本文描述的主题的实施例总体涉及放大器，并且更具体地涉及在各种应用中使用的射频(rf)功率放大器。
背景技术：
一般而言，放大器用于增大信号的功率。例如，放大器可以用于将低功率射频(rf)信号转换为更大的rf信号以驱动发射器的天线。在这种情况下，可以将放大器实现为由rf传输系统使用的整体功率放大器的一部分。
放大器性能的一种测量是回退功率。一般而言，放大器的回退功率表示获得最高效率的点处的输出功率除以最大输出功率(p-3db)，以分贝(db)表示回退功率。
不幸的是，一些现有的功率放大器设计已经相对于回退功率受限制。例如，一些现有的对称功率放大器设计已经将其能力限制为提供任意回退功率。作为另一个示例，已经要求一些现有的非对称功率放大器来实现低功率使用率以获得需要的高回退功率。具体地，一些现有的对称功率放大器设计已经被限制为提供大约6db的回退功率。因此，仍然存在对提供高性能和可控回退功率的放大器的需求。
附图说明
通过在连同附图考虑时参考详细描述和权利要求，可以得到主题的更完整的理解，其中相同的附图标记贯穿附图涉及相同元件。
图1是根据示例实施例的放大器的一部分的示意图；
图2a是根据示例实施例的对称放大器装置的示例性相移值和回退功率的图示表示；
图2b是根据示例实施例的效率百分比相对回退功率的图示表示；
图3是根据示例实施例的示例性doherty放大器的一部分的电路图；以及
图4是包括根据示例实施例的放大器的一部分的示例性封装的装置的透视剖视图。
具体实施方式
本文描述的实施例可以提供具有改善的性能的半导体装置，并且尤其可以提供具有改善的性能的放大器装置。例如，本文描述的实施例包括通常用于射频(rf)应用中的放大器装置。本文描述的放大器装置使用多个移相器来提供改善的回退功率。具体地，可以用具有选择来提供需要的回退功率的相移值的移相器来实现放大器装置。如此配置，放大器装置可以提供改善的高效率、线性度和高功率性能。
现在转向图1，示出了示例性放大器装置100的一部分的示意图。放大器装置100包括第一移相器102、第一放大器104、第二移相器106、第二放大器108、第三移相器110以及结合节点112。第一移相器102的输出耦接到第一放大器104的输入，并且第一放大器104的输出耦接到第二移相器106的输入。类似地，第二放大器108的输出耦接到第三移相器110的输入。第二移相器106和第三移相器110的输出在结合节点112处耦接在一起以提供放大器装置110的输出。
根据本文描述的实施例，通过各移相器102、106和110提供的相移被选择来得到需要的回退功率。具体地，为了提供需要的回退功率，第一移相器102被配置为引入相移θ1，第二移相器106被配置为引入相移θ2，并且第三移相器110被配置为引入相移θ3。应当注意，这种相移将通常是频率依赖的，并且在一个实施例中，各移相器102、106和110被配置为在期望的rf输入信号的中心操作频率处提供选择的相移中的每一个。
此外，在一个实施例中，各移相器102、106和110被选择为都提供非正交相移。在这种实施例中，相移θ1、θ2和θ3将都为非正交相移，其中术语“非正交相移”指的是不为+/-90度的倍数的相移。因此，非正交相移是非+/-90、+/-180、+/-270、+/-360等的非零相移。
此外，在一个将在以下更详细描述的具体实施例中，第一移相器102、第二移相器106和第三移相器110被实现为使得θ1＝θ3-θ2。当如此提供时，移相器102、106和110可以提供需要的回退功率。此外，上述等式还可以重新排列为θ1+θ2＝θ3，表明相移被选择为使得通过第一放大路径(包括放大器104)和通过第二放大路径(包括放大器108)施加相等的总相位延迟。这确保通过第一和第二放大路径被放大的信号在结合节点112处同相地重新结合。
