专利名称：调谐集成多级放大器级间匹配网络的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及多级放大器电路，具体地说，本发明涉及调谐多级放大器中所包含的级间匹配网络的技术。
网络匹配是射频(RF)电路设计的重要部分。在多级RF放大器，即具有多于一个级联在一起的放大器的放大电路时，通常必需提供输入匹配网络和输出匹配网络，以及多级电路中所包含的放大器之间的级间匹配网络。
多级RF放大器的输入和输出匹配一般可使用常规源拉(source-pull)和负载拉(load-pull)技术完成。许多情况下，输入和输出匹配可使用连接到印刷电路板(PCB)的分离电路(即非集成)分立元件方便地实现。
然而，多级放大器实现为单个集成电路(IC)时，由于对级间匹配网络的受限访问和其元件值中的制造偏差，级间匹配会难以实现。
集成电路RF功率放大器通常使用的级间匹配网络包括高通电感电容(LC)部分，即串联电容和并联电感，后者也用作连接到电路的直流(DC)电压馈送的上拉电感。高通LC部分通常制作成RF放大器集成电路(IC)的一部分。IC一旦制作后，IC上的元件值无法或难以更改。
由于IC中芯片上元件的预制模拟模型并不是始终精确，因此制作的级间匹配网络的性能可能偏离其模拟设计。此外，芯片上RF元件的模拟模型经常使用小的基本单元得到。许多基本单元放在一起以形成更大的IC或元件时，这可导致模拟结果与测量结果之间的不一致。这是一般所说的RF电路设计中的常见现象，具体地说，是RF功率放大器设计中的常见现象。
在级间匹配网络中，电感值和电容值与期望值之间的小偏差经常导致失配。此类失配会大大降低多级放大器的性能。具体而言，多级放大器的功率增加效能(PAE)、增益和输出功率均取决于级间匹配网络的电感值和电容值。因此，级间匹配网络的电感值和电容值稍有偏差，PAE、增益和输出功率都会大大降低。
因此，需要一种改进的方法和装置，用于调谐集成多级放大器的级间匹配网络以提高放大器性能。
鉴于上述内容，本发明提供一种电路拓朴结构，以调谐集成多级RF放大器中所包括的级间匹配网络。本发明的优点在于它大大改善了多级RF功率放大器(PA)的性能，特别是用于无线应用中的那些功率放大器的性能。
根据本发明的一个实施例，调谐电路包括并联在地与集成多级放大器第一级的电压馈送之间的一个或多个芯片外电容。可以这样选择电容，使其有效地调谐或补偿级间匹配网络所包含的上拉电感的电感值，从而在由于寄生现象和/或诸如放大器的输入级和输出级晶体管等其它元件偏离其预制模拟模型而导致级间匹配网络的电感值和电容值偏离其期望值时提供改善的级间匹配。
结合附图阅读下面对当前优选实施例的详细说明，可进一步理解本发明的上述及其它特性和优点。详细的说明和附图只是为了说明而不是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求书及其等效物定义。
图1是根据本发明一个实施例的例示性多级放大器电路的示意图；图2是根据本发明另一实施例的例示性多级放大器电路的示意图；图3是根据本发明优选实施例的例示性多级放大器电路的示意图；以及图4A-C显示图3所示多级放大器电路的例示性性能曲线图。
现在转到附图，具体参照图1，该图显示了根据本发明一个实施例的多级放大器电路20。放大器电路20包括输入匹配网络Mi24、多级放大器集成电路(IC)22、输出匹配网络M026及调谐电路28。多级放大器22包括第一级放大器A134、第二级放大A236和级间匹配网络Mis38。级间匹配网络38包括具有电感40和电容42的高通LC部分。
调谐电路28包括第一电容C130和第二电容C232，两者均连接在供电电压Vcc与地之间。可选择这样的电容30、32，使其有效地调谐或补偿级间匹配网络38所包括的上拉电感40的电感值，从而在由于寄生现象和/或诸如放大器的输入级和输出级晶体管等其它元件偏离其预制模拟模型而导致级间匹配网络38的电感值和电容值偏离其期望值时提供改善的级间匹配。
电容30、32最好是芯片外分立表面安装电容。或者，电容30、32可以是具有特定宽度和长度、提供所需工作电容值的开路传输线，或者是开路传输线和分立电容的组合。
