qū)動器，其具有第一輸入端、第一輸出端和第一寄生電容，其中所述第一輸入端經(jīng) 配置以接收互補的第一射頻信號和第二射頻信號，并且其中在來自所述第一射頻信號和所 述第二射頻信號的連續(xù)脈沖之間具有第一組自由飛間隔； 第二驅(qū)動器，其具有第二輸入端、第二輸出端和第二寄生電容，其中所述第二輸入端經(jīng) 配置以接收互補的第三射頻信號和第四射頻信號，并且其中在來自所述第三射頻信號和所 述第四射頻信號的連續(xù)脈沖之間具有第二組自由飛間隔； 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其耦合到所述第一輸出端和所述第二輸出端，并且經(jīng)配置以在所述第二驅(qū) 動器啟用時將所述第一輸出端和所述第二輸出端f禹合在一起； 第一輸出電容器，其f禹合到所述第一輸出端； 第二輸出電容器，其耦合到所述第二輸出端；以及 匹配網(wǎng)絡(luò)，其耦合到所述第一輸出電容器和所述第二輸出電容器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進一步包括耦合在所述第一輸出端 和所述第二輸出端之間的開關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括： 第一啟動電路，其耦合到所述第一驅(qū)動器并接收所述第一射頻信號和所述第二射頻信 號； 第二啟動電路，其耦合到所述第一驅(qū)動器并接收所述第三射頻信號和所述第四射頻信 號； 控制器，其耦合到所述第一啟動電路和所述第二啟動電路以便提供第一啟動信號和第 二啟動信號，并且經(jīng)耦合以控制所述開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述第一驅(qū)動器進一步包括： PMOS晶體管，其在其柵極耦合到所述第一啟動電路并在其漏極耦合到所述第一輸出電 容器；以及 NMOS晶體管，其在其柵極耦合到所述第一啟動電路并在其漏極耦合到所述第一輸出電 容器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述第一啟動電路進一步包括： 第一邏輯電路，其耦合到所述PMOS晶體管的所述柵極和所述控制器；以及 第二邏輯電路，其耦合到所述NMOS晶體管的所述柵極和所述控制器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一邏輯電路和所述第二邏輯電路進一步包 括與門。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述第一射頻信號和所述第三射頻信號是基本相 同的信號，并且其中所述第二射頻信號和所述第四射頻信號是基本相同的信號。
8. -種方法，其包括： 斷言第一啟動信號以便啟用第一驅(qū)動器，其中所述第一驅(qū)動器具有第一輸出端和第一 寄生電容； 斷言第二啟動信號以便啟用第二驅(qū)動器，其中所述第二驅(qū)動器具有第二輸出端和第二 寄生電容； 在所述第二驅(qū)動器啟用時將所述第一輸出端和所述第二輸出端耦合在一起，將來自互 補的第一射頻信號和第二射頻信號的脈沖施加到所述第一驅(qū)動器，其中在來自所述第一射 頻信號和所述第二射頻信號的連續(xù)脈沖之間具有第一組自由飛間隔；以及 將來自互補的第三射頻信號和第四射頻信號的脈沖施加到所述第二驅(qū)動器，其中在來 自所述第三射頻信號和所述第四射頻信號的連續(xù)脈沖之間具有第二組自由飛間隔。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中斷言所述第一啟動信號的步驟進一步包括： 將所述第一啟動信號提供到第一邏輯電路和第二邏輯電路； 由所述第一邏輯電路接收所述第一射頻信號；以及 由所述第二邏輯電路接收所述第二射頻信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中斷言所述第二啟動信號的步驟進一步包括： 將所述第二啟動信號提供到第三邏輯電路和第四邏輯電路； 由所述第三邏輯電路接收所述第三射頻信號；以及 由所述第四邏輯電路接收所述第四射頻信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第一、第二、第三和第四邏輯電路進一步包 括與門。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一射頻信號和所述第三射頻信號是基本 相同的信號，并且其中所述第二射頻信號和所述第四射頻信號是基本相同的信號。
【文檔編號】H03F3/217GK104160620SQ201380012786
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月9日
【發(fā)明者】J·戶珥, L·丁, R·赫扎瑞, B·S·哈倫 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司