集成3路Doherty放大器的制作方法

本发明涉及电子放大器，特别地涉及一种集成3路Doherty放大器。

背景技术：

电子放大器，特别是功率放大器，具有广泛的应用。一个特定应用就是在蜂窝或“移动”通信网络的基站中。存在有各种特定的Doherty放大器拓扑，包括典型的2路Doherty放大器并且也包括3路Doherty放大器。

Doherty放大器拓扑有时被用在基站中以提高功率放大器在回退工作中的效率。使放大器工作在回退工作中是现有技术中普遍已知的，并且涉及减小放大器的最大输出功率水平，以使得全部输出信号在放大器的线性工作区域内。然而，在回退中的工作导致放大器的效率被降低。

具有高带宽的放大器对于大量的应用都是有用的。例如，为一些蜂窝网络的基站分配的频带从0.7GHz延伸至3.8GHz，并且具有大约5％的相关带宽(related bandwidth)。常规的2路Doherty拓扑具有大约5％的带宽限制，因此单独的Doherty拓扑将需要用于每个通信频带，例如，1.805至1.88GHz、1.93至1.99GHz以及2.11至2.17GHz的频带。

WO 2008/062371描述了一种具有高功率效率的集成Doherty型放大器布置。多个单元格(unit cell)并联布置，且每个单元格包括2路Doherty拓扑。

使用该方法，对于三个通信频带中的每一个而言，8dB的回退效率在大约42％的范围内。尽管该效率符合对于对称Doherty的预期，但是单一频带中的效率水平并未达到能够通过诸如非对称或者3路之类更加复杂的Doherty拓扑所达到的50％。

WO 2009/081341描述了一种3路Doherty放大器，其中，主级、第一峰级和第二峰级的输出端相组合，以使得在主放大器的完整动态范围上的负载线调制能够避免严重的非线性行为。与仅具有位于6dB回退处的单一效率最大值的典型的2路Doherty相比，这实现了具有位于不同的回退水平(6dB和9.5dB)处的两个极大值的效率响应，从而提供了在8dB的回退区域内的显著效率提升。

因此，具有宽频带容量和良好效率两者的放大器将是有益的。然而，在实际中提供诸如非对称或3路之类更加复杂的Doherty拓扑作为集成电路是非常困难的。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种裸片，所述裸片包括至少一个3路Doherty放大器，所述3路Doherty放大器包括：主级；第一峰级；第二峰级；输入端，其连接到输入网络上，所述输入网络连接到所述主级、所述第一峰级和所述第二峰级，其中，所述输入网络包括第一阻抗和第二阻抗，所述第一阻抗连接到所述第一峰级的输入端并提供-90°的相移，所述第二阻抗连接到所述第二峰级的输入端并提供90°的相移；以及输出端，其连接到输出网络上，所述输出网络连接到所述主级、所述第一峰级和所述第二峰级，其中，所述输出网络包括第三阻抗和第四阻抗，所述第三阻抗连接到所述第一峰级的输出端并提供180°的相移，所述第四阻抗连接到所述主级的输出端并提供90°的相移。

相移元件在3路Doherty拓扑中的布置使得3路Doherty拓扑的效率性能更容易实现以作为集成电路器件。

输出网络可以不包括在第二峰级的输出端和放大器的输出端之间提供相移的阻抗。换言之，输出网络可以包括仅在主级的输出端和放大器的输出端之间、以及在第一峰级的输出端和放大器的输出端之间引起相移的阻抗。这可以通过减小阻抗之间的任何相互耦合效应来促进3路Doherty放大器的集成，这些阻抗被提供用于相移目的以允许在输出网络中的Doherty型行为。

第三阻抗可以包括连接在第一峰级的输出端和放大器的输出端之间的至少一个第一接合线或第一组接合线。第四阻抗可以包括连接在主级的输出端和放大器的输出端之间的至少一个第二接合线或第二组接合线。接合线提供相移元件，该相移元件很容易作为集成电路的一部分来制造。

