专利名称：使用开关式功率放大器的相位开关的射频(rf)包络脉冲调制的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及调制射频(RF)信号发生器中的包络功率。
背景技术：
此部分中的说明仅仅提供与本公开内容相关的背景信息，并且可以不构成现有技 术。射频功率在时域中可以被表达为在相应时期具有特定峰峰(P-P)振幅的周期信 号。P-P振幅描述RF功率的包络。调幅(AM)是调制RF包络的RF模式的实例。RF功率可以用于产生等离子体，该等离子体可以用于通过使用本领域已知的方法 制造半导体。在这样的应用中，随着半导体功能部件的尺寸减少和/或随着对生产成品率 的需求增加，精确地控制RF包络(envelope)日益重要。在本领域中已知用于控制RF包络 的几种方法，并且描述如下。第一组方法通过接通和切断RF功率放大器驱动器和/或使用给RF功率放大器供 电的电源的开关(on-off)控制电路来提供RF开关包络脉冲调制，以对功率放大器的DC输 入干线电压(rail voltage)进行脉冲调制。第二组方法通过控制RF功率放大器驱动器的振幅来提供RF包络脉冲调制。这些 方法通常可应用于具有A、AB、B和C类电路拓扑的功率放大器和/或控制给RF功率放大器 供电的电源的输出电压以调制功率放大器的DC输入干线电压。第三种方法公开在美国专利7，259，622中被描述，其提供具有全桥拓扑的相位控 制RF功率放大器设计以便于灵活地产生RF包络波形。桥拓扑需要四个功率开关和复杂的 门驱动控制方案。那些设计特征增加部件总数和成本并且降低可靠性。上述方法还具有一些内在的操作限制。在使用电源控制进行RF包络脉冲调制(开 关或多振幅级)的方法中，脉冲上升和下降速度受到DC干线电压的动态响应的限制。因 此，具有快的上升和下降时间、高脉冲调制频率或者具有小占空比的脉冲的RF脉冲包络并 不容易获得。使用RF功率放大器驱动开关控制的上述方法将仅仅便于RF包络开关脉冲调 制。它们不能够提供变化的非0振幅的RF。使用RF功率放大器驱动控制进行RF多振幅级 包络脉冲调制的上述方法限于线性功率放大器(例如具有A、AB和B & C类拓扑)，并且不 易于扩展到高效率的开关式功率放大器(例如具有E类拓扑)。线性功率放大器还需要具 有大的功率处理和热容量的设计和结构以耗散热量，因为大的差分功耗需要在脉冲调制期 间从功率放大器晶体管装置中耗散。使用电源控制和RF功率放大器驱动控制的结合，上面列出的一些限制可能减少。 然而，由于在脉冲调制时需要电源控制和功率放大器驱动控制协调得很好，因此这样的减 少将会是有限的，并且对于RF包络脉冲调制需要复杂的控制电路。
发明内容
一种射频(RF)功率发生器，包括根据第一控制信号产生第一 RF信号的第一开关 式放大器以及根据第二控制信号产生第二 RF信号的第二开关式放大器。所述第一控制信 号和所述第二控制信号确定所述第一 RF信号和所述第二 RF信号之间的相位差。输出信号 包络基于所述第一 RF信号和所述第二 RF信号以及所述相位差。一种用于操作射频(RF)功率发生器的方法，包括根据第一控制信号产生包括第 一相位的第一 RF信号；根据第二控制信号产生包括第二相位的第二 RF信号；跨负载施加 所述第一 RF信号和所述第二 RF信号；以及改变所述第一控制信号和所述第二控制信号以 控制通过所述第一 RF信号和所述第二 RF信号施加到所述负载的RF包络。一种射频(RF)功率发生器，包括根据第一控制信号产生第一 RF信号的第一 E类 放大器以及根据第二控制信号产生第二 RF信号的第二 E类放大器。所述第一控制信号和 所述第二控制信号交替所述第一 RF信号和所述第二 RF信号的相位，同时在每个相位交替 期间将所述第一 RF信号和所述第二 RF信号之间的相位差保持为恒定。输出信号包络基于 所述第一 RF信号和所述第二 RF信号以及所述相位差。实用性的进一步范围根据此处提供的说明书将变得明显。应当明白，说明书和特 定实例旨在仅仅用于图示说明的目的，并且并不是旨在限制本公开内容的范围。
