提供旁路寄生阻抗的匹配电路的系统和方法与流程

本申请要求于2016年11月11日提交的美国非临时申请第15/349,225号和于2016年8月9日提交的美国临时专利申请第62/372,713号的优先权和权益，这些申请所公开的内容以引用的方式全部并入本文，如同在下面进行了全面的阐述并且为了所有适用的目的。

本申请涉及射频(rf)接收器，更具体地涉及一种实施旁路寄生阻抗的阻抗匹配电路。

背景技术：

无线系统通常包括被耦合至天线以发送和接收射频(rf)信号的发射器和接收器。一般而言，基带系统生成包括编码信息(数据)的数字信号，并且数字信号被转换为模拟信号以进行传输。模拟信号被处理并且通常被调制(上变频)为rf载波频率。在上变频之后，rf信号通过功率放大器被耦合至天线。例如，功率放大器增加了信号功率，从而使rf信号可以与远程系统(诸如，基站)进行通信。

在一个示例传统功率放大器中，核心晶体管的发射极通过gaas管芯的背过孔和pcb中的过孔被连接至印刷电路板(pcb)接地层。电容器和电感器被包括在设计中以提供与负载的阻抗匹配。传统功率放大器的布置包括回路，其中匹配电感器的第一节点被耦合至核心晶体管的集电极，并且匹配电容器被耦合至匹配电感器的另一节点。匹配电容器将电感器的第二节点耦合至pcb中的过孔。pcb中的过孔被耦合至gaas管芯的背过孔，该背过孔被耦合至核心晶体管的发射极。或者，换句话说，lc匹配电路是从集电极到发射极的回路的部分，其中回路包括pcb的过孔和半导体管芯的背过孔，从而将过孔和背过孔的寄生电感包括在回路内。这允许电平相对高的rf电流流回到发射极。

gaas管芯的背过孔和pcb中的过孔的寄生电感和电阻限制了可实现的输出功率、功率附加效率(pae)和增益，特别是在用于较高输出功率的较高操作频率或者较大晶体管大小的情况下。随着操作频率和晶体管大小(用于更高输出功率)的增加，地寄生电感正在变成功率放大器(pa)可实现输出功率(pae)的主要限制之一。

过孔和背过孔的效果通常被称为双极性技术中的“放大器的发射极退化”或者cmos技术中的“放大器的源极退化”。rf电流被直接反馈到输入信号以减少放大器的功率增益、输出功率和pae。或者，换句话说，由gaas背过孔和pcb过孔的寄生电感产生的谐振将rf信号电流反馈到核心晶体管的发射极。

附加地，当现成的电容器用于匹配电容器时，输出匹配电路中的匹配电容器的品质因数(q)可能受到限制。这可能产生插入损耗，并且降低输出功率、pae和增益。例如，具有－10pf电容值的商用片外电容器具有约30的q和3.5ghz的谐振频率。在某些情况下，电容器的自谐振频率对于较高频率的功率放大器来说太低。因此，期望具有增加放大器的pae和使用具有更高q的组件的功率放大器架构。

技术实现要素：

根据一个实施例，电路包括：射频(rf)放大器，该射频(rf)放大器包括：晶体管，被配置为接收其控制端子处的rf信号；电容器，被耦合至晶体管的第一端子；电感器，被耦合至晶体管的第二端子，其中，电容器和电感器形成从第一端子到第二端子的回路，其中回路旁路第二端子与地之间的寄生电感。

根据另一实施例，射频(rf)放大器电路包括其中形成有晶体管的半导体管芯，晶体管包括被配置为接收rf信号的控制端子，晶体管进一步包括与电源耦合的第一端子和与接地平面耦合的第二端子；印刷电路板(pcb)，半导体管芯被安装在该印刷电路板上，其中pcb包括接地平面和将接地平面耦合至第二过孔的第一过孔，第二过孔被耦合至晶体管的第二端子；以及电容器和电感器，被耦合在晶体管的第一端子与晶体管的第二端子之间以形成回路，该回路终止在第二端子与第二过孔之间的节点处，电容器和电感器匹配放大器电路的负载的阻抗。

根据另一实施例，一种计算装置，被配置为通过无线射频(rf)技术进行通信，计算装置包括：半导体管芯；形成在半导体管芯上的晶体管，该晶体管被配置为接收控制端子处的rf信号并且在第一端子处输出经放大的rf信号，晶体管具有由半导体管芯中的第一过孔耦合至接地平面的第二端子；以及负载组件，负载接收来自晶体管的经放大的rf信号；以及用于匹配负载组件的阻抗的部件，其中用于匹配阻抗的部件包括从晶体管的第一端子到晶体管的第二端子、并且旁路第一过孔的寄生电感的阻抗路径。

