用于功率放大器的系统和方法
【专利摘要】用于功率放大器的系统和方法。根据实施例，一种系统包括第一放大器和第一带通滤波器，所述第一带通滤波器具有与所述第一放大器的输出串联耦合的输入以及被配置为耦合到负载的输出。所述带通滤波器在带内中心频率处比在带外频率处具有更低的输入阻抗，并且该第一放大器被配置为接收根据第一传递函数被滤波的脉冲宽度调制波形，所述第一传递函数衰减该脉冲宽度调制波形的边带。
【专利说明】用于功率放大器的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及半导体电路和方法，并且更具体地涉及用于功率放大器的系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着低功率移动通信系统变得更加普遍时，已经出现了增加的减小在移动站和基站两者中的功率的市场压力。这种在功率方面的减小不仅允许较低能量成本，而且允许较低成本和更加紧凑的电路实现方式。当发射设备的功率消耗降低时，存在对高温操作性能额定的电子部件和冷却设备的需求的相应降低。而且，较低功率设备通常在形体上比它们的较高功率消耗的对应物小。
[0003]在射频(RF)发射系统中，主要功率消耗体之一是RF功率放大器。在一些系统中，使用节能的信令机制来增加系统的效率。例如，因为功率放大器可以较接近压缩被操作，和/或因为GSM信令机制适用于使用例如E类放大器的高效功率放大器，所以在GSM系统中使用的恒定包络高斯最小频移键控(GMSK)是非常有效率的。
[0004]然而，随着对高数据带宽的需求不断增加，例如LTE和WiMAX的更多系统正在利用具有高的峰值平均功率比(PAPR)的信令机制。虽然这些高PAPR信令机制是带宽高效的，但是因为发射具有高PAPR的信号的功率放大器工作在较低效的回退(back-off)条件下，它们通常比一些节能的信令机制消耗更多的功率。
【发明内容】
[0005]根据实施例，一种系统包括第一放大器和第一带通滤波器，所述第一带通滤波器具有与所述第一放大器的输出串联耦合的输入以及被配置为耦合到负载的输出。所述带通滤波器在带内中心频率处比在带外频率处具有更低的输入阻抗，并且该第一放大器被配置为接收根据第一传递函数被滤波的脉冲宽度调制波形，所述第一传递函数衰减该脉冲宽度调制波形的边带。
[0006]本发明的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中被阐述。本发明的其它特征，目的，和优点将由该描述和附图以及由权利要求变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]为了更加完全地理解本发明以及其优点，现在参照下面结合附图进行的描述，在附图中:
图la-d示出传统功率放大器电路原理图和相关的性能曲线图；
图2a_g示出实施例功率放大器和相关的性能曲线图；
图3a_g示出根据另一实施例的功率放大器和相关的性能曲线图；
图4a_e示出根据另一实施例的功率放大器和相关的性能曲线图；
图5a_h示出根据又一实施例的功率放大器和相关的性能曲线图； 图6a-f示出图5a的实施例放大器的另一性能曲线图；
图7示出具有多个级的实施例功率放大器；
图8a_h示出实施例共源共栅放大器(cascoded amplifier)和相关的性能曲线图；以
及
图9a_b示出实施例脉宽调制产生器。
[0008]除非另外表明，在不同图中的相应数字和符号通常指代相应部件。所述图被绘制以清楚示出优选实施例的相关方面并且不必要按比例绘制。为了更清楚地说明特定实施例，表示相同结构，材料，或者工艺步骤的变化的字母可跟随在图号之后。
【具体实施方式】
[0009]当前优选实施例的形成和使用在下面被详细地讨论。然而，应该领会到本发明提供了可在很多种特定情况下具体实施的许多适用的发明构思。被讨论的特定实施例仅仅是形成和使用本发明的特定方式的例证，并且不会限制本发明的范围。
[0010]本发明将关于在特定情况下的优选实施例被描述，即供基带和RF发射系统使用的功率放大器。然而，本发明也可以被应用到其它类型的电路和系统，例如音频系统，通信系统，以及其它电子或者光学系统。
[0011]在实施例中，功率放大器包括直接连接到功率放大器的输出的滤波器，所述功率放大器由脉冲宽度调制载波信号驱动。该PWM信号被预失真(predistort)以便在该放大器的输出处(在滤波器前面)产生所需的电压波形。耦合到功率放大器的输出的串联谐振滤波器的高的带外阻抗和经预失真的驱动信号的组合降低了由脉冲宽度调制信号的边带耗散的功率，从而能够实现更节能的操作。在一些实施例中，根据脉宽调制信号的状态，功率放大器的功率消耗被降低，从而能够实现高效操作。
