专利名称：层叠的rf功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率放大器。尤其，本发明涉及层叠的RF功率放大器。
背景技术：
在功率放大器的一些应用中，希望提供固定的外壳(envelope)。例如，诸如GSM/DCS之类的一些蜂窝标准需要固定的外壳。图1示出了E类功率放大器设计的典型现有技术实现，其提供了具有固定外壳的输出。图1示出了功率放大器10，该功率放大器10放大RF输入信号(RFIN)以提供输出信号给天线16。功率放大器10包括连接在输入信号RFIN和开关设备Q1之间的预驱动器电路12，该开关设备Q1实质上作为开关来工作。开关设备Q1与电感器L1、电容器C1、和变换网络14连接。由电池提供电压源VBAT。为了实现高效率，变换网络14、电感器L1和电容器C1被调谐以提供图2中所示的波形(在节点VD)。图2是在节点VD的电压与时间的曲线。在图2中，所示波形的峰值电压将大约为电源电压VBAT的3-4倍。
目前，典型的蜂窝电话电池提供范围为3.0-3.5伏的电压，该电压是基于锂离子电池或3个镍铬电池的电压。在电源电压VBAT为3.5伏时，E类功率放大器的峰值电压(例如，图1中节点VD上的电压)将大约为10.5-14.0伏。对高电压和高截止频率fT的需求意味着使用诸如砷化镓(GaAs)双极性、FET、LDMOS FET或硅锗(SiGe)双极性之类的特殊技术设备来满足这些需求。当试图在CMOS中集成功率放大器时，上述需求引起巨大的问题，这是因为能够以GHz频率运行的CMOS晶体管具有小于5伏的最大峰值电压。
发明内容
根据本发明的一个说明性实施例的RF功率放大器包括在集成电路中制造的两个功率放大器。在这个例子中，功率放大器以层叠布置被连接。每个功率放大器都包括开关设备，该开关设备与另一功率放大器的开关设备电隔离。
本发明的另一说明性实施例提供了一种制造层叠的RF功率放大器的方法。该层叠的RF功率放大器在CMOS集成电路上制造，同时使第一功率放大器的开关设备与第二功率放大器的开关设备电隔离。在一个例子中，使用深N阱隔离开关设备。
从附图和随后的详细描述中，本发明的其他目的、特征和优点将显而易见。
本发明通过例子来说明，并且本发明不限于附图，在附图中相似的参考标记表示类似的元件，其中图1示出了现有技术E类的功率放大器。
图2是图1中节点VD的电压与时间的曲线。
图3是非集成层叠的E类功率放大器的图。
图4是集成层叠的E类RF功率放大器的图。
图5是说明在IC上形成的本发明的两个隔离开关设备的图。
图6是使用图5中所示的开关设备M1和M2构建的集成层叠的功率放大器的图。
图7-10说明了使用本发明的隔离技术的多个功率放大器的例子。
图11-12说明了本发明的另一实施例，其中使用N-原材料构建集成电路。
具体实施例方式
为了提供用于理解这个描述的内容，下面的描述说明了本发明的典型应用的一个例子。使用本发明的隔离技术的功率放大器可以用于任何期望的应用，这些应用包括诸如移动或蜂窝通信设备或其他无线设备之类的无线传输系统。在无线设备中，无线设备包括收发信机、天线双工器和天线。RF功率放大器连接在收发信机和天线双工器之间，用于放大经由天线传输的信号。在无线电话应用的情况下，本发明可以应用于GSM、CDMA、PCS、DCS等或任何其他无线系统。这仅仅是使用本发明的功率放大器的应用的一个例子。本发明也可以用于需要功率放大器的任何其他应用中。
通常，本发明提供用于电隔离在层叠的RF功率放大器中的开关设备的技术，这防止开关设备遭受高的击穿电压。在一个例子中，一个或多个开关设备形成在深N阱中，该深N-阱将开关设备与在该深N阱之外的开关设备隔离。下面是本发明示例的详细描述。