作为更具体的示例，θ1可以具有在大约5度与大约89度之间的相移值，θ2可以具有在大约5度与大约85度之间的相移值，并且θ3具有在大约91度与大约105度之间的相移值。作为更具体的示例，θ1可以具有在大约40度与大约89度之间的相移值，θ2可以具有在大约5度与大约70度之间的相移值，并且θ3具有在大约91度与大约105度之间的相移值。在其它示例实施例中，θ1、θ2和θ3可以具有在以上给出范围之外的值。
各种装置和结构可以用于实现移相器102、106和110。作为非限制性的示例，可以用具有被配置为提供需要的相移的电气长度的传输线来实现移相器102、106和110。这种传输线可以实现为图案化的导体、微带线和/或在集成无源装置(ipd)内的导电特征部。此外，在这种实现方式中，移相器102、106和110将通常各自实现为在特定频率(例如，在期望或者可能为放大器装置100的中心操作频率f0)处提供其需要的相移。
在典型的实施例中，构成放大器装置100的组件将被安装在半导体装置封装中，其中封装提供包围放大器装置100和用于接入放大器装置100的输入、输出和其它节点(例如，偏置节点)的两个或多个引线的结构。因此，如本文使用的，术语“封装”指的是与主要电气组件(例如，半导体管芯、分立装置、输入和输出引线以及各种电气互连)耦接的结构性组件(例如，包括法兰(flange)或基板)的集合，其中这种“封装”是可以耦接到包括放大器的其它部分的印刷电路板(pcb)或其它基板的不同的装置。
在一个具体实现方式中，放大器装置100可以实现为doherty放大器。在这种实施例中，第一放大器104可以实现为峰值放大器，并且第二放大器108可以实现为载波放大器。以下将参考图3讨论这种doherty放大器的详细示例。
此外，放大器装置100可以实现为对称放大器或者非对称放大器。一般而言，对称放大器是第一放大器104和第二放大器108具有相等的功率能力的放大器。以另一种方式陈述，定义为r＝p第一放大器/p第二放大器的放大器功率比在对称放大器中等于一(r＝1)。与此相反，在典型的非对称放大器中，第一放大器104具有比第二放大器108更大的功率能力，使得r>1。
如上所述的，可以用选择来提供需要的回退功率的移相器102、106和110来实现放大器装置100。作为一个具体示例，其中γ是需要的回退功率，vbk是第一放大器104的标准化的开通或导通电压，并且r是放大器功率比，
并且第三移相器110的相移θ3可以表示为：
以及第二移相器106的相移θ2可以表示为：
θ2＝θ3-θ1
将它们结合在一起，这些等式可以用于确定需要来提供需要的回退功率γ的相移θ1、θ2和θ3。现在转向图2a，图250示出了对称放大器(例如，对称doherty放大器)中由移相器102、106和110提供的相移(以度表示)和需要的回退功率(以db表示)之间的示例性关系。具体地，图2a中的曲线显示了θ1、θ2和θ3的值，当在放大器中实现时，它们提供需要的回退功率。如可以在该示例中看出的，通过选择θ1、θ2和θ3的适当值，可以提供在-10.0db与-6.0db之间的回退功率。例如，对于-7.0db的需要的回退功率，θ1可以具有大约60度的相移，θ2可以具有大约40度的相移，并且θ3可以具有大约102度的相移。因此，本文描述的实施例提供了通过选择和实现适当的相移值θ1、θ2和θ3来修整放大器装置100使其具有需要的回退功率的能力。图2a中显示的曲线可以从显示的路径轻微偏移。
现在转向图2b，图275示出与传统的对称doherty放大器相比，示例性实施例的对称放大器效率(以百分比表示)相对回退功率(以db表示)。具体地，以实线示出示例性实施例的放大器效率，而以虚线示出传统对称doherty放大器效率。如可以在图275看出，放大器的效率曲线在大约-10db处被“拉起”(用垂直箭头指示)，此处对应于需要的回退功率的值。因此，这种放大器可以提供在需要的回退功率处的相对高的效率。
作为一个具体示例，对于其中r＝1的对称放大器装置，通过提供相移θ1＝50.7113度、相移θ2＝53.9657度以及相移θ3＝104.677度，可以获得-8db的回退功率。作为对称放大器装置100的另一个示例，通过提供相移θ1＝37.762度、相移θ2＝66.716度以及相移θ3＝104.478度，可以获得-10db的回退功率。