[0012]图1a示出传统功率放大器系统100，其包括脉冲宽度调制(PWM)产生器102，晶体管104，偏置电感器Lbias，LC回路110，循环器或者隔离器106，并联谐振输出滤波器108和由电阻器Rwad表示的负载。输出滤波器108通过由电阻器Rsb终止的隔离器或者循环器106耦合到晶体管104。因此，晶体管104的漏极经历(see)对于由PWM产生器102产生的PWM信号的调制边带的匹配阻抗。因此，PWM信号的边带经历负载阻抗并且边带能量由边带电阻器Rsb耗散。LC回路110为载波的较高次谐波提供短路或者低阻抗以及为调制边带提供开路。
[0013]图1b示出传统系统100的效率对比归一化输出电压的图。假定晶体管104的漏极电压是受脉冲作用的，可以看到被定义为由晶体管104输出的总功率与DC输入功率的比率的放大器的漏极效率120在工作周期上是大约恒定的。因此放大器可以在高效点被操作。被定义为漏极信号的带内能量与总能量的比率的编码效率122随着工作周期线性增加。得到的放大器效率124是漏极效率120和编码效率122的乘积并且示出了与传统B类放大器相似的曲线。
[0014]图1c示出另一传统功率放大器系统130，其中在没有隔离器或循环器的情况下，并联谐振输出滤波器108通过电容器Cd。被连接到晶体管104的漏极。输出滤波器108具有带外信号分量经历短路的特性；因此，由PWM产生器102产生的PWM信号的调制边带也经历短路。因此，晶体管104的PWM调制电流产生晶体管104的解调的漏极电压。由于这个解调电压，功率放大器130可能不以最大电压摆幅操作，从而导致在效率方面的损失。
[0015]图1d示出传统系统130的效率对比归一化输出电压的图。此处，得到的效率曲线134与传统B类放大器相似。因为在边带中损失非常少的能量，编码效率132几乎为100%。当漏极电压随着工作周期变化时，漏极效率136是放大器性能的主导。
[0016]图2a示出根据本发明的实施例的功率放大器系统200。此处，晶体管204的漏极通过输出滤波器208耦合到由电阻器Rumd表示的负载，并且晶体管204的栅极被耦合到由带通滤波器212表示的信号产生电路202和由脉冲产生器218，信号产生器216和混合器214表示的脉冲宽度调制器。谐振器210为较高次谐波提供短路以及为PWM信号的调制边带提供开路。
[0017]在本发明的实施例中，信号产生电路202的脉宽调制和带通滤波函数可以使用本领域中已知的各种技术实现。例如，在一个实施例中，脉冲宽度调制信号Vpwm可以使用数字电路产生并且带通滤波器212可以使用耦合到晶体管204的栅极的模拟带通滤波器实现。可替代地，带通滤波器212的滤波函数也可以在数字域中实现。在一些实施例中，在基带信号被脉冲宽度调制后，带通滤波器212的滤波功能可以被应用在基带处。
[0018]通过使用串联谐振电路用于输出滤波器208，PWM信号的调制边带经历高的阻抗，从而将损失的功率显著地降低到边带功率耗散。输出滤波器208可以使用如示出的串联的LC电路实现，或者可以使用单个或者多个谐振器实现。在一些实施例中，输出滤波器208可以使用陶瓷滤波器，表面声波(SAW)滤波器，或者其它滤波器结构实现，使得在滤波器的带内频率处的输入阻抗低于在带外频率处的输入阻抗。在一些实施例中，输出滤波器208为PWM信号的调制边带提供开路。并联谐振回路210也可以被耦合到晶体管204的漏极以便为载波信号的较高次谐波提供短路并且为所述载波以及PWM信号的调制边带提供开路。
[0019]在一些实施例中，滤波器208的带外输入阻抗具有有限值并且不提供理想的开路。因此，在被引到晶体管204的栅极之前，PWM波形被预失真。在实施例中，该预失真对信号定形，使得在晶体管204的漏极处呈现PWM调制电压波形。在实施例中，该预失真可以通过带通滤波器212实施。为了简化说明，未示出用于晶体管204的输入匹配网络；然而，在一些实施例中，可以存在匹配网络，和/或可以在滤波器212的设计中考虑匹配因素。
[0020]在实施例中，用于载波和(有限的)调制边带的带通滤波器212的传递函数(幅度和相位)被计算如下
【权利要求】
1.一种系统，包括: 第一放大器；和 第一带通滤波器，所述第一带通滤波器具有与所述第一放大器的输出串联耦合的输入和被配置为耦合到负载的输出，所述带通滤波器在带内中心频率处具有比在带外频率处更低的输入阻抗，其中所述第一放大器被配置成接收根据第一传递函数被滤波的脉冲宽度调制波形，所述第一传递函数衰减脉冲宽度调制波形的边带。
2.权利要求1的系统，进一步包括耦合到所述第一放大器的输入的第二带通滤波器，所述第二带通滤波器实现所述第一传递函数。
3.权利要求1的系统，进一步包括耦合到所述第一放大器的输入的信号产生器，所述信号产生器被配置成产生根据第一传递函数被滤波的脉冲宽度调制波形。
4.权利要求3的系统，其中信号产生器包括: 被配置为实现第一传递函数的数字滤波器；和 耦合到所述数字滤波器的脉冲宽度调制器。
5.权利要求1的系统，进一步地其中所述第一传递函数与在所述第一放大器的输出处的归一化阻抗的倒数成比例。