虽然图1的例示性电路20显示了并联电容30、32对，但是只要元件不形成到地的DC路径，调谐电路28就可利用单个电容、多个电容或者是电容与电阻和/或电感的组合实现。此外，多级放大器22可具有两个或更多个级，并且在具有三个或更多放大器级的多级电路中，多个调谐电路可分别连接到除最后一级外每级的电压馈送。
图2是根据本发明另一实施例的多级放大器电路50的示意图。放大器电路50包括输入匹配网络Mi54、输出匹配网络M056、多级放大器IC52及调谐电路67。多级放大器52包括第一级放大器A158、第二级放大器A260和级间匹配网络Mis62。级间匹配网络Mis62可以包括如图1所示的高通LC部分。
调谐电路67包括印刷电路板(PCB)迹线70、第一电容电阻对72、76及第二电容电阻对74，78。PCB迹线70具有预定的长度Lt和宽度W。分别与调谐电容C172与C274串联连接的电阻R176和R278可用于降低电容的Q。
多级放大器IC52通过焊线64连接到外部焊盘66。芯片外电感Loc68将焊盘66连接到PCB迹线70以向放大器IC52的第一级58供电。
去耦电容对Cd1、Cd280并联在电压电源VCC与地之间。
图2显示了从电源VCC通过PCB迹线70到放大器IC52供电终端的连接。PCB迹线70可以视为长度Lt和宽度W的传输线。图2所示为两个去耦电容Cd1、Cd280和芯片外上拉电感Loc68。如果Loc68未使用，则其值可设为零。这种情况下，焊盘66和迹线70可组合成单个迹线。
视迹线70的长度和宽度而定，Loc68处出现的迹线的阻抗可高可低。阻抗很低时，调谐电容电阻对C1，R172，76和C2，R274，78对级间匹配的影响很小。然而，在Loc68的阻抗高于C1、R1和C2、R2的阻抗时，C1、R1和C2、R2的阻抗值会大大影响级间匹配。这是因为每个调谐对C1、R1和C2、R2中电阻和电容的组合阻抗为焊线64和芯片外电感Loc68提供了有效的低阻抗路径，并有效地调谐级间匹配网络62的总电感值。
图3是根据本发明优选实施例的多级放大器电路100的示意图。放大器电路100包括输入匹配网络104、输出匹配网络108和多级放大器IC102。调谐电路106连接到多级放大器102。IC102以BiCMOS工艺实现，其中峰值ft为30GHz。
输入和输出匹配网络104、108与调谐电路106均由分立的芯片外元件组成。输入匹配网络104包括取值如图所示连接在一起的两个电容和一个电感。输出匹配网络108包括以图3所示拓朴结构连接的两个电感、三个电容、一个电阻和一条PCB迹线。调谐电路106包括取值如图示且连接到PCB迹线的三个调谐电容。调谐电路106中也包括去耦电容Cd1、Cd2对。
图4A-C显示了与专门设计用于1.9GHz无线应用的二级RF放大器电路100相对应的小信号测量。在此类应用中，电路100可用作无线听筒和便携式装置的功率放大器。测量是对电路100进行的，用1.9GHz左右所需频带的等效调谐器电路(未显示)替代输出匹配网络108的1.5pF、1.8pF和PCB迹线。
图4A是电路100的增益曲线。在1.9GHz的增益(图中标为“1”)大约为21.5dB。这与没有调谐电路106的同一多级RF放大器电路相比具有很大的增益改善。
从图4A可以看到，在1.9GHz峰值左右的增益斜率非常陡。换而言之，在1.9GHz左右的有用带宽较窄。这是因为所用电容高的品质(Q)因数。如图2所示与调谐电容串联连接的电阻可用于减少Q值，从而增加带宽。
图4B显示图3所示电路100的输入回程损耗。在1.9GHz，输入回程损耗大约为-7.1dB。
图4C显示图3所示电路100的输出回程损耗。在1.9GHz，输出回程损耗大约为-8.6dB。
虽然本文公开的本发明实施例在目前视为是优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。本发明的范围在所附权利要求书中指明，并且在等效的意义和范围内的所有变化均应包含在其中。
权利要求