根据另一实施例，一种方法，包括：接收功率放大器处的rf信号；以及通过功率放大器放大rf信号，其中功率放大器包括：晶体管，该晶体管接收其控制端子处的rf信号；电容器，被耦合至晶体管的第一端子；以及电感器，被耦合至晶体管的第二端子，其中电容器和电感器形成从第一端子到第二端子的回路，其中回路旁路由第二端子与地之间的多个过孔产生的寄生电感。

附图说明

图1图示了根据本公开的实施例的示例放大器架构。

图2图示了根据本公开的另一实施例的示例放大器架构。

图3图示了根据本公开的另一实施例的示例放大器架构。

图4是根据本公开的实施例的用图1至图3的放大器架构中的任一个来执行的示例方法的示意图。

具体实施方式

本文所提出的各个实施例包括用于匹配电容器和匹配电感器以降低反馈到核心晶体管的发射极中的rf信号电流的数量的布置。核心晶体管的发射极对电容器的接地板来说是短路的。电感器被耦合至集电极，以便电感器和电容器形成从集电极到发射极的回路。此回路旁路背过孔和位于发射极与地之间的过孔的寄生电感。因此，大大减少了通过背过孔的rf电流，正如发射极退化一样。

另外，这些实施例可以使用金属板(而不是现成的和片外电容器)将匹配电容器实施在半导体(例如，gaas)管芯上，来增加q因数。片上电容器设计可以被调谐以将q因数增加至约80，尽管实施例的范围并不限于针对q的任何值。此外，电感器可以被实施为接合线，以调谐长度和高度，从而提供较高的q因数。在一个实施例中，来自管芯的表面的接合线越高，接合线与管芯上的组件之间的耦合越少，从而增加q因数。相较于使用片外电容器和电感器的传统设计，匹配电容器和匹配电感器的这种布置在包装区域成本方面更有效率。

各个实施例包括使用本文所公开的功率放大器的方法。例如，一种方法可以包括：接收驱动放大器处的rf信号，然后将经放大的信号传递至核心晶体管。核心晶体管充当功率放大器并且对于负载而言是阻抗匹配的。晶体管的集电极处的信号通过阻抗匹配回路被反馈到晶体管的发射极，该阻抗匹配回路旁路半导体管芯背过孔和pcb中的过孔的寄生电感，半导体管芯耦合至该pcb。这样的结果是，功率放大器放大了用于负载的rf信号，同时经历较少的发射极退化。

放大器实施例可以被实施在具有rf收发器的计算装置中。这种计算装置的示例包括智能电话、平板计算机、膝上型计算机等。例如，计算装置可以包括天线，该天线根据各种协议(诸如，ieee802.11(wi-fi)、bluetooth、4g和5g移动技术)来发送和接收无线rf信号。在适当的情况下，rf放大器可以被用来放大接收到的信号或者放大要发送的信号。

一些实施例可以包括放大器，该放大器具有晶体管，该晶体管具有发射极，其中发射极被耦合至阻抗路径。阻抗路径可以包括阻抗匹配电容器(例如，发射极可以被耦合至阻抗匹配电容器)。实施例的范围进一步包括：电容器可以被实施在gaas管芯上，电容器相对于rf是浮动的，电感可以包括接合线，接合线可以将晶体管的集电极耦合至电容器，以及存在到用金属填充的过孔的连接。

图1图示了根据一个实施例的示例功率放大器布置。图1提供了各个电路组件的分解图，电路组件中的一些被实施在gaas管芯110、pcb120、或者计算装置内的其它地方上。图1所示的组件包括与负载130耦合的rf收发器的部分。

功率放大器输入150接收来自上游组件(未示出)的rf信号并且将该rf信号传递至驱动放大器140。在rf信号被应用于gaas管芯110上的功率放大器之前，该驱动放大器140将rf信号放大到适当的水平。驱动放大器140可以包括运算放大器或者适用于所示的多级放大的其它适当的放大器。

经放大的rf信号141从驱动放大器140被输出并且被输入到核心晶体管q_hbt的基极。在该示例中，核心晶体管被实施为异质结双极性晶体管，该异质结双极性晶体管具有与接合线113和谐波抑制器160耦合的集电极并且具有与电容器c1和背过孔112耦合的发射极。谐波抑制器160为不需要的较高频率的信号提供滤波并且可以使用模拟或者其它技术而被调谐以用于给定应用。背过孔112被实施在管芯110内，并且具有用于寄生电感le1的值。电容器c1被实施在区域111内的管芯110上。如下面更详细地描述的，电容器c1可以使用管芯110内的金属板来实施。