这里描述的附图仅仅用于图示说明的目的，并且并不是旨在以任何方式限制本公 开内容的范围。图1描绘开关式射频(RF)功率放大器的相位开关的示意图；图2描绘图1的RF放大器中的开关装置的波形；图3A是图1的RF功率放大器的输出功率分布的曲线图；图3B是图1的RF功率放大器的DC输入功率的曲线图；图3C是跨图1的RF功率放大器中的开关装置的电压的曲线图；图3D是通过图1的RF功率放大器中的开关装置的电流的曲线图；图4描绘用于RF包络开/关脉冲调制的相位控制信号的波形和相应的RF输出的 波形；图5描绘用于RF包络非零两级脉冲调制的相位控制信号的波形和相应的RF输出 的波形；图6描绘用于RF包络缓慢上升和下降时期脉冲调制的相位控制信号的波形和相 应的RF输出的波形；图7是使用图1的RF放大器的实施例的RF包络脉冲调制的示波器示踪；图8是使用图1的RF功率放大器的实施例的RF非零两级脉冲调制的示波器扫迹； 以及图9A至9K描绘图1的RF功率放大器的各种组件的电压和电流的模拟波形。
具体实施例方式下列描述本质上仅仅是示例性的，并且决不是旨在限制本公开内容、其应用或使用。为了清楚起见，相同的附图标记将用在附图中以标识类似的元件。如这里使用的，术语 “A、B和C中的至少一个”应当解释为意谓着使用非排它性逻辑或的逻辑(A或B或C)。应 当明白，只要不改变本公开内容的原理，方法中的步骤可以以不同的顺序执行。如这里使用的，术语“模块”指执行一个或多个软件或固件程序的特定用途集成电 路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组)和存储器以及组合逻辑电路和/或 其它提供所述功能的合适的组件。现在参见图1，示出新的RF放大器10的示意图。RF放大器10使用主开关式放大 器12a和从开关式放大器12b，其共同称作开关式放大器12。开关式放大器12包括各自的 开关晶体管Ql和Q2。晶体管Q 1和Q2接收各自的开关控制信号14a和14b，它们在放大 器输出端16a和16b处的RF输出信号之间生成相位差。RF输出信号被求和，并且被施加到 负载20。负载20可以包括具有任何相关的阻抗匹配、电压和/或电流探针、功率仪表等的 等离子体室。DC电源22向开关式放大器12供电。在一些实施例中，开关式放大器12被实 施为D类或E类放大器。下列讨论假设采用E类放大器。开关式放大器12是相同的。现在将描述所描绘出的开关式放大器12a的实施例。 应当理解，开关式放大器12b具有相同的电路。DC电源22向RF扼流圈32的第一端提供 DC电压Vd。。RF扼流圈32的第二端与滤波器网络34的输入端相互连接。滤波器网络34 可以包括低通滤波器或者带通滤波器。滤波器网络34的输出与开关晶体管Ql的漏极、电 容器Cs的第一端以及谐振LC对36的第一端子相互连接。电容器Cs的第二端子和开关晶 体管Ql的源极与接地38相互连接。Cs可以是晶体管Ql的内部漏极至源极电容、或者外 部电容器、或者其结合。LC对36的第二端子与输出滤波器40的第一端子相互连接。在一 些实施例中，LC对36可以包括二极管52。二极管52的阴极与LC对36中电感器的抽头相 互连接。二极管52的阳极与接地38相互连接。二极管52实施电感钳位电路(inductive clamp)的实施例。输出滤波器40的第二端子与耦合变压器42的初级线圈相互连接。输出 滤波器40针对负载20的所有条件终止跨预定带宽的振荡。耦合变压器42的次级线圈与负载20的第一端子相互连接，并且与相关于放大器 12b的相应次级线圈相互连接。负载20的第二端子与相关于放大器12b的次级线圈相互连 接。控制模块44基于各自的相位控制信号50a和50b产生开关控制信号14a和14b。应当理解，当开关式放大器12使用D类功率放大器实施时，它们采用功率开关的 桥配置。因此，D类放大器比E类放大器具有更复杂的驱动电路需求，并且具有更高的成本 基数。在使用具有D类或E类实施方式的开关式放大器12的相位控制技术时，主开关式 放大器12a和从开关式放大器12b上的电流和电压分布通常不均衡。不均衡的水平取决于 负载20的配置和RF放大器10供应的功率水平。在通过相位控制进行脉冲调制时，主开关 式放大器12a与从开关式放大器12b相比，主要的不均衡可能增加其部件的应力(反之亦 然)。