专利名称：多位d类功率放大器系统的制作方法
技术领域：
本发明大体来说涉及电子设备，且更具体来说涉及D类功率放大器。
背景技术：
在通信装置(例如，码分多址(CDMA)、长期演进(LTE)、微波接入全球互通 (WiMax)、无线局域网络(WLAN)及蓝牙或其它个人区域网络(PAN)通信装置)中，以高峰值-平均比(PAR)放大信号的能力是允许将所要信号从发射器发射到接收器装置所必需的。通信装置可包括用以将所要发射信号放大到足以允许将所述发射信号传播到所要接收器位置的能量水平的功率放大器(PA)。虽然理想放大器为所有输入信号提供恒定增益(称为线性操作)，但是真实的放大器仅在某些实际限度内线性地工作。举例来说， 在理想放大器中，当施加到放大器的输入信号增加时，所得的输出信号也增加相同量。然而，在真实的放大器中，存在放大器变得饱和且不再能产生输出功率的点。此称为削波 (clipping)且导致放大的输出信号的失真。一些放大器经设计以在达到饱和时逐渐地减少增益，因而使得输出信号的过度失真较少。此称为放大器压缩。任一形式的失真将对发射器与接收器之间的通信链路有呈增加的误差率的形式的负面影响。因此，需要一种提供所要高PAR发射信号的线性放大的功率放大器。功率放大器的另一重要方面为效率。效率为对输入功率中有多少被有用地施加于放大器的输出的测量。举例来说，A类放大器效率很低，仅提供10%至25%的功率效率。B 类放大器效率高很多，但遭受高水平的交越失真。AB类放大器可用以避免交越失真，但具有在35%与78. 5%之间变动的相对较低的效率。D类放大器(也称为切换放大器)具有高达 97%的效率且不遭受交越失真。放大器效率的提高使得功率消耗及热产生降低。因此，在功率有限且热耗散困难的移动通信装置中，非常需要高效率放大器。例如A类或AB类的非切换功率放大器面临在线性与功率效率之间的不可避免的折衷。时常，必须牺牲效率以满足相邻通道泄漏规范。另外，因为效率在功率后移时急剧下降，所以在传递高PAR信号时的平均效率比峰值效率低得多。举例来说，对于具有50%峰值效率的理想A类功率放大器，具有8. 3dB的PAR的经削波802. Ilg信号的效率仅为7. 4%。极性调制为用以实现比使用线性功率放大器时更佳的功率效率的通常选择。然而，因为放大器延迟随供电电压而变，所以AM-PM失真补偿通常是必需的。在高级CMOS工艺中快速PMOS晶体管的可用性使得可能将具有Δ-Σ (delta-sigma)调制的数字输入的D 类功率放大器用于RF应用。与线性功率放大器对比，此类型的功率放大器同时实现高功率效率及线性。与E类放大器(其中晶体管漏极必须承受约3. 5倍VDD的电压摆动)相比， D类功率放大器没有氧化物问题且理论上对于给定氧化物击穿电压传递最多功率。此外，因为振幅调制是在时域中执行，所以其确保为线性的且不遭受供电调制极
(supply modulated polar power amplifier)白勺才目胃白勺 AM—PM &貞。@胃， 1位量化噪声功率必须被带外整形(shaped out-of-band)，在其中噪声功率必须由外部RF滤波器滤波，此不仅增加成本而且归因于插入损失而降低功率效率。在由J · T ·斯托司 (J. T. Stauth)及S · R ·桑德斯(S. R. Sanders)在“90nm CMOS中具有单位数字极性调制的 2. 4GHz、20dBm D 类 PA(A 2.4GHz，20dBm Class-D PA with Single-Bit Digital Polar Modulation in 90nm CMOS) ”(IEEE定制集成电路会议，2008年9月)中描述的实施方案中，甚至在滤波之后，带外噪声底限仍比允许实现同时蜂窝式/GPS接收操作的WLAN及蓝牙的典型共存规范高30 40dB。图6及图7展示两个不同常规调制方案的示意图。图6为由P·范·扎吉尔(P. van kijl)在“90nm CMOS中的用于WLAN OFDM极性发射器的数字包络调制器(A Digital Envelope modulator for WLAN OFDM Polar Transmitter in 90nm CMOS)"(JSSC,2007 ^ 10月)中描述的用于WLAN OFDM极性发射器的常规数字包络调制器。图7为由A·卡沃斯安(A. Kavousian)在“具有20MHz信号BW的数字调制极性CMOS PA(A Digitally Modulated Polar CMOS PA with 20MHz Signal BW) ”(ISSC，2007)中描述的常规数字调制极性 CMOS 功率放大器。此两种常规方案基本上相同，原因在于其均通过电阻调制具有衰减的振幅，因此较小的振幅导致较大功率损失百分比。较小振幅的所导致的功率损失增加导致次最佳功率效率性能。抑制量化噪声为功率放大器的另一重要方面。量化噪声为由模/数(ADC)过程中的量化引入的量化误差的结果。量化误差为到ADC的模拟输入电压与输出数字化值之间的误差。当量化误差在发射器内被调制时，产生量化噪声，其导致带外噪声被放大及被发射。 带外发射是不当的，因为其可能导致干扰其它利用带外频率的通信系统。因此，还需要一种能够减少量化噪声的功率放大器