1.一种调谐电路，用于具有级间匹配网络和电压馈送输入端的集成多级射频(RF)放大器，其特征在于印刷电路板(PCB)迹线，用于将DC电压电源连接到所述电压馈送输入端；以及第一分立电容和第二分立电容，两者均并联在所述PCB迹线与地之间，用于调谐所述电压馈送输入端上的电感值，从而改善所述集成多级RF放大器中的所述级间匹配网络的性能。
2.如权利要求1所述的调谐电路，其特征在于还包括连接在所述电压馈送输入端与所述PCB迹线之间的上拉电感。
3.如权利要求1所述的调谐电路，其特征在于还包括分别与所述第一和第二电容串联连接的第一电阻和第二电阻。
4.如权利要求1所述的调谐电路，其特征在于所述PCB迹线具有预定的宽度和长度，以定义所述PCB迹线的阻抗。
5.如权利要求1所述的调谐电路，其特征在于还包括连接到所述PCB迹线的至少一个去耦电容。
6.一种电子电路，其特征在于第一级放大器，具有电压馈送输入端；第二级放大器，工作时连接到所述第一级放大器；级间匹配网络，连接到所述第一和第二级放大器；以及电容，连接在所述电压馈送输入端和地之间，所述电容具有选定的电容值，以补偿所述电压馈送输入端上的电感值，从而改善所述级间匹配网络的性能。
7.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于还包括连接在所述电压馈送输入端和地之间的第二电容。
8.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于还包括连接在所述电压馈送输入端和所述电容之间的电感。
9.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于还包括印刷电路板(PCB)迹线，用于将DC电压电源连接到所述电压馈送输入端，其中所述电容连接到所述PCB迹线。
10.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于还包括与所述电容串联的电阻。
11.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于还包括在工作时连接到所述电压馈送输入端的至少一个去耦电容。
12.如权利要求6所述的电子电路，用于射频(RF)操作。
13.如权利要求6所述的电子电路，其特征在于所述电容是开路传输线或开路传输线与分立电容的组合。
14.一种调谐具有电压馈送输入端的多级放大器中所包括的级间匹配网络的方法，其特征在于提供包含所述多级放大器的集成电路芯片；将所述电压馈送输入端连接到印刷电路板(PCB)迹线以提供DC供电电压；以及在所述PCB迹线与地之间并联一个分立电容，其中所述分立电容具有选定的电容值，以调谐所述多级放大器的所述级间匹配网络。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括在所述PCB迹线与地之间并联第二分立电容，其中所述第二分立电容具有选定的电容值，以调谐所述多级放大器的所述级间匹配网络。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括提供连接在所述电压馈送输入端和所述PCB迹线之间的上拉电感。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括提供与所述电容串联的电阻。
全文摘要
用于补偿集成多级射频(RF)放大器(22)中所包括的级间匹配网络(38)的调谐电路(28)，它包括一个或多个电容(30、32)，这些电容并联在地和放大器(22)的电压馈送之间。电容(30、32)具有选定值，以有效地补偿级间匹配网络(38)中所包含的上拉电感(42)的电感值，从而在由于寄生现象和/或诸如放大器的输入级和输出级晶体管等其它元件偏离其预制模拟模型而导致级间匹配网络的电感值和电容值偏离其期望值时提供改善的级间匹配。
文档编号H03J3/20GK1515071SQ02802220
公开日2004年7月21日 申请日期2002年4月25日 优先权日2001年5月1日
发明者S·罗, S 罗 申请人:皇家菲利浦电子有限公司