图3是非集成层叠的E类功率放大器的图，该E类功率放大器例如可以用于非常高的功率基站应用。图3示出了功率放大器10，该功率放大器10放大RF输入信号(RF IN)以提供输出信号给天线16。该功率放大器10包括在RF IN和第一变压器T1之间连接的预驱动器电路12，该第一变压器T1还与第二变压器T2连接。每个变压器T1和T2与层叠的功率放大器10的并联放大器之一连接。变压器T2与开关设备Q1和变压器T3连接。变压器T1与开关设备Q2和变压器T4连接。变压器(或平衡-不平衡变压器)被用于输入耦合和输出耦合，因为对于非常高的功率应用来说这个功率放大器的尺寸和成本不是主要关心的问题。这些类型的应用能够利用非常高的电源电压(例如，20-50伏)和多个层叠的并联功率放大器来工作，这将电压量限制到每个单独晶体管所经受的数量。然而，图3所示的技术可能在集成的CMOS功率放大器中不工作，这是因为该集成电路将具有与地连接的公共衬底。下面更加详细地讨论这个问题。
如上所述，如果非集成层叠的E类功率放大器(例如，图3)被集成在CMOS半导体设备中，则在最终功率放大器中的开关设备将具有击穿电压的问题。图4是集成层叠的E类RF功率放大器的图，该功率放大器被用于说明将层叠的功率放大器集成到集成电路所遇到的问题。图4示出了具有两个并联放大器的差分E类功率放大器10，每个放大器具有开关设备M1，M2和电感器L1，L2。为了清楚起见，图4省略了任一预驱动器电路。取决于功率组合和变换网络14如何执行，对功率放大器10的输入可以是同相或异相。差分输出VD1和VD2与功率组合和变换网络14连接，该功率组合和变换网络14与天线16连接。在电池电压(VBAT)为3.5伏的图4中所示的示例中，节点18的电压将大约为VBAT的一半或者为1.75伏。节点VD2的峰值电压将小于5.2伏，这允许图4的电路在CMOS中执行。然而，图4所示的示例的一个问题是节点VD1的峰值电压升高到大约7伏，这将引起开关设备M2的漏极-衬底或栅极-衬底的击穿问题。如图4的连接20所说明的，如果图4的电路被形成在集成电路上，则开关设备M1和M2的晶体管主体被彼此隔离。
如上所述，本发明通过电隔离在层叠的功率放大器中的两个或多个开关设备解决了上面讨论的问题。在CMOS的最新一代和其他技术中，“深N阱”或“三阱”是可得到的。通常，当使用深N阱时，存在三个阱N阱、P阱和深N阱。深N阱被研发以解决RF隔离问题，但是用于本发明以允许层叠的CMOS功率放大器的集成。图5是说明在集成电路(IC)上形成的本发明的两个隔离开关设备的图。在图5中，深N阱26形成在P-衬底24中。P阱28形成在深N阱26中。图5示出了在IC22上形成的两个NMOS开关设备M1和M2。开关设备M1被埋入在P-衬底24中，以便IC22的P-衬底24用作开关设备M1的晶体管主体。开关设备M2被埋入在深N阱26内，该深N阱26将P-衬底24与P阱或P-衬底28隔离。由于开关设备M2被形成在深N阱26中，所以开关设备M2的晶体管主体(P-衬底28)与开关设备M1的晶体管主体(P-衬底26)电隔离。图5还示出了例如与开关设备M2的源极或与VBAT连接的深N阱偏压(NW BIAS)。
注意，还可以使用其他技术来隔离开关设备M1和M2。除了深阱之外，可以通过任何其他衬底隔离技术或电分离开关设备的晶体管主体的任何技术来提供隔离。在另一示例中，可以通过使用利用N-原材料而不是P-原材料制造的半导体形成P阱(下面详细描述)。在另一示例中，使用绝缘体上硅(SOI)技术(使用用于IC的结晶硅和氧化硅的半导体制造技术)提供隔离。而且，还提供另外的隔离。例如，可以使用第二深N阱以便两个开关设备与主衬底隔离。而且，对于具有多个层叠放大器的功率放大器，可以隔离任何期望数目的开关设备。
图6是使用图5所示的开关设备M1和M2构建的集成层叠的E类功率放大器的图。图6示出了类似图4所示的功率放大器的功率放大器，除了如上所述使用深N阱来彼此电隔离开关设备M1和M2之外。由于开关设备M1和M2被隔离，所以没有击穿电压的问题。