发明内容
图1为根据示范性实施例的经展示为耦合到多级D类功率放大器系统的单一单元实例D类功率放大器的带通滤波器及电阻性负载的框图。图2展示根据示范性实施例的图1的框图的示范性电路级示意图。图3展示包含于图1的单一单元实例D类功率放大器中的电感器-电容器(LC)网络的示意图及说明整个多级D类功率放大器系统的在谐振时的阻抗反转的对应史密斯图。图4A为展示两个放大器输入信号均为接通(ON)且同相操作的以并联配置耦合的两个单一单元实例D类功率放大器的示范性实施例。图4B为展示第一放大器输入信号为断开(OFF)且第二放大器输入信号为接通的以并联配置耦合的两个单一单元实例D类功率放大器的示范性实施例。图5为利用由多个图1中所示的单一单元实例D类功率放大器组成的多级D类功率放大器系统的数字IQ发射器的示范性实施例。图6展示第一常规调制方案的示意图。图7展示第二常规调制方案的示意图。
具体实施方式
词“示范性”在本文中用以意谓“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性” 的任何实施例未必解释为相对于其它实施例来说是优选或有利的。下文结合附图陈述的详细描述意在作为本发明的示范性实施例的描述且不意在表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应解释为相对于其它示范性实施例来说是优选或有利的。详细描述包括特定细节以用于提供对本发明的示范性实施例的透彻了解的目的。所属领域的技术人员将显而易见，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式来展示众所周知的结构及装置，以便避免使本文中呈现的示范性实施例的新颖性模糊。举例来说，众所周知D类放大器在接通/断开模式中操作，且可使用脉冲宽度调制 (PWM)方案或脉冲密度调制(PDM)方案。输入信号经转换为脉冲序列，其平均值与信号的瞬时振幅成正比。脉冲的频率常常比输入信号中的所关注频率大十倍或十倍以上。另外，与其它类型放大器电路相比，D类放大器提供功率效率的大幅提高。归因于输出脉冲的固定振幅，切换晶体管被切换为接通或断开，而非在线性模式中操作。此使得晶体管的功率耗散很少(除在接通与断开状态之间的很短时间间隔期间外)。因为晶体管中耗散的瞬时功率为电压与电流的乘积，且电压与电流中总有一者在操作期间几乎总是接近零，所以D类放大器中的功率损失较低。功率消耗的此降低提供了降低的电路操作温度及减少的功率消耗。D类放大器可由模拟电路或数字电路来控制。数字控制可引入称为量化噪声的额外失真。量化噪声为由模/数(ADC)过程中的量化所引入的量化误差的结果。量化误差为到ADC的模拟输入电压与输出数字化值之间的误差。当量化误差在发射器中被调制时，产生量化噪声，其导致带外噪声被放大及被发射。带外发射是不当的，因为其可导致干扰其它利用带外频率的通信系统。被动滤波可用以减少此量化噪声。根据将在本文中更详细描述的示范性实施例，提供具有多个D类功率放大器的D 类功率放大器系统，所述D类功率放大器具有相应耦合的输出端子，所述输出端子经调谐以在所要频率下谐振。每一此D类功率放大器将在下文中被通称为单一单元实例D类功率放大器，或更简单地称为“单元实例”。如下文将解释的，通过并联地组合多个此类单一单元实例D类功率放大器，放大器性能得以改善。图4A中展示根据示范性实施例的多重组合的单一单元实例D类功率放大器的实例。此处，单一单元实例D类功率放大器409及410的输出分别耦合在一起且被调谐以在同一频率下谐振。图1为根据示范性实施例的经展示为耦合到多级D类功率放大器系统的单一单元实例D类功率放大器(或“单元实例”)100的带通滤波器104及电阻性负载(由50欧姆电阻器105表示)的框图。单一单元实例D类功率放大器100包括反相器101、电容器102及电感器103。在所示的示范性实施例中，PWM或PDM数字信号输入耦合到经调谐以在所要频率下振荡的单一单元实例D类功率放大器100的输入端子。单一单元实例D类功率放大器 100的输入耦合到反相器101的输入。反相器101的输出耦合到电容器102的第一端子。 电容器102的第二端子耦合到电感器103的第一端子。电感器103的第二端子耦合到信号接地。电感器103的第一端子还耦合到单一单元实例D类功率放大器100的输出。单一单元实例D类功率放大器100的输出耦合到带通滤波器104的输入端子。