作为r＝1.5以及vbk＝0.25的非对称放大器装置100的另一个示例，通过提供相移θ1＝50.769度、相移θ2＝50.768度以及相移θ3＝101.536度，可以获得-10db的回退功率。作为r＝2并且vbk＝0.3的非对称放大器装置100的另一个示例，通过提供相移θ1＝70.6度、相移θ2＝25.4度以及相移θ3＝96度，可以获得-10db的回退功率。
如上所述，在一些实施例中，放大器装置100可以实现为修改的doherty放大器。现在转向图3，示出了示例性doherty放大器装置300的一部分的示意图。doherty放大器装置300包括第一非正交移相器302、峰值放大器304、第二非正交移相器306、载波放大器308以及第三非正交移相器310。doherty放大器装置300的一些或全部部分可以安装在半导体装置封装312内。当输入分路器和输出结合器两者都在封装内实现时，封装至少包括输入引线314和输出引线316。输入引线314被配置为接收rf输入信号，并且该rf输入信号被分开，rf信号的第一部分被施加到第一非正交移相器302的输入，并且rf信号的第二部分被施加到载波放大器308的输入。第一移相器302的输出耦接到峰值放大器304的输入，并且峰值放大器304的输出耦接到第二移相器306的输入。类似地，载波放大器308的输出耦接到第三非正交移相器310的输入。第二非正交移相器306和第三非正交移相器310的输出结合在一起以向输出引线316提供经放大的rf信号。
根据本文描述的实施例，由各移相器302、306和310提供的相移被选择来得到需要的回退功率。具体地，为了提供需要的回退功率，第一移相器302还被配置为引入非正交相移θ1，第二移相器306还被配置为引入非正交相移θ2，并且第三移相器310被配置为引入非正交相移θ3。可以根据以上描述的等式确定这些相移θ1、θ2和θ3的值。当如此实现时，修改的doherty放大器装置300可以提供所选择的回退功率。
在典型的实现方式中，doherty放大器装置300可以实现为对称放大器，其中用相同尺寸和数量的装置来实现峰值放大器304和载波放大器308。此外，峰值放大器304和载波放大器308两者均可以实现为单级或多级放大器。在多级的实现方式中，峰值放大器304和载波放大器308两者都可以包括串联耦接在一起的多个晶体管。例如，峰值放大器304可以包括一个或多个晶体管(例如，包括驱动器晶体管和最终级晶体管)，并且载波放大器308可以包括一个或多个其它晶体管(例如，包括驱动器晶体管和最终级晶体管)。
在典型的实施例中，将用具有相对高的功率能力的合适的能够进行rf的晶体管来实现峰值放大器304和载波放大器308。例如，可以用氮化镓(gan)高电子迁移率晶体管(hemt)、横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)晶体管或其它类型的晶体管来实现峰值放大器304和载波放大器308。
另外，一些实施例可以包括与载波放大器308并联耦接的多个峰值放大器304以增大功率能力。
在一些实施例中，峰值放大器304和载波放大器308被不同地偏置。例如，峰值放大器304可以偏置于c类(或深c类)，而载波放大器308偏置于ab类。这种偏置可以有利于doherty放大器装置300的更高的效率、增益和/或更高线性度。
还可以以各种方式来实现移相器302、306和310。作为非限制性的示例，可以用具有被配置为提供需要的相移的电气长度的传输线来实现移相器302、306和310。这种传输线可以实现为图案化的导体、微带线和/或ipd内的导电特征部。
作为第一示例，移相器302、306和310可以实现为ipd中的一个或多个导体。一般而言，使用诸如光刻的晶圆级或管芯级的制备技术来形成ipd。因此，在这种示例中，可以通过沉积和图案化导电材料来在晶圆上形成移相器302、306和310，以使得它们具有选择的长度和其它需要的特征。然后晶圆被切割以限定包括移相器302、304和310中的一个或多个的分离管芯，并且该管芯与doherty放大器装置300的其它元件一起封装(例如，耦接到封装法兰或基板)。