这种部件应力增加对于一些负载配置可能是重要的，这依次可能对RF放大器10的热 分布和可靠性产生负面影响。可替代地，为了维持热分布期望和可靠性期望，具有较高的电压、 电流和热额定值的部件可以用于放大器电路设计，这依次可能增加成本、尺寸和包装需求。当主开关式放大器12a和从开关式放大器12b之间的相位差不等于180和0度时， 主开关式放大器12a和从开关式放大器12b之间的电压和电流不均衡。该不均衡是由于在这些相位差处各自的功率开关Ql和Q2的漏极和/或集电极所看见的阻抗的差造成的。开 关式放大器12之间的电流和电压的不均衡可能导致热量不均衡，当在设计中未考虑到这 种情况时，这可能导致一个开关式放大器12的当前热应力相比另一个放大器12增加，并且 在最坏的情况下，可能由于高的热量应力而导致诸如功率开关之类的热敏组件发生故障。相位开关技术可以用于消除主开关式放大器12a和从开关式放大器12b中的电压 和电流分布的不均衡。通过使用相位控制信号50a和50b，开关式放大器12之间的相位调 整在每个RF脉冲周期交换。因此，在一个脉冲周期中，相对于主开关式放大器12a相位滞 后(或相位超前)操作从开关式放大器12b。在下一个脉冲周期，相对于从开关式放大器 12b相位滞后(相位超前)操作主开关式放大器12a。不考虑负载配置(电感性的或电容 性的)和功率水平，在对任何偶数个RF脉冲求平均的情况下，该相位交换方法便于开关式 放大器12的开关晶体管“看到”相同的负载阻抗。因此，开关式放大器12的电压和电流分 布，因此热量分布平均起来得到平衡。本质上，相位反转充分利用了开关式放大器12的角 色每隔一个脉冲可以交换的事实，使得每个开关式放大器在每个可替代的周期承当了主开 关式放大器(或从开关式放大器)的角色。该方法通过在两侧之间均勻地分配高耗散操作 导致较低的总装置应力，从而增加RF放大器10的可靠性。当对主开关式放大器和从开关 式放大器进行相位控制以获得最大、最小或者部分的输出功率时，此技术可以应用于任何 任意的波形脉冲调制。现在将参照图2描述对RF放大器10的分析。通过使用标准简化假设的分析装置， 例如具有电压Vd。的理想的DC电源22、理想的功率开关Ql或Q2、固定电容Cs、为标准参考 负载20 (通常为50欧姆)的最大功率效率所选择的LC对36和电容器Cs，以及理想的耦 合变压器42，建立通过相位受控的E类功率放大器进行脉冲调制的可行性。使用任意的负 载20执行该分析以完全体现用于全相位调整控制范围的电路变量的特征。感兴趣的电路 变量包括用于每个开关式放大器12a和12b的功率开关电流和电压、施加到负载20的组 合输出功率、开关式放大器12a和12b之间的功率平衡、由于硬开关导致的功率损耗等等。在稳态操作的情况下，(在RF周期内)通过功率开关和电容器Cs的瞬时总电流 isc根据流过滤波器网络34的输出端的电流I1和流过LC对36的电流i2来写出。使用基 波与谐波相量分量，即I1和i2的直轴和交轴坐标值 ,ΛΘ) = L+il\{hdh 一、)sin(秘)+ (、-I2cih )COS(秘)]公式⑴
h=}其中，θ是RF周期内任意的弧度角，在δ和2π + δ之间，其中δ是开关控制信 号14a的相对于任意参考的相位角；id。是电流I1的dc分量；h是范围从1到任意数η的谐 波数、和、分别是电流I1和i2的第h谐波的直轴分量；ilih和i2qh分别是电流I1和i2的 第h谐波的交轴分量。在RF周期期间，通过功率开关Ql的电流的平均值通过以下公式给出，其中功率开 关Ql在角度δ和π +δ之间接通并导电
1 π+δ；；0=— 汐)公式(2)
^71 δ注意isQ应当等于从DC电压Vde取出的dc电流，并且该事实可以用于检验通过该 分析将获得的任何解的正确性。
在RF周期期间，在θ角处的跨功率开关Ql的瞬时电压vs通过以下公式给出 1 “
权利要求
一种射频(RF)功率发生器，包括根据第一控制信号产生第一RF信号的第一开关式放大器；以及根据第二控制信号产生第二RF信号的第二开关式放大器，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号确定所述第一RF信号和所述第二RF信号之间的相位差，并且其中输出信号包络基于所述第一RF信号和所述第二RF信号以及所述相位差，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号交替所述第一RF信号和所述第二RF信号的相位。