所述至少一个第一接合线或第一组接合线可以比所述至少一个第二接合线或第二组接合线更长。第一接合线或第一组接合线相比于第二接合线或第二组接合线可以具有更高的电感，并因而引起更大的相移。

第一峰级可以比第二峰级更接近放大器的输入端，并且主级可以位于第一峰级和第二峰级之间。该布置可以允许对放大器的输入端和输出端部分进行组织，从而有助于减小裸片尺寸和/或改善性能。低输入损失可以提高增益，并且输出耦合的减小可以使得效率更高。第三阻抗和第四阻抗都可以具有相同的阻抗。第三阻抗的阻抗和第四阻抗的阻抗都可以是负载的阻抗的三倍。

第一阻抗可以包括电容器。这可以提高放大器在其工作频率处的增益，因为与诸如电感器之类的其它类型的无源集成组件相比，电容器可以引入更小的损失。

集成3路Doherty放大器的分数带宽可以大于5％。分数带宽可以介于5％和20％之间，并且特别地介于10％和20％之间。分数带宽可以接近甚至达到20％。大约20％的分数带宽可用于大量的通信应用中。放大器的带宽可以从大约1.8GHz延伸至大约2.2GHz。该带宽可用于大量的通信应用中。

裸片可以包括另一3路Doherty放大器。该另一3路Doherty放大器可以与上述3路Doherty放大器相同但是可以具有镜像布置。在裸片上提供多于一个的3路Doherty放大器可以增大该裸片能够处理的电功率。

本发明的第二方面提供了一种放大器封装件，包括：输入引线框；输出引线框；以及根据本发明的前述方面及其任何优选特征的裸片。

本发明的第三方面提供了一种功率放大器，包括一个或多个根据本发明的前述方面的放大器封装件。

本发明的第四方面提供了一种通信基站，包括一个或多个根据本发明的前述方面的功率放大器。

附图说明

现在将仅仅通过例子的方式并参考附图来描述本发明的一个实施例，在附图中：

图1示出了本发明的3路Doherty放大器的示意性电路图；

图2示出了本发明的3路Doherty放大器的更详细的示意性电路图；

图3示出了包括两个本发明的3路Doherty放大器的集成电路的布局；

图4示出的图形显示了本发明的3路Doherty放大器的效率；

图5示出的图形显示了针对本发明的3路Doherty放大器的峰功率阻抗条件和9.5dB回退阻抗条件所仿真的返回损失响应；

图6示出的图形显示了本发明的3路Doherty放大器的所仿真的输入至输出相位校准特性；以及

图7示出了根据本发明的一个方面的电信基站的示意性框图，该电信基站包括根据本发明的一个方面的RF功率放大器以及根据本发明的3路Doherty放大器。

具体实施方式

在附图中，除另有说明之外，不同附图中的相同项使用共同的附图标记。

下文中描述了本发明的一个实施例，该实施例与大量的蜂窝通信标准中当前共同使用的接近1.8至2.2GHz的频带有关。然而，本发明并不限于该特定频率范围，而是还可以应用于其它频率。

参照图1，示出了根据本发明的放大器100的3路Doherty拓扑的示意性电路图。放大器100包括输入端102和输出端104，输出端104附接到由负载电阻R_Load表示的负载106上，负载106转而连接到接地108。在放大器的工作频率处，负载106的阻抗为Z₀/3。放大器100通常具有3路Doherty拓扑，如下文中将要详细描述的，该3路Doherty拓扑特别地适于实现为集成电路。

放大器100包括输入网络110、主级120、第一峰级130、第二峰级140和输出网络150。

输入网络110包括分路器112，该分路器112接收输入AC电信号113(例如，待放大且提供给天线的RF信号)并将输入信号的一部分提供给主级、第一峰级和第二峰级中的每一个。第一阻抗114被设置在输入端102和第一峰值放大器130的输入端之间，并且被布置为在放大器100的工作频率处在信号路径中引入接近-90°的第一相移。在放大器100旨在作为宽带放大器(例如跨越大约1.8至2.2GHz的频率范围)时，那么放大器100的标称工作频率可以是在该范围内的某一处并且可以靠近该范围的中心，例如，2.0GHz。第二阻抗116被设置在输入端102和第二峰值放大器140的输入端之间，并且被布置为在信号路径中引入大约90°的第二相移。