图7-图10使用本发明的隔离技术说明了多个功率放大器设计的示例。图7和图8说明了单端功率放大器设计的示例。图9和图10说明差分功率放大器设计的示例。
图7示出了类似图6所示的功率放大器的功率放大器10，而且说明示例性的功率组合和变换网络以及输入网络。图7的功率放大器10包括两个层叠的功率放大器，每个功率放大器具有开关设备M1，M2以及电感器L1，L2。RF输入信号RF IN被提供给预驱动器电路12，该预驱动器电路12具有彼此相位差为180度的两个输出。包括开关设备M3，M4和电感器L3和L4的预放大器耦合在层叠的功率放大器和预驱动器电路12之间。预驱动器电路12的一个输出与开关设备M3的栅极耦合。预驱动器电路12的另一输出经由电容器C4和电阻器R1与开关设备M4的栅极耦合。输出节点VD1和VD2经由功率组合和变换网络14与天线16耦合。功率组合和变换网络14包括电感器L5和L6以及电容器C5和C8。图7还示出了串联电压调整器，该串联电压调整器包括与电压源VBAT耦合的开关设备M5。
图8示出了本发明的单端功率放大器设计的第二示例。图8所示的功率放大器类似于图7所示的功率放大器，具有与输出网络耦合的变压器。在图8中，用变压器T6和T5代替电感器L1和L2。变压器T6和T5的次级侧经由包括电感器L7和电容器C11和C12的变换网络14与天线16耦合。
图9示出了本发明的差分功率放大器的示例。在图9中，第一功率放大器10和第二功率放大器10’被不同地连接，如图所示的。图9的功率放大器10和10’彼此相同，尽管它们由彼此相位差为180度的RF输入信号驱动。每个功率放大器10和10’与图7和图8所示的功率放大器相同，除了输出网络之外。功率放大器10的输出节点VD1和VD2与电感器L8和L9连接。功率放大器10’的输出节点VD1’和VD2’与电容器C15和C16连接。电感器L8和电感器L9以及电容器C15和C16经由电容器C17和C18和电感器L10与天线16耦合。
图10示出了本发明的差分功率放大器设计的第二示例。在图10中，第一功率放大器10和第二功率放大器10’被不同地连接，如图所示的。功率放大器10和10，与图9所示的功率放大器相同，除了输出网络之外。另外，为了清楚起见，在图10中没有示出预驱动器和前置放大器。在图10中，功率放大器10的输出节点VD1和VD2与电容器C22和电感器L11连接。功率放大器10’的输出节点VD1’和VD2’与电感器L12和电容器C21连接。电感器L11和电感器L12以及电容器C21和C22经由电容器C19和C20和电感器L13与天线16耦合。注意，图9-图10所示的功率放大器除了附图所示的示例之外，还使用其他的输出变换网络。
图11-图12说明了本发明的另一实施例，其中使用N-原材料构建集成电路。图11示出了类似于上述放大器的层叠的功率放大器10。功率放大器10具有包括开关设备M1和电感器L1的第一放大器；以及包括开关设备M2和电感器L2的第二放大器。图12是说明在IC30中实现图11的功率放大器的图。使用N-原材料而不是工业标准的P-原材料(例如，图5)构建IC30。在这个示例中，开关设备M1和M2是NMOS晶体管，并且形成在IC30的两个P阱32和34内。N-原材料构建的IC30允许晶体管彼此隔离，这允许构造上述的层叠功率放大器设计。
在前面的详细描述中，参考其特定典型实施例描述本发明。在不偏离权利要求所列出的本发明的较宽精神和范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种RF功率放大器，包括集成电路；在集成电路上形成的第一功率放大器，该第一功率放大器具有第一开关设备；在集成电路上形成的第二功率放大器，该第二功率放大器具有第二开关设备，其中在电压源和地之间以层叠布置的方式连接第一和第二功率放大器；以及其中第一和第二开关设备彼此电隔离。