6.权利要求1的系统，进一步包括功率开关电路，其被配置成: 当脉冲宽度调制器输出第一信号电平时，以第一功率消耗水平操作该第一放大器；以及 当脉冲宽度调制器输出第二信号电`平时，以第二功率消耗水平操作该第一放大器，其中该第二功率消耗水平小于该第一功率消耗水平。
7.权利要求6的系统，其中功率开关电路包括耦合到该放大器的电源节点的可变电源。
8.权利要求6的系统,其中功率开关电路包括具有稱合到第一放大器的输入的第一输出端子的旁路开关。
9.权利要求8的系统，其中该系统进一步包括与所述第一放大器并联耦合的第二放大器，该第二放大器具有耦合到旁路开关的第二输出端子的输入，其中所述旁路开关被配置为当所述脉冲宽度调制器输出第一信号电平时，将该第一放大器耦合到该脉冲宽度调制器并且当脉冲宽度调制器输出第二信号电平时将该第二放大器耦合到该旁路开关。
10.权利要求8的系统，其中该第一放大器被耦合到比该第二放大器更高的供给电压。
11.权利要求1的系统，进一步包括与该第一放大器并联耦合的多个另外的放大器，其中该第一放大器和该多个另外的放大器被配置成输出多电平脉冲宽度调制信号。
12.权利要求11的系统，其中该多个另外的放大器被耦合到不同的供给电压，所述不同的供给电压对应于该多电平脉冲宽度调制信号的输出电平。
13.权利要求1的系统，其中该第一放大器包括被偏置电感器加载的场效应晶体管。
14.一种功率放大器,包括: 第一晶体管，其具有耦合到功率放大器的输入的第一控制节点，所述第一晶体管被配置成接收脉冲宽度调制信号； 输出滤波器，其具有耦合到该第一晶体管的第一输出节点的滤波器输入节点和被配置成耦合到负载的滤波器输出节点，所述输出滤波器在带内中心频率处比在带外频率处具有更低的输入阻抗；和 功率开关电路，其被配置成当该脉冲宽度调制信号输出第一信号电平时，以第一功率消耗水平操作功率放大器，并且当脉冲宽度调制信号输出第二信号电平时以第二功率消耗水平操作该功率放大器，其中该第二功率消耗水平小于该第一功率消耗水平。
15.权利要求14的功率放大器，其中该输出滤波器包括串联谐振 电路。
16.权利要求14的功率放大器，进一步包括耦合到该第一晶体管的输出节点的并联谐振回路电路。
17.权利要求14的功率放大器，其中该功率开关电路包括: 第二晶体管，其具有耦合到该第一晶体管的第一输出节点的第二输出节点；和 选择开关，其选择地将该第一晶体管的该第一控制节点和该第二晶体管的第二控制节点耦合到功率放大器的输入。
18.权利要求17的功率放大器，其中: 该选择开关被配置为当脉冲宽度调制信号输出第一信号电平时，将该第一晶体管的第一控制节点耦合到功率放大器的输入；并且 该选择开关被配置为当脉冲宽度调制信号输出第二信号电平时，将第二晶体管的第二控制节点耦合到功率放大器的输入。
19.权利要求14的功率放大器，进一步包括耦合到该功率放大器的输入的输入滤波器，该输入滤波器被配置为根据第一传递函数衰减脉冲宽度调制信号的边带。
20.权利要求19的功率放大器，其中第一传递函数与在所述第一晶体管的第一输出节点处看到的归一化阻抗的倒数成比例。
21.权利要求19的功率放大器，其中该输入滤波器包括数字滤波器。
22.权利要求14的功率放大器，进一步包括被配置为产生脉冲宽度调制信号的信号产生器。
23.权利要求22的功率放大器，其中脉冲宽度调制信号根据第一传递函数被滤波，该第一传递函数与在该第一晶体管的第一输出节点处看到的归一化阻抗成反比。
24.一种操作功率放大器的方法，该方法包括: 接收根据第一传递函数被滤波的输入脉冲宽度调制信号； 使用第一放大器放大输入脉冲宽度调制信号，以形成放大的脉冲宽度调制信号； 当输入脉冲宽度调制信号在第一信号电平时，以第一功率消耗水平操作所述第一放大器； 当输入脉冲宽度调制信号在第二信号电平时，以第二功率消耗水平操作所述第一放大器，其中该第二功率消耗水平小于该第一功率消耗水平； 使用具有比带外阻抗更低的带内阻抗的滤波器对被放大的脉冲宽度调制信号滤波，以形成被滤波的和被放大的脉冲宽度调制信号；以及 将被滤波的和被放大的脉冲宽度调制信号耦合到负载。
25.权利要求24的方法，进一步包括产生输入脉冲宽度调制信号。
26.权利要求24的方法，其中该第一传递函数与在第一放大器的输出处的归一化阻抗成反比。
27.权利要求24的方法，其中以第二功率消耗水平操作该第一放大器包括降低该第一放大 的偏置电压。
【文档编号】H03F3/50GK103684300SQ201310396672
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2012年9月4日
【发明者】M.马塔尔恩, C.舒伯特, D.泽巴歇尔, P.辛格尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司