示例pcb120包括fr4的结构或者被布置在多层中的其它合适的绝缘材料。pcb120还包括多层导体，诸如，被分布在绝缘材料层之间的铜。示例导电层包括接地层126，并且应当理解，pcb120可以包括携带功率和信号的其它导电层，其中为了便于说明，并未示出这些其它导电层。pcb120包括过孔125，该过孔125具有寄生电感le2。过孔125将背过孔112耦合至接地平面层126。换言之，接地平面层126通过过孔125和背过孔112被耦合至q_hbt的发射极。

具有核心晶体管q_hbt的功率放大器使用电容器c1和接合线113来对负载130进行阻抗匹配。例如，在负载130具有50欧姆的阻抗的示例中，可以选择电容器c1和接合线113(具有电感l1)以提供适当数量的电抗，从而防止信号因为反射而发生退化。负载130的示例包括天线、输出插孔、或者接收来自晶体管的经放大的rf电流的其它组件。虽然该示例提到具有50欧姆阻抗的负载，但是应当理解，实施例的范围包括具有任何适当的阻抗的任何适当的负载。例如，其它实施例可以包括具有12欧姆阻抗的天线，并且因此可以选择c1和l1的值以减少或者消除反射。

在该示例中，电容器c1和接合线113形成从核心晶体管q_hbt的集电极到发射极的回路，其中回路由图1中的箭头指示。从集电极到发射极的、包括接合线113和电容器c1的回路旁路发射极与接地层126之间的寄生电感le1和le2。还应当注意，电容器c1还相对于rf信号浮动，而不是直接与接地平面126耦合。

与传统功率放大器相比较，图1的实施例还可以包括一个或者多个优点。例如，一些传统功率放大器可以包括被耦合至pcb接地层126的匹配电感器和电容器，从而形成包括过孔112和125的回路。相比之下，图1的实施例将回路配置为旁路过孔112和125，从而减少通过过孔112和125的rf电流量。通过过孔112和125的rf电流的减少对应地降低发射极退化。不过，与这种传统功率传感器相比较，通过过孔112和125的dc电流量可能保持一样；然而，发射极退化通常是rf电流的功能，而不是dc电流。

图1的实施例的另一特征在于，电容器c1被置于半导体管芯110的区域111内，并且因此处于管芯上。相比之下，一些传统功率放大器可以使用被耦合至pcb的现成的电容器。在该示例中的片上电容器c1可以使用被设置在半导体管芯110的介电层之间的并行金属(例如，铜)层来形成。将电容器c1置于管芯上的优点在于，可以根据模拟来设计并行金属层以在期望操作频率下提供高q因数。例如，如果期望操作频率为约2.5ghz，则半导体管芯110内的并行金属层可以被设计为具有形状、大小和彼此之间的距离，以在2.5ghz下提供高q因数。可能需要较高的q因数以在最终产品中提供更好的信号质量。

相比之下，一些现成的电容器可以被设计为在与3.5ghz或者5ghz下使用，并且因此可以在2.5ghz的期望频率下提供较低的q因数。然而，实施例的范围并不限于任何使用频率。而是，各个实施例可能适用于通过使用模拟和/或原型设计与任何适当的频带一起使用，以实现期望的q因数。

此外，图1的示例实施例使用接合线113来实现电感值l1。在该示例中，接合线113从管芯110之上的一个焊盘延伸到另一个焊盘，从而通过不将管芯110的区域外的pcb120进行横向延伸来节省横向空间。示例接合线113可以包括具有1密耳的横截面直径和被调谐为提供针对l1的期望值的长度。例如，如果针对l1的期望值是300ph并且针对c1的期望值是12pf，则可以使用模拟或者其它技术来为给定接合线113选择长度，从而实现300ph。当然，实施例的范围可以包括任何适当的大小以及针对l1和c1的任何适当的值。

各个实施例可以通过增加接合线在管芯110的顶表面上面的高度来实现用于接合线113的较高q因数。例如，来自管芯110的接合线113越高，接合线113与管芯110内的各种导体特征结构之间的电感耦合就越少。增加q因数的另一种技术是使用多条接合线，而不是单条接合线。例如，一些实施例可以使用两条接合线113来实现电感值l1，尽管实施例的范围可以包括任何数量的接合线。