作为第二示例，移相器302、306和310可以实现为限定在pcb基板上的导体。在该示例中，移相器302、306和310可以被印制在pcb基板上和/或pcb基板层内以具有选择的长度，并且然后和放大器装置300的其它元件一起放置在封装中(例如，耦接到封装法兰或基板)。
作为更具体的示例，移相器302、306和310可以实现为微带线。一般而言，微带线是包括通过电介质层与地平面分离的导电带的一类传输线。微带线可以形成在各种基板上并且利用各种制造技术，各种基板包括pcb基板和半导体晶圆/管芯基板。在这些实施例的任意一个中，可以将微带线形成为具有选择为提供需要的相移的长度。在这种示例中，传输线可以形成为选择的长度的微带线，并且然后与放大器装置300的其它元件一起放置在封装中。
作为对称doherty功率放大器的一个详细示例，移相器306和310可以用微带线来实现，并且它们的特征阻抗在结合节点320处可以标准化为ropt(例如，vdd/imax)，并且输出阻抗可以推出为ropt/2。并且更具体地，如果这种布置还用作外部输出匹配(例如，封装312的外部)，则它可以实现为功率结合器。例如，在这种实施例下，ropt在rf电路中通常可以是50ω。
作为非对称doherty功率放大器的一个详细示例，移相器306和310还可以用微带线来实现。但是在这些实施例中，载波放大器308的输出应当与ropt的值相匹配，并且然后峰值放大器304的输出应当与ropt/r相匹配，并且结合节点320和输出引线316处的阻抗应当与ropt/(1+r)相匹配，其中r还是放大器功率比。
现在转向图4，示出了包括放大器装置的一部分的示例性装置400的透视剖视图。装置400包括封装402，输入引线404和406，接合线阵列408、410、412、414、416、418和420以及输出引线424。还包括载波晶体管管芯426、峰值晶体管管芯428、第一ipd432(其可以包括第一移相器和并联电容器(shuntcapacitor))、第二ipd422(其可以包括第二和第三移相器和结合节点)以及第三ipd430(其可以包括并联电容器)。
根据本文描述的实施例，第一ipd432、第二ipd422各自被制备为包括一个或多个移相器，移相器由选择为得到装置400的需要的回退功率的那些移相器来提供。具体地，为了提供需要的回退功率，第一ipd432被配置为具有第一移相器(例如，第一移相器102)以引入相移θ1。类似地，第二ipd422被配置为具有第二移相器(例如，第二移相器106)以引入相移θ2以及第三移相器(例如，第三移相器110)以引入相移θ3。第二ipd422还可以包括结合器(例如，结合节点122)以将第二和第三移相器的输出进行结合。最终，还应当注意到，装置400是放大器的一部分的简化表示，并且在更典型的实现方式中，放大器将包括图4中未示出的另外的特征。
封装402包括耦接有各种管芯的封装基板(例如，由具有各种导电特征部的pcb材料形成)或法兰(例如，刚性导电组件)。封装基板或法兰可以提供装置的电气接地参考(例如，载波晶体管管芯426和峰值晶体管管芯428中晶体管的源极)。封装402还可以包括将封装基板或法兰与引线404、406、424电气隔离的隔离件，或者替换地可以包括提供这种电气隔离的包覆物。在各种实施例中，封装402可以是气腔封装或包覆成型(密封)封装。
本文描述的实施例可以提供具有改善的性能的半导体装置，并且更具体地提供具有改善的性能的放大器装置。例如，本文描述的实施例包括通常用于射频(rf)应用中的放大器装置。本文描述的放大器装置使用多个移相器来提供改善的回退功率。具体地，可以用具有选择为提供需要的回退功率的相移值的移相器来实现放大器装置。如此配置从而放大器装置可以提供改善的装置效率、线性度和高功率性能。
