用于氮化镓放大器的移相器及相关方法与流程

本技术涉及一种保护诸如氮化镓(gan)器件之类的器件免受能够损坏或毁坏该器件的操作条件影响的电路。

相关技术

近年来，gan半导体材料因其良好的电学和电光特性而受到广泛关注。gan具有约3.4ev的宽直接带隙。由于其宽带隙，与硅和砷化镓等更常见的半导体材料相比，gan更能抵抗雪崩击穿并且具有更高的固有场强。另外，与硅或砷化镓等其他半导体相比，gan能够在更高的温度下保持其电学性能。与硅相比，gan还具有更高的载流子饱和速度。另外，gan具有纤锌矿晶体结构，是一种硬材料，具有很高的导热性、并且具有比其他传统半导体(如硅、锗和砷化镓)高得多的熔点。因此，gan可用于高速、高压和大功率应用。例如，gan材料可以用作用于射频(rf)通信、雷达和微波应用的半导体放大器中的有源电路部件。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种用于向负载提供信号的设备。该设备可包括氮化镓(gan)射频(rf)放大器、温度传感器、移相器和控制电路，其中，ganrf放大器包括输出端，并且配置成通过输出端输出rf信号；温度传感器热耦合到ganrf放大器，并配置成感测ganrf放大器的温度；移相器电耦合到ganrf放大器的输出端；控制电路与温度传感器和移相器耦合，并且配置成从温度传感器接收表示ganrf放大器温度的数据，并至少部分基于表示ganrf放大器温度的数据，使移相器将rf信号的相位移动一相位量，直到ganrf放大器的温度在安全温度范围内。

在一些实施例中，控制电路配置成：当确定表示ganrf放大器温度的数据大于阈值时，使移相器移动rf信号的相位。

在一些实施例中，相位量选自一组离散的可选相位量。

在一些实施例中，该组离散的可选相位量包括大约零和大约π。

在一些实施例中，相位量选自一组连续的可选相位量。

在一些实施例中，移相器包括微带移相器。

在一些实施例中，移相器包括pin二极管混合移相器。

在一些实施例中，ganrf放大器、温度传感器、移相器和控制电路布置在公共衬底上。

在一些实施例中，温度传感器选自热敏电阻、热电偶和硅带隙温度传感器。

在一些实施例中，相位量是可调的。

根据本申请的另一方面，提供了一种用于向负载提供信号的方法。该方法可包括：使用氮化镓(gan)射频(rf)放大器输出rf信号；使用温度传感器感测ganrf放大器的温度；以及移动rf信号的相位直到感测到的ganrf放大器的温度在安全温度范围内。

在一些实施例中，移动rf信号的相位直到感测到的ganrf放大器的温度在安全温度范围内包括：移动rf信号的相位直到感测到的ganrf放大器的温度低于阈值。

在一些实施例中，移动rf信号的相位包括：将rf信号的相位移动预定的相位量。

在一些实施例中，预定的相位量选自一组离散的可选相位量。

在一些实施例中，该组离散的可选相位量包括大约零和大约π。

在一些实施例中，预定的相位量选自一组连续的可选相位量。

根据本申请的另一方面，提供了一种用于向负载提供rf信号的系统。该系统可包括：氮化镓(gan)射频(rf)放大器，该ganrf放大器包括输出端并且配置成通过输出端输出rf信号；温度传感器，其布置在ganrf放大器附近并配置成感测ganrf放大器的温度；移相器，其电耦合到ganrf放大器输出端；以及控制电路，其与温度传感器和移相器耦合，并且配置成：接收来自温度传感器的表示ganrf放大器温度的数据，并至少部分基于表示ganrf放大器温度的数据使移相器移动rf信号的相位，使得ganrf放大器的温度受限。