2.根据权利要求1所述的RF功率发生器，其中在所述相位交替的同时，所述相位差的 大小是恒定的。
3.根据权利要求1所述的RF功率发生器，进一步包括第一变压器和第二变压器，所 述第一变压器和所述第二变压各自将所述第一 RF信号和所述第二 RF信号中的相应RF信 号传输至负载。
4.根据权利要求1所述的RF功率发生器，其中所述第一开关式放大器和所述第二开关 式放大器是E类放大器。
5.根据权利要求1所述的RF功率发生器，其中所述第一开关式放大器和所述第二开关 式放大器是D类放大器。
6.根据权利要求6所述的RF功率发生器，其中所述D类放大器各自都包括电感_电容 (LC)电路。
7.根据权利要求6所述的RF功率发生器，其中所述LC电路各自都包括相应的电感钳 位电路。
8.根据权利要求7所述的RF功率发生器，其中所述电感钳位电路包括二极管。
9.一种用于操作射频(RF)功率发生器的方法，包括根据第一控制信号产生包括第一相位的第一 RF信号；根据第二控制信号产生包括第二相位的第二 RF信号；跨负载施加所述第一 RF信号和所述第二 RF信号；改变所述第一控制信号和所述第二控制信号以控制通过所述第一 RF信号和所述第二 RF信号施加到所述负载的RF包络；以及交替所述第一 RF信号和所述第二 RF信号的相位。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在交替所述相位的同时将所述相位差的 大小保持为恒定。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括对所述RF信号与所述负载进行阻抗匹配。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供用于产生所述第一RF信号和所述第 二 RF信号的E类放大器。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供用于产生所述第一RF信号和所述第 二 RF信号的D类放大器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述D类放大器各自都包括相应的电感-电容 (LC)电路。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述LC电路各自都包括相应的电感钳位电路。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电感钳位电路包括二极管。
17.一种射频(RF)功率发生器，包括根据第一控制信号产生第一 RF信号的第一 E类放大器；以及 根据第二控制信号产生第二 RF信号的第二 E类放大器，其中所述第一控制信号和所述 第二控制信号交替所述第一 RF信号和所述第二 RF信号的相位，同时在每个相位交替期间 将所述第一 RF信号和所述第二 RF信号之间的相位差保持为恒定，并且其中输出信号包络 基于所述第一 RF信号和所述第二 RF信号以及所述相位差。
18.根据权利要求17所述的RF功率发生器，其中每个E类放大器都包括电感钳位电路。
全文摘要
一种射频(RF)功率发生器，包括根据第一控制信号产生第一RF信号的第一开关式放大器以及根据第二控制信号产生第二RF信号的第二开关式放大器。所述第一控制信号和所述第二控制信号确定所述第一RF信号和所述第二RF信号之间的相位差。输出信号包络基于所述第一RF信号和所述第二RF信号以及所述相位差。所述第一控制信号和所述第二控制信号交替所述第一RF信号和所述第二RF信号的相位。
文档编号H03F3/217GK101981810SQ200980111174
公开日2011年2月23日 申请日期2009年4月7日 优先权日2008年7月1日
发明者塞沙德里·西瓦库马尔, 阿卜杜拉·埃尔奥卢 申请人:Mks仪器有限公司