在第一实施例中，提供了放大器装置，其包括：第一移相器，该第一移相器具有输入和输出，该第一移相器被配置为引入相移θ1；第一放大器，该第一放大器具有输入和输出，该第一放大器的输入耦接到第一移相器的输出；第二移相器，该第二移相器具有输入和输出，该第二移相器的输入耦接到第一放大器的输出，该第二移相器被配置为引入相移θ2；第二放大器，该第二放大器具有输入和输出；以及第三移相器，该第三移相器具有输入和输出，该第三移相器的输入耦接到第二放大器的输出，该第三移相器被配置为引入相移θ3。
在第二实施例中，提供了doherty放大器装置，其包括：装置封装，该装置封装包括输出引线和输入引线，输入引线被配置为接收具有中心操作频率f0的rf输入信号，装置封装包住：第一移相器，该第一移相器具有输入和输出，该第一移相器的输入耦接到输入引线，至少移相器被配置为向具有f0频率的信号引入非正交相移θ1；峰值放大器，该峰值放大器具有输入和输出，峰值放大器的输入耦接到第一移相器的输出；第二移相器，第二移相器具有输入和输出，该第二移相器的输入耦接到峰值放大器的输出，第二移相器被配置为向具有频率f0的信号引入非正交相移θ2，第二移相器的输出耦接到输出引线；载波放大器，该载波放大器具有输入和输出，载波放大器的输入耦接到输入引线；以及第三移相器，该第三移相器具有输入和输出，该第三移相器的输入耦接到载波放大器的输出，第三移相器被配置为向具有频率f0的信号引入非正交相移θ3，第三移相器的输出耦接到输出引线。
前面的详细描述在本质上仅仅是说明性的，并且不意在限制主题或应用的实施例以及这些实施例的使用。如本文使用的，词“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”。本文描述的作为示例性的任何实现方式不必解释为优选的或者相对于其它实现方式有优势。此外，不意在受到前面的技术领域、背景技术或具体实施方式中呈现的任何表现或暗示的理论的约束。
此外，本文包含的各个附图中示出的连接线意在表示各元件之间的示例性功能关系和/或物理耦接。应当注意，可以在主题的实施例中呈现许多替换的或附加的功能关系或物理连接。此外，仅为了引用的目的，还可以在本文中使用特定术语，并且因此不意在限制，并且除非上下文清楚地表明以外，涉及结构的术语“第一”、“第二”和其它这种数词不暗示次序或顺序。
如本文使用的，“节点”意味着存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或逻辑量(quantity)处的任何内部或外部参考点、连接点、结、信号线、导电元件等。此外，通过一个物理元件可以实现两个或多个节点(并且，即使在公共节点处被接收或输出，两个或多个信号也可以被多路复用、调制或以其它方式区分)。
前面的描述提及元件或节点或特征部被“连接”或“耦接”在一起。如本文使用的，除非明确另有说明，否则“连接”意味着一个元件直接结合到另一个元件(或与另一个元件直接通信)，而并不一定是机械的连接。同样，除非明确另有说明，否则“耦接”意味着一个元件直接或间接结合到另一个元件(或者与另一元件电气的或以其它方式直接或间接通信)，而不一定机械的耦接。因此，尽管图中示出的示意图描绘了元件的若干个示例性布置，但是可以在描绘的主题的其它实施例中存在另外的中间元件、装置、特征或组件。
虽然在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当意识到，存在大量的变形例。还应当意识到，本文描述的示例性实施例或各实施例并不意在以任何方式限制要求保护的主题的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将向本领域技术人员提供用于实现描述的实施例或各实施例的便捷路径。应当理解，在不脱离由权利要求限定的范围的情况下，可以对元件的功能和布置做出各种改变，权利要求包括已知的等效和提供专利申请时可预见的等效。