图2是根据一个实施例的包括被实施在半导体管芯210上的多个功率放大器的示例系统200的自顶向下的示意图。半导体管芯210本身被安装在pcb220上。聚焦于单元251，核心晶体管214具有被耦合至背过孔215的发射极。背过孔215被设置在半导体管芯210内以将核心晶体管214耦合至焊球或者在半导体管芯210底侧的其它导电连接(未示出)。背过孔215被电耦合至pcb过孔225，该pcb过孔225将背过孔215耦合至pcb接地平面(未示出)。应当理解，在真实的自顶向下的视图中，背过孔215和pcb过孔225从视图中看是被半导体材料的管芯210掩盖的，但是为了便于说明，此处示出了过孔215和225。

电容器c1被实施在管芯210上，正如在图1的示例中一样。此外，接合线213被耦合在焊盘211之间以在核心晶体管214的集电极与发射极之间形成回路，与图1所示的回路类似。单元252与单元251基本上相似并且还被耦合至pcb过孔225，以便单元251和252操作以放大rf信号并且将该经放大的rf信号提供至负载230。

此外，单元253和254与单元251基本上相似并且放大针对负载232的rf信号。在一个示例中，负载230和232可以分别具有不同的阻抗，例如，50欧姆和12欧姆。继续该示例，单元251和252可以包括针对接合线的电容值c1和电感值以在负载230处匹配50欧姆。类似地，单元253和254可以包括针对其相应接合线的电容值c2和电感值以在负载232处匹配12欧姆。

因此，图2的实施例说明了服务两个负载230、232的多段放大器系统。第一段包括具有用于服务负载230的阻抗匹配电路的单元251和252。第二段包括具有用于服务负载232的阻抗匹配电路的单元253和254。每个单元251至254都可以根据图1的实施例所示的设计来实施，以通过利用匹配电感器和电容器形成旁路背过孔和pcb过孔的回路来减少在核心晶体管的相应发射极处的rf电流量。

各种实施例可以包括用于给定应用的任何适当数量的段。例如，一些实施例可以包括用于给定负载的至少一个段。此外，特定段可以包括任何数量的单元。负载230和232的示例可以包括天线或者接收经放大的rf信号的其它组件。系统200本身可以被进一步实施在无线装置中，诸如，智能电话或者平板计算机连同其它组件，诸如，电源(未示出)和具有各种处理器的片上系统(未示出)。

图3是适合于根据一个实施例的示例放大器配置300的图示。图3提供了适合于根据上面相对于图1和图2描述的原则的放大器系统的剖视图。半导体管芯310通过焊球(例如，焊球331)和导电垫(例如，导电焊盘332)被安装到pcb320上。虽然在图3中未示出，但是各种实施例可以在半导体管芯310与pcb320之间包括粘合材料。

核心晶体管315被导电耦合至背过孔312，该背过孔312被导电耦合至pcb过孔325和接地平面326。核心晶体管315同样被导电耦合至电容器311。接合线313被耦合在导电焊盘340之间并且被耦合至电容器311以在核心晶体管315的集电极与发射极之间提供回路，如上面相对于图1所示出的。相对于半导体管芯310的顶表面，图示了接合线313的高度，尽管未按比例绘制。如上所述，接合线313的高度影响接合线313与半导体管芯310内的其它导电组件之间的电感耦合量。因此，各种实施例使用通过模拟或者其它技术确定的高度来提供适当少量的耦合，从而增加用于通过接合线313体现的电感器的q因数。

接合线313和电容器311被用作具有适当lc值的匹配电路以匹配负载330的阻抗。匹配电路可以使用任何适当的导电路径而被耦合至负载330。例如，在图3的实施例中，附加接合线345将匹配电路耦合至焊盘346，其中pcb320内的其它迹线(未示出)与焊盘348和负载330电气连接。然而，实施例的范围可以包括从匹配电路到负载330的任何适当的导电路径。

虽然在图3中未示出，但是应当理解，放大器配置可以包括附加单元，也许包括附加段，其布置类似于图2所示的布置。此外，接合线313可以使用粘合剂或者其它适当的材料来包封，以保护免受机械力并且确保装置的物理完整性。图3的图示示出了放大器配置300，并且应当理解，pcb320在一些实施例中可以包括其它组件(例如，片上系统、电源、附加负载)并且可以用其它pcb被包括在最终无线装置的外壳内。

在某些情况下，背过孔312可以使用金或者其它适当的导电材料来形成。事实上，可以根据半导体管芯310的材料来选择用于背过孔312的导电材料。例如，上面描述的实施例提到gaas管芯，尽管实施例的范围可以包括任何适当的半导体技术。例如，管芯310可以包括其它用途的硅管芯。过孔325可以作为垂直延伸通过pcb320并且被填满或者部分被填充金属(诸如，铜)的孔而被形成。