作为输出网络150的一部分，第三阻抗152被设置在第一峰值放大器130的输出端和放大器的输出端104之间，并且被布置为在信号路径中引入大约180°的第三相移。第三阻抗152在放大器的工作频率处的阻抗为大约Z₀。第四阻抗154被设置在主放大器120的输出端和放大器的输出端104之间，并且被布置为在信号路径中引入大约90°的第三相移。第四阻抗152在放大器的工作频率处的阻抗同样为大约Z₀。

3路Doherty放大器的工作是本领域普遍已知的，但是本文中公开的或图1中所示的特定拓扑和工作模式并不是已知的。通常，主级工作在第一工作类(通常为AB类或B类)下，主级的效率水平由该主级的工作类确定，峰值放大器均不工作。将第一峰级和第二峰级偏置以工作在不同的工作类(通常为C类)下。当输入电压或功率增大至主级刚开始饱和之前的水平时，峰值放大器中的一个或更多个开始工作。使用相移组件，以使得当第一和/或第二峰级开始工作时，主级看到的输出负载阻抗开始减小。该察觉到的阻抗减小使得主级能够传递更多的功率。因此，直至两个峰值放大器同样达到饱和之前，维持主级的最大效率。

如上所述，图1中所示的特定的3路Doherty拓扑及其工作并不是本领域中已知的。第二阻抗116在去往第二峰级的输入路径中引入90°的相移并且第四阻抗在来自主级的输出路径中引入90°的相移，以使得来自第二峰级和主级的电流同相，其中来自第二峰级和主级的电流在输出端104处组合使得功率组合能够达到最佳。第一阻抗114在去往第一峰级的输入信号路径中引入的净相移以及第三阻抗152在来自第一峰级130的输出信号路径中引入的净相移为90°(-90°+180°)。因此，来自第一峰级和主级的电流同相，其中来自第一峰级和主级的电流在输出端104处组合，并且功率组合能够达到最佳。

图1中所示的电路的工作一般地如下文所述。当全部三个放大器120、130、140都导通时，负载阻抗Z₀/3在三个支路之间均分，以使得每个支路具有负载Z₀。在此情况下，因为输出相移元件152、154的特征阻抗也是Z₀，所以全部三个放大器120、130、140看到的是与最大功率的最佳阻抗对应的阻抗Z₀。随着输出功率减小，第一峰值放大器130由于具有最小的栅极电压而首先关断，从而在第一峰值放大器130的输出端处建立开路条件，并且之后由于阻抗152引入的180°的相移而在输出端104处建立开路条件。当前，负载Z₀/3在剩余的两个支路之间均分，以使得每个支路具有负载2×Z₀/3，导致主放大器级120看到的是3×Z₀/2。之后，随着输出功率继续减小，第二峰值放大器140关断，导致主放大器看到的是阻抗Z_mod＝3×Z₀。在此情况下，主放大器的输出功率是针对Z₀的最大工作功率的三分之一(或者大约-4.77dB)。同样，因为主放大器级120是唯一导通的放大器，并且在全部放大器120、130、140大小相同时，则功率能力也减小三分之一(或大约-4.77dB)。因此，峰值效率为大约(-4.77dB)+(-4.77dB)＝-9.54dB。在实际中，对第一峰值放大器130和第二峰值放大器140使用相同的栅极电压是很方便的，以使得不存在效率方面的中间步骤，并且这两个峰级开始关断并最终一同关断。

将图1中所示的电路拓扑实现为集成电路并不是微不足道的事。例如，主级和峰级中的晶体管的固有漏-源电容可以降低放大器的性能。

图2示出了在裸片或半导体衬底上实现的3路Doherty放大器的进一步示意性等效电路图，并且图3示出了包括一对根据本发明的3路Doherty放大器100、100’的裸片或半导体衬底300的示意性布局。裸片300通常关于中心线302对称，并因而仅位于上半部分的部件标有附图标记。