在一些实施例中，控制电路配置成使移相器使rf信号的相位移动预定的相位量。

在一些实施例中，该预定的量是可调的。

在一些实施例中，该预定的量可选自一组离散的可选相位量。

上述设备和方法实施例可以包括在与上述或下面进一步详细描述的方面、特征和动作的任何合适的组合内。从以下结合附图的描述中，可以更全面地理解本发明的这些和其他方面、实施例和特征。

附图说明

本领域技术人员将理解，本文描述的附图仅用于说明目的。应理解，在某些情况下，实施例的各个方面可能被夸大或放大，以便于理解实施例。这些图不一定要按比例绘制，重点在于说明本发明的原理。在附图中，相同的附图标记在各个附图中通常指代相同的特征、功能相似和/或结构相似的元件。所描绘的器件或电路可以集成在较大的电路中。

当在以下具体实施方式中引用附图时，可使用空间参考“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”等。这些参考用于说明目的，并不旨在作为具体器件的绝对参考。使用术语“在……上”和“在……之上”是为了便于相对于附图解释，而不作为绝对方向参考。实施的器件可以以任何合适的方式在空间上定向，该方式可以与附图中所示的取向不同。这些附图不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1是根据一些实施例的用于向负载提供射频(rf)信号的系统的框图；

图2是根据一些实施例的用于向负载提供rf信号的方法的流程图；

图3a是根据一些实施例的随相位变化的电流和电压的曲线图；

图3b是根据一些实施例的随相位变化的放大器耗散的功率的曲线图；

图4是根据一些实施例的第一rf信号和具有与第一rf信号相反相位的第二rf信号的曲线图；

图5是根据一些实施例的移相器示例的电路图；

图6是根据一些实施例的表示具有不同相位的rf信号的多个点的史密斯圆图；

图7示出了根据一些实施例的用于驱动微波炉的rf放大器的示意图。

通过下面结合附图给出的具体实施方式，所示实施例的特征和优点将变得更加明显。

具体实施方式

如上所述，因为氮化镓(gan)具有良好的材料特性，所以包含gan材料的晶体管可用于高速、高压和大功率应用。与rf通信、雷达和微波相关的一些应用可能对包括gan晶体管的器件提出苛刻的性能要求。例如，一些应用可能需要能够将信号放大到大约50瓦至大约200瓦的功率水平的大功率晶体管。

相对于硅基晶体管，gan晶体管的优良特性也带来了新的限制性。例如，gan晶体管的栅源击穿电压可随gan晶体管温度的升高而降低。gan晶体管的温度可能因为由操作条件变化引起的gan晶体管中电流强度的增加而升高。较低的栅源击穿电压可能增加gan晶体管中的栅源漏电流，并可能导致gan晶体管完全失效。

发明人已经认识到，通过在gan晶体管和负载之间引入相移，可以防止gan晶体管因过电流或过电压条件引起的过热而失效。这样，gan晶体管看到的有效阻抗可以被改变，并且可以被设置为减少gan晶体管受热的值。当事先不知道负载阻抗和/或当负载阻抗随时间变化时，这种方法可以特别有用。

发明者设想并开发了各种电路及其操作方法，以监测gan晶体管(或其他器件)的温度，并在温度超出安全温度范围时调整晶体管看到的阻抗。本文使用的表述“安全温度范围”指不会使gan晶体管有损坏风险的温度(例如，由漏源电流引起的损坏)。

在一些实施例中，例如可以使用控制电路通过接收由设置在gan晶体管附近的温度传感器获得的数据，来监测gan晶体管的温度。如果确定温度超出安全温度范围，控制电路可以使移相器沿着信号路径在氮化镓晶体管和负载之间引入相移。可以改变相位，直到rf晶体管的温度被认为是安全的。在一些实施例中，相位可以以离散量变化，例如以大约45°、大约90°或大约180°变化。在其他实施例中，相位可以连续变化。应该理解，本文所公开的电路和相关方法可以很容易地用于保护除gan晶体管以外的器件。