2.根据权利要求1的RF功率放大器，其中通过隔离第一和第二开关设备的主体来电隔离第一和第二开关设备。
3.根据权利要求2的RF功率放大器，其中通过在深N阱中形成开关设备之一来隔离第一和第二开关设备的主体。
4.根据权利要求3的RF功率放大器，其中偏置电压被施加到深N阱。
5.根据权利要求1的RF功率放大器，其中通过使用N-原材料形成集成电路来隔离第一和第二开关设备。
6.根据权利要求2的RF功率放大器，其中使用绝缘体上硅技术来隔离第一和第二开关设备的主体。
7.根据权利要求1的RF功率放大器，还包括在集成电路上形成的第三功率放大器，该第三功率放大器具有第三开关设备，其中第一、第二和第三开关设备彼此电隔离。
8.根据权利要求1的RF功率放大器，其中使用CMOS技术实现集成电路。
9.一种制造层叠的RF功率放大器的方法，包括提供CMOS集成电路；在CMOS集成电路上形成第一和第二层叠的功率放大器，其中第一和第二层叠的功率放大器的每一个都包括至少一个开关设备；以及电隔离第一功率放大器的开关设备与第二功率放大器的开关设备。
10.根据权利要求9的方法，其中电隔离第一功率放大器的开关设备与第二功率放大器的开关设备的步骤包括隔离第一开关设备的主体与第二开关设备的主体。
11.根据权利要求10的方法，还包括在集成电路中形成深N阱。
12.根据权利要求11的方法，其中使用深N阱形成第二功率放大器的开关设备以提供与第一功率放大器的开关设备的隔离。
13.根据权利要求12的方法，还包括施加偏置电压给深N阱。
14.根据权利要求10的方法，还包括使用绝缘体上硅技术以隔离第一开关设备的主体与第二开关设备的主体。
15.一种层叠的RF功率放大器，包括集成电路；第一和第二层叠的功率放大器，其中每个功率放大器都包括具有衬底的至少一个开关设备；以及其中在第一功率放大器中的开关设备的主体与第二功率放大器的开关设备的主体电隔离。
16.根据权利要求15的层叠的RF功率放大器，其中通过在深N阱中形成开关设备之一来提供隔离。
17.根据权利要求16的层叠的RF功率放大器，其中施加偏置电压给深N阱。
18.根据权利要求15的层叠的RF功率放大器，其中通过使用N-原材料形成集成电路和在P阱中形成开关设备来提供隔离。
19.根据权利要求15的层叠的RF功率放大器，其中使用绝缘体上硅技术提供隔离。
20.根据权利要求15的层叠的RF功率放大器，其中使用CMOS技术实现集成电路。
21.一种在集成电路上形成的层叠的RF功率放大器，包括在集成电路上形成的第一晶体管，所述第一晶体管具有晶体管主体；在集成电路上形成的第二晶体管，所述第一晶体管具有晶体管主体；以及其中第一晶体管的晶体管主体与第二晶体管的晶体管主体隔离。
22.根据权利要求21的层叠的RF功率放大器，其中通过在深N阱中形成多个晶体管之一来隔离第一和第二晶体管的晶体管主体。
23.根据权利要求21的层叠的RF功率放大器，还包括以下步骤使用N-原材料形成集成电路；以及在集成电路的P阱中形成第一和第二晶体管。
24.根据权利要求21的层叠的RF功率放大器，其中使用绝缘体上硅技术隔离第一和第二晶体管的晶体管主体。
25.根据权利要求21的层叠的RF功率放大器，其中使用CMOS技术实现集成电路。
全文摘要
本发明的方法和装置提供了一种用于在层叠的RF功率放大器中电隔离开关设备M1，M2的技术，这防止开关设备M1，M2遭受高的击穿电压。所提供的隔离允许功率放大器在集成电路上实现。
文档编号H03F3/24GK1898860SQ200480034839
公开日2007年1月17日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月25日
发明者T·J·迪皮斯, S·A·保罗 申请人:硅实验室公司