如图2中所示，在放大器的输入端处提供待放大RF信号113和主级偏置信号V_GS_M 120，并且分路器112对输入的RF信号进行分路并且将各部分提供给主级120、第一峰级130和第二峰级140的输入端。

主级120包括以晶体管T1表示的晶体管122或多个晶体管。合适的晶体管包括FET(场效应晶体管)并且特别地是LDMOS FET(横向扩散金属氧化物场效应晶体管)。同样，图2中示出了实际半导体晶体管的固有或寄生的栅-源电容124和漏-源电容126。类似地，第一峰级130包括以晶体管T2表示的晶体管132或多个晶体管。合适的晶体管包括FET并且特别地是LDMOS FET。同样，图2中示出了实际半导体晶体管的固有或寄生的栅-源电容134和漏-源电容136。同样，第二峰级140包括以晶体管T0表示的晶体管142或多个晶体管。合适的晶体管包括FET并且特别地是LDMOS FET。同样，图2中示出了实际半导体晶体管的固有或寄生的栅-源电容144和漏-源电容146。

输入网络110包括第一峰级输入网络210，该第一峰级输入网络210包括与第一峰级的栅极串联连接的电容器212和电感器214。第一峰级偏置信号V_GS_P1 216由电路径218提供给电容器212和电感器214之间的结点以设定第一峰级的工作类。

通常来说，晶体管的输入寄生电容器(例如134)远大于该晶体管的输出寄生电容器(例如136)。例如，对于LDMOS技术，输入寄生电容可以是输出寄生电容的大约三倍。在输入网络210中，电感器214和电容器212的串联布置被连接到第一峰级放大器130的输入端。输入网络电容器212可以具有连接到电感器214上的第一平板以及用于连接到接地的第二平板。电感器和电容器的这种串联布置对晶体管的输入电容134进行部分补偿并因此允许调节输入相移阻抗114的特征(阻抗和相移值)，从而对输出相移阻抗152的特征进行补充。同样，该输入网络210的串联布置提供了节点，在该节点处RF幅度相对较小(有时被称为RF冷点(cold point))，该节点通常可以用作向放大器提供偏置信号216的输入端。

输入网络110还包括采用在电感器214之后连接在分路器112和晶体管132的栅极之间的相移电容器219形式的第一相移组件。相移电容器219是Pi网络的一部分，Pi网络还由主级晶体管120的接地寄生分流电容器124和第一峰级晶体管130的接地分流寄生电容器134组成。相移电容器219以及主级晶体管和第一峰级晶体管的寄生分流电容器124、134组成的Pi网络提供第一相移阻抗114并实现-90°的相移。相移电容器219还作为DC锁定(block)，该DC锁定通过锁定各栅极偏置DC信号216、113以使得主级晶体管120和第一峰级晶体管130能够工作在不同的栅极电压下。

输入网络110还包括第二峰级输入网络220，该第二峰级输入网络220包括与第二峰级的栅极串联连接的电容器222和电感器224。第二峰级偏置信号V_GS_P2 226由电路径228提供到电容器222和电感器224之间的结点处以设定第二峰级的工作类。提供第二峰级输入网络220的原因与上述第一峰级输入网络210相似。

输入网络110还包括采用在电感器224之后经由另一DC锁定电容器230连接在分路器112和晶体管142的栅极之间的相移电感器229形式的第二相移组件。相移电感器229是另一Pi网络的一部分，该另一Pi网络还由主级晶体管120的接地寄生分流电容器229和第二峰级晶体管140的接地分流寄生电容器144形成。由相移电感器229以及主级晶体管和第二峰级晶体管的寄生分流电容器124、144组成的Pi网络提供第二相移阻抗116并实现90°的相移。该另一电容器230并不用于提供相移，而是作为另一DC锁定，该DC锁定通过锁定各栅极偏置DC信号226、113使得主晶体管120和第二峰级晶体管130能够工作在不同的栅极电压下。