图1示出了根据一些非限制性实施例的向负载提供射频(rf)信号的系统的框图。系统100可以包括ganrf放大器102、温度传感器104、移相器106和控制电路108。系统100可以与负载110连接。ganrf放大器102，在本文中也称为“放大器”，可以包括一个或更多个gan晶体管，例如一个或更多个gan金属-半导体场效应晶体管(mesfet)或高电子迁移率晶体管(hemt)。替代地或另外地，放大器102可包括基于其他iii-氮化物材料的一个或更多个晶体管，该iii-氮化物材料例如为氮化铝(aln)、氮化铟(inn)或其任何合适的合金。ganrf放大器102可以通过输入端(图1中未示出)接收输入rf信号并在输入端输出rf输入信号的放大版本。放大的信号可以有任何合适的频率或频率范围。例如，放大的信号可以具有在10mhz至100ghz、100mhz至10ghz、910mhz至920mhz、2.4ghz至2.5ghz或在该范围内的任何其他合适范围内的载波频率。在一些实施例中，放大的信号具有10mw至1kw的功率，或在该范围内的任何范围内的功率(例如，rms功率)。

温度传感器104可以设置在ganrf放大器102附近。例如，温度传感器104可以设置成热耦合到ganrf放大器102。通过这种方式，温度传感器104可对ganrf放大器内特定位置的温度(例如，管芯表面的温度、衬底的温度或gan晶体管结的温度)敏感。温度传感器104可以使用任何合适类型的传感器来实现，例如热电偶、热敏电阻或硅带隙温度传感器。温度传感器104可输出表示所感测的温度的信号。例如，输出信号可与所感测的温度成比例。

移相器106可以耦合到ganrf放大器102的输出端，并能接收放大的信号。移相器106可以配置成移动放大的信号的相位，从而改变放大器看到的阻抗。通过这种方式，可以限制由负载反馈回放大器的功率。移相器106可以引入任何所需的相移量，相移可以离散地或连续地变化。移相器106可以使用任何合适类型的电路来实现，例如混合耦合器正交移相器、lange耦合器正交移相器或环形正交移相器。在一些实施例中，可能需要限制与移相器106相关的插入损耗。为了限制这种损耗，可以使用微带移相器。

控制电路108可以耦合到温度传感器104，并且可以配置成接收表示ganrf放大器的温度的信号。另外，控制电路108可以耦合到移相器106，并且可以配置成当所感测的温度在安全温度范围之外时使移相器将放大的信号的相位移动期望的值。例如，当ganrf放大器的温度高于预定的阈值温度时，控制电路可以触发相移。控制电路可配置成触发任何合适量的相移。在一些实施例中，相移范围0°-360°可以分为2ⁿ个区间，其中n可以是等于或大于1的任何整数。每个区间可以对应于相移的可选值。在一个非限制性示例中，可以将范围分为两个区间，并且一组可选值可以包括约0°(例如-10°到10°)和约180°(例如170°到190°)。当放大器的温度在安全温度范围内时，可选择零，否则可选择180°。在另一个非限制性示例中，一组可选值可以包括约0°、约90°、约180°和约270°。可以改变相位，直到温度传感器感测到的温度是安全的。控制电路108可以使用任何合适类型的电路来实现，例如微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)和/或现场可编程门阵列(fpga)。控制电路还可以包括存储器，用于存储对应于安全温度范围(例如，阈值温度)的数据。

在一些实施例中，ganrf放大器102、温度传感器104、移相器106和控制电路108中的至少两个可以设置在相同的衬底——例如印刷电路板(pcb)——上。在一些实施例中，ganrf放大器102、温度传感器104、移相器106和控制电路108中的至少两个可以使用合适的封装技术(例如引线键合或倒装芯片键合)进行键合，

负载110可以包括微波炉、天线、雷达设备、蜂窝电话发射器、等离子照明系统、等离子发射系统或配置成接收微波信号的任何其他合适类型的负载。在一些实施例中，负载110可以表现出预先未知的阻抗。因此，当负载由系统100驱动时，负载体现的功率可能是未知的。另外地或替代地，负载110的阻抗可能随时间变化。例如，当负载从系统100接收功率时，负载的物理特性(例如电阻和/或电抗)可以发生变化。在这种情况下，可以调整由移相器106提供的相移以相应地改变。