图1和图2的实施例中的晶体管的示例包括异质结双极性晶体管(hbt)，尽管应当理解，其它实施例可以使用其它晶体管技术。例如，另一实施例可以使用场效应晶体管技术或者双极性结晶体管技术。在使用cmos技术的示例实施例中，管芯310还可以包括硅管芯，并且匹配电感器可以通过使用pcb320上的迹线来形成，而不是接合线313。

图4是示例方法400的图示，在该示例方法400中，可以使用根据图1至图3的实施例的rf功率放大器。例如，图4的动作可以由具有接收其控制端子处的rf信号的晶体管的功率放大器执行。在图1中示出了示例，其中核心晶体管q_hbt接收其基极处的rf信号141。然而，如上所述，其它实施例可以使用双极性结晶体管或者甚至可以使用通过使用cmos技术而被形成的场效应晶体管。

电容器被耦合至晶体管的第一端子。在图1中示出了示例，其中电容器c1被耦合至核心晶体管q_hbt的发射极。在另一示例(未示出)中，电容器可以被耦合至场效应晶体管的源极或者漏极。

继续示例，电感器被耦合至晶体管的第二端子并且还被耦合至电容器。电容器和电感器形成从晶体管的第一端子到晶体管的第二端子的回路。在图1的示例中，电感器是使用接合线113来形成并且被耦合至核心晶体管q_hbt的集电极。这形成了从集电极端子和电源(例如，vcc)通过电感器和电容器到发射极端子的回路。负载被耦合至电感器与电容器之间的节点。集电极和发射器之间(或者在场效应晶体管的情况下是在漏极与源极之间或者在源极与漏极之间)的回路限定出在放大器的正常操作期间的rf电流的路径。

继续示例，核心晶体管的发射极端子可以通过半导体管芯的一个或者多个背过孔并且进一步通过pcb的一个或者多个过孔进一步被耦合至接地平面。rf电流回路通过终止在发射极与任何背过孔之间的节点处来旁路半导体管芯的背过孔和pcb的过孔。虽然这种架构在一些应用中可能不会完全消除发射极退化，但是旁路背过孔和过孔的寄生电感可以大体上减少在发射极处看到的rf电流量，从而将发射极退化减少至针对特定应用的可接受的水平。进一步地，在该示例中，电容器可以作为在与核心晶体管相同的半导体上的组件而被形成，并且电感器可以使用一个或者多个管芯上接合线来形成。

在动作410中，rf信号在功率放大器处被接收。在图1中示出了示例，其中rf信号在功率放大器输入150处被接收并且被提供至驱动放大器140。从驱动放大器140输出的信号141然后被提供至核心晶体管的控制端子。因此，除了具有核心晶体管q_hbt的放大器之外，图1的实施例还采用了驱动放大器140。实施例的范围可以包括通过任何适当的组件，诸如，驱动器、滤波器等来接收rf信号。

示例方法400继续动作420，其中功率放大器放大rf信号。图1至图3的示例通过将rf信号141施加至基极来使用核心晶体管作为放大器。在晶体管的一个端子处的电源vcc提供比基极处的rf信号的电压摆动大的电压。因此，在晶体管的集电极处的结果电流比基极处的电流大，并且由所施加的rf信号调制。

示例方法400继续动作430，其中rf电流通过上面描述的回路被施加至电源的晶体管的端子。在该示例中，rf电流跟着由图1中的箭头示出的回路。在集电极和发射极终端两者处看到经放大的rf电流。回路的组件用于匹配负载的阻抗。

在动作440中，经放大的rf信号被施加至负载。在图1至图3中示出了示例，其中图示了示例负载作为项130、230、232和330。负载的示例包括天线、输出插孔等。

虽然示例方法400被示出为一系列离散步骤，但是应当理解，实施例的范围并不限于如此。而是，当rf信号被施加至晶体管的控制端子处时，动作410至440一起发生，但是为了便于说明，图4分开图示了动作。

附加地，实施例的范围并不限于图4所示的动作。相反，各种实施例可以添加、省略、修改或者重新布置一个或者多个动作。例如，在与图2所示的实施例相似的实施例中，多个单元可以接收rf信号和放大rf信号。同样，多个段可以接收不同的、相应的rf信号并且将经放大的rf信号提供给相应负载。

如本领域的技术人员目前将意识到的并且根据当前特定应用，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在本公开的设备的使用的材料、装置、配置和方法中以及对它们做出许多修改、替换和变动。鉴于此，本公开的范围不应限制为本文所图示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅是其一些示例，而是，应与所附的权利要求以及它们的功能等同物的范围完全相称。