输出网络150包括采用连接在第一峰级的漏极和输出端104之间的电感器232形式的第三相移组件。输出电容器236可选地(取决于晶体管技术)可以被设置为连接在输出端104和接地之间。由第一峰级晶体管130的接地寄生漏-源分流电容器136、电感器232以及与输出电容器236并联的、第二峰级晶体管140的接地寄生漏-源分流电容器146组成的Pi网络提供了具有180°的相移和阻抗Z₀的第三相移阻抗152。输出网络还包括采用连接在主级的漏极和输出端104之间的电感器234形式的第四相移组件。由主级晶体管120的接地寄生漏-源分流电容器126、电感器234以及与输出电容器236并联的、第二峰级晶体管140的接地寄生漏-源分流电容器146组成的Pi网络提供具有90°的相移和阻抗Z₀的第四相移阻抗154。

现在参照图3，示出了封装件300的示意性框图，该封装件300包括输入引线框304、包括一对集成3路Doherty放大器的裸片306、以及输出引线框308。如上文中所述，裸片306包括一对3路Doherty放大器，每个3路Doherty放大器具有与图1和2中的电路图对应的拓扑。输入引线框304包括在输入引线框304和接合板312之间延伸的接合线310，该接合板312电连接到主级120的栅极上并且提供分路器112。RF输入信号RFIN和主级偏置电压V_GS_M可以由接合线310提供。

第一峰级输入网络210包括电容器212、电感器214以及电连接器218，该电容器212和电感器214可以实现为集成电路组件，电连接器218连接到接合板314上以提供第一峰级偏置电压。第一相移组件219由电容器316组成，电容器316可以实现为集成电路组件并且连接在分路器312和第一峰级130的栅极之间。

第二峰级输入网络220包括电容器222、电感器224以及电连接器228，该电容器222和电感器224可以实现为集成电路组件，电连接器228连接到接合板318上以提供第二峰级偏置电压。第二相移组件229由电感器320组成，电感器320与DC锁定电容器322串联连接，电感器320和DC锁定电容器322可以实现为集成电路组件并连接在分路器312和第二峰级150的栅极之间。

第一峰级接合板330连接到第一峰级130的漏极，主级接合板332连接到主级120的漏极，并且第二峰级接合板334连接到第二峰级的漏极。第二峰级接合板334通过第一输出接合线336和第二输出接合线338连接到输出引线框308上并且为经放大的RF信号RFOUT提供输出信号路径。另一接合线340连接在第一峰级接合板330和第二峰级接合板334之间，并且实现提供180°的相移的第三电感器152。又一接合线342连接在主级接合板334和第二峰级接合板334之间，并且实现提供90°的相移的第四电感器154。

应当注意，接合线310、336、338、340和342仅是示意性的，并且在实际中，这些接合线可以使用多个接合线组实现。

图3中示出的晶体管布局布置可以在同一裸片上并行化以达到更高的功率能力(例如大于100W)。根据所需要的输出功率能力，多个这样的裸片能够用于常规的金属陶瓷封装件中或者其二次成型件中。各种不同类型的功率晶体管技术可以用于主级和峰级，例如LDMOS和GaN技术。根据目标应用，放大器能够被制作为工作在从大约500MHz至大约5GHz。

图3中所示的集成3路Doherty放大器的布局具有多个特征。

首先，使用的组合电路使得能够在主放大器的完整动态范围上进行负载线调制。分别在第一峰级和第二峰级的输入端处提供-90°和90°的相移。负载线调制提供如图4中所示的效率响应。图4示出了图形400，该图形400示出了作为驱动信号强度404的函数的3路Doherty放大器的效率402。如图中所示，线406具有在接近80％且对应于回退或大约9.5dB的效率处的第一峰408。该第一峰408对应于第一峰级130或第二峰级140中变为可工作的一个峰级。第二峰410同样也存在于接近80％且对应于大约6dB的回退的效率处，并且对应于第一峰级和第二峰级中变为可工作的另一个峰级。因此，在电信应用通常需要的大约8dB的回退处，本发明的3路Doherty放大器具有提高的效率。