图2示出了根据一些非限制性实施例的向负载提供rf信号的方法的流程图。在一些实施例中，可以使用系统100来实现方法200。方法200可从动作202开始。在动作204处，ganrf放大器可以输出rf信号，并且可以向负载提供该rf信号。根据ganrf放大器看到的阻抗，输出功率的一部分可以作为反馈信号返回到放大器。这种反馈信号可能导致ganrf放大器的温度升高，例如gan晶体管的结温度升高。在动作206处，热耦合到ganrf放大器的温度传感器可感测ganrf放大器的温度，并且可以产生表示这种温度的信号。在一些实施例中，可以校准所感测的温度以与放大器内的gan晶体管的结的温度成比例。在动作208处，确定所感测的温度是否在安全温度范围内，例如温度是否高于或低于阈值温度。可以使用耦合到温度传感器的控制电路来执行这种确定。如果确定温度在该范围内，则控制电路不执行任何动作，并且温度传感器可以继续感测ganrf放大器的温度。否则，如果确定温度在该范围之外，则可以在动作210处改变放大器输出的信号的相位。可以离散地或连续地移动相位，直到ganrf放大器的温度在安全范围内。只要放大器向负载输出信号，方法200就可以继续。

如上所述，负载的阻抗可能是未知的。因此，传输到负载的信号的功率和反馈信号的功率也可能是未知的。图3a是示出包括电压和相应电流的信号的示例的曲线图。特别地，曲线图300示出了随反馈信号的相位变化的、放大器102的输出端获得的电压v0和放大器102输出的电流i0。在图3a中，曲线302表示i0，而304表示v0。在该示例中，i0在大约95°处呈现出最大值，而v0在大约155°处呈现出最大值。

ganrf放大器的耗散功率可由传输到负载的功率和反馈功率的组合给出。耗散功率的示例在图3b的曲线301中示出。在该示例中，功率306在大约125°处呈现出最小值。具有最小耗散功率的情况下，125°周围的曲线301的区域呈现出放大器温度的相应最小值。为了避免损坏放大器，可能需要在最小功耗周围的区域(例如，90°宽且以最小功耗相位为中心的区域)中操作ganrf放大器102。

然而，在一些情况中，ganrf放大器可能在曲线图301的这种期望的区域之外的区域中操作。图4时示出了随相位变化的、ganrf放大器102的温度的曲线图。在所示的示例中，阈值温度设置为150℃，因此安全温度范围包括低于150℃的温度。但是，可以选择其他阈值温度。在大约125°的相位处，曲线402呈现了远远超出安全范围的温度。根据本申请的一个方面，控制电路108可配置成在放大器的温度超过阈值时使移相器引入相移。如曲线404提供的非限制性示例所示，放大的信号的相位可以改变大约90°，这可能导致放大器的温度在125°的相位处下降到阈值以下。

移相器106可以以任何合适的方式来实现。在一些实施例中，引入的相移可以是可调整的，并且可以从一组离散的可选值中选取。图5中示出了移相器的示例。移相器500可包括布置在混合耦合器配置中的多个阻抗元件。阻抗元件可以用传输线来实现。在一些实施例中，移相器500包括四个阻抗元件z1、z2、z3和z4。在一些实施例中，z2和z3的阻抗可以彼此近似相等，而z1和z4的阻抗可以近似等于z2的阻抗除以移相器500还包括电阻器r1和r2、pin二极管d1和d2以及可变电容器c1和c2。可由控制电路108提供的信号vcontrol可以用于通过相应的电阻器r1和r2、pin二极管d1和d2进行偏压。可变电容器c1和c2的电容取决于二极管d1和d2的偏压。例如，c1和c2可以表示d1和d2的结电容。当输入信号通过输入端耦接到移相器500时，该信号可以在通过z2的路径和通过z1的路径之间分开。如果二极管d1处于导通状态，则通过z1的信号可以呈现反馈，其值可以取决于c1的电容。类似的，如果二极管d2处于导通状态，通过z4的信号可以呈现反馈，其值可以取决于c2的电容。当反馈信号在输出端重新组合时，得到的输出信号相对于输入信号可能呈现相位差。通过vcontrol调整c1和c2的电容，可以调整输入信号和输出信号之间的相位差。

虽然图4中所示的示例示出了如何通过使放大的信号的相位移动180°来将放大器的温度降低到阈值以下，但是在某些情况下可以引入其他相移量来将放大器的温度降低到阈值以下。图6是示出了如何改变放大的信号的相位的史密斯圆图。在图6的非限制性示例中，在引入任何相移之前，假设ganrf放大器看到的阻抗由史密斯圆图上的点a表示。在一些实施例中，通过引入0°至180°之间的相移(假设没有相位相关的插入损耗)，阻抗可以沿着恒定驻波比率圆602移动到任何位置。例如，如果对应于点a的阻抗使放大器的温度升高到安全范围之外，则可以连续地或以离散步进将阻抗移动到b、c或d点，直到温度降低到阈值以下。

如上所述，系统100可以用于各种应用。其中一个应用是家用或工业用的微波炉。由于微波炉的阻抗可以取决于烹饪食物的类型、数量、甚至取决于食物的温度，因此反馈回放大器的功率可能是不可预测的。例如，在某些情况下，反馈功率可以相当于传递给负载的功率，甚至超过传递给负载的功率。这种反馈可能会导致放大器的寿命缩短。由于此原因，通常需要更换常规放大器的某些部件，这可能导致大量的维护成本。根据本申请的一个方面，可通过使用本文所述类型的系统和方法来降低维护成本。图7示意性地示出了连接到微波炉驱动器702的微波炉腔704。在一些实施例中，微波炉驱动器702包括系统100。在所示的非限制性示例中，微波炉驱动器702通过波导710连接到微波炉腔704。然而，该连接可使用任何合适的信号导体实现。微波炉驱动器704可设置在微波炉腔704的内部或外部。微波炉驱动器702可配置成在大约915mhz、大约2.450ghz或任何其他合适的频率下工作。

本申请的各个方面可以提供一个或更多个优点，其中一些优点已在前面描述过。这里描述的是这样的优点的一些非限制性的例子。应当理解的是，并非所有方面和实施例都必须提供这里所描述的所有优点。另外，应当理解的是，本申请的各个方面可以提供多于此处所描述的那些优点。

由于基于gan，与使用诸如硅晶体管的传统晶体管的等效放大器相比，本文所述类型的放大器可能能够输出实质上更多的功率。然而，尽管输出增加的功率，但是本申请的各个方面提供了电路，其配置成防止反馈对放大器造成损坏。

术语“大约”和“约”可用于表示：在一些实施例中在目标尺寸的±20％范围内、在一些实施例中在目标尺寸的±10％范围内、在一些实施例中在目标尺寸的±5％范围内以及在一些实施例中在目标尺寸的±2％范围内。术语“大约”和“约”可以包括目标尺寸。

本文所述的技术可以实现为一种方法，其中的一些动作已经做了说明。作为方法的一部分执行的动作可以以任何适当的顺序执行。因此，可以将实施例构造成其中的动作的执行顺序不同于所描述的顺序，这可以包括同时执行一些动作，即使在所说明的实施例中被描述为顺序动作。另外，一种方法可以包括比一些实施例中所描述的动作更多的动作，以及比其他实施例中所描述的动作更少的动作。

如此描述了本发明的至少一个说明性实施例，本领域技术人员容易想到各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进落在本发明的主旨和范围之内。因此，以上描述仅作为示例，不作为限制。本发明仅限于所附权利要求及其等同物中所定义的范围。