此外，如图1中最容易看出的，本发明的3路Doherty放大器拓扑在输出端侧使用两个相移元件152、154，这与其它的3路Doherty拓扑中使用三个相移元件不同。其益处在于减小来自峰级和主级的接合线之间的电磁耦合。如图3中所示，组件的布局意味着将耦合限制为接合线340和342之间的任何耦合。大体上，同一(电压和电流)信号存在于接合线336和338处，因此耦合不存在或者对这些接合线不构成问题。可能存在由接合线342和340形成的电流回路引起的互感耦合，该互感耦合在放大器的输出端处引起进一步的阻抗，该阻抗可能很难通过阻抗匹配技术来减小。然而，减小接合线342和340之间的任何电磁耦合使得更容易将放大器与其负载106进行阻抗匹配。

另外，针对主级和第一峰级的提供-90°补偿的输入组合能够通过使用单一串联电容器316来实现，而不使用任何的串联电感器。这造成了放大器的更高增益，这是因为集成电感器能够具有显著的损失，例如，对于低电阻硅技术而言在2GHz处具有大约5的Q(品质因数)。

对根据图3的布局制作的器件的预期行为进行仿真，并且图5和6中示出了证实该放大器的宽带能力的结果。

例如，图5示出了图形500，该图形500示出了放大器在0.4GHz(从大约1.8GHz至2.2GHz)的带宽上的仿真阻抗匹配行为。线502示出了Z_mod阻抗条件下以dB为单位的返回损失响应，该阻抗条件对应于当第一峰值放大器130和第二峰值放大器140均关断并时主放大器120看到的阻抗，并且该阻抗是当全部三个放大器导通时峰功率处的阻抗(Z₀)的三倍。Zmod能够被视为优于频带中的-15dB。线504示出了放大器和具有阻抗Z₀的负载之间的仿真大功率阻抗匹配，该阻抗匹配优于频带中的-25dB。

类似地，图6示出了图形600，该图形600示出了放大器的输入信号和输出信号在0.4GHz(从大约1.8GHz至2.2GHz)的带宽上的仿真相位校准行为。线602示出了主级和第一峰级的输入信号和输出信号之间的相位校准，该相位校准在频带上在大约2°内。线604示出了主级和第二峰级的输入信号和输出信号之间的相位校准，该相位校准在频带上从大约-2°至大约+2°变化。

因此，集成的3路Doherty放大器提供了对称集成Doherty拓扑的许多益处(例如紧凑、易于实现、可重复、宽带性能)以及3路Doherty拓扑的回退效率优点。

这样的放大器具有广泛的应用，例如作为功率放大器，并且特别地适于用在基站RF功率放大器中。

本发明的3路Doherty放大器特别地适于用在RF功率放大器中。可以使用RF功率放大器的一个领域是通信基站，这是由于所使用的RF频率电信号的范围以及为了驱动天线所需要的大电信号功率。

例如，图7示出了电信基站700的示意性框图，该电信基站700包括支承天线704的站塔或桥塔702，该天线704可以包括发射和接收天线。基站700连接到其余的电信基础设施上并且通常包括大量的电子元件705，例如，一个或更多个放大器706、无线收发机、RF组合器、控制元件、通信元件以及备用电源。无线收发机的发射机输出侧被提供到具有10至50瓦的典型功率的大功率RF放大器706，该放大器706放大信号以产生大功率RF信号以足以驱动发射机天线。经放大的RF信号由电缆708传递给发射机天线704。RF功率放大器706可以包括一个或多个根据本发明的集成3路Doherty放大器。例如，可以使用6个放大器，这是因为6通道放大器常用于基站应用。

本领域普通技术人员将意识到对以上说明中描述的具体实施例的其它变型、修改和替换。