带通滤波器104的输出耦合到电阻器105的第一端子。电阻器105的第二端子耦合到信号接地。图2展示根据示范性实施例的图1的框图的示范性电路级示意图。在第一电阻器 203的第一端子处接收输入电压Vi。第一电阻器203的第二端子耦合到电容器204的第一端子。电容器204的第二端子耦合到电感器205的第一端子及第二电阻器206的第一端子。 电感器205的第二端子耦合到信号接地。电阻器206的第二端子耦合到信号接地。图1中所示的反相器101由内部电压源202及第一电阻器203表示。由电容器204及电感器205 组成的LC网络对应于图1中的带通滤波器104。类似地，电阻器206对应于电阻器105(电阻负载)。图2中所示的单一单元实例D类功率放大器200的增益可表示如下
权利要求
1.一种装置，其包含耦合到第一输入的第一功率放大器；及耦合到第二输入及所述第一功率放大器的第二功率放大器，其中所述第一功率放大器及第二功率放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率放大器为D类功率放大器且经缩放以建立线性电路。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述D类功率放大器包括一个以上元件。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述D类功率放大器包括电容器及电感器。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述电容器是以串联配置耦合。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电感器是以分路配置耦合。
7.根据权利要求2所述的装置，其中到所述至少两个D类功率放大器中的每一者的所述第一输入及第二输入为脉冲宽度调制信号。
8.根据权利要求2所述的装置，其中到所述至少两个D类功率放大器中的每一者的所述输入为脉冲密度调制信号。
9.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括耦合到每一功率放大器的所述输出并由与开关串联耦合的电容器组成的过程调谐电路。
10.一种装置，其包含第一群组，其包括耦合到第一输入的第一组功率放大器；第二群组，其包括耦合到第二输入的第二组功率放大器，其中所述第一群组及第二群组彼此耦合，且其中所述第一组功率放大器及第二组功率放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一组功率放大器及第二组功率放大器为 D类功率放大器并经缩放以建立线性电路。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述D类功率放大器包括一个以上元件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述D类功率放大器包括以串联配置耦合的电容器。
14.根据权利要求12所述的装置，其中每一D类功率放大器的所述输出是以分路配置耦合到单一电感器。
15.根据权利要求11所述的装置，其中到每一D类功率放大器的所述输入为脉冲宽度调制信号。
16.根据权利要求11所述的装置，其中到每一D类功率放大器的所述输入为脉冲密度调制信号。
17.根据权利要求10所述的装置，其进一步包括耦合到每一功率放大器的所述输出并由与开关串联耦合的电容器组成的过程调谐电路。
18.一种供在无线通信装置中使用的多位D类功率放大器系统，其包含 第一组D类功率放大器；及耦合到所述第一组D类功率放大器的第二组D类放大器，其中所述第一组D类放大器及第二组D类放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述D类功率放大器包括以串联配置耦合的电容器。
20.根据权利要求18所述的系统，其中每一D类功率放大器的所述输出是以分路配置耦合到单一电感器。
21.根据权利要求18所述的系统，其中到每一D类功率放大器的所述输入为脉冲宽度调制信号。
22.根据权利要求18所述的系统，其中到每一D类功率放大器的所述输入为脉冲密度调制信号。
23.根据权利要求18所述的系统，其进一步包括耦合到每一D类功率放大器的所述输出并由与开关串联耦合的电容器组成的过程调谐电路。
24.一种装置，其包含用于放大输入信号的第一装置；及用于放大所述输入信号的第二装置，其中所述第一装置及第二装置中的每一者的输出在共同频率下谐振。
25.一种供在无线通信装置中使用的多位D类功率放大器系统，其包含 用于放大第一输入信号并包括第一组D类功率放大器的第一装置；及用于放大第二输入信号并包括第二组D类放大器的第二装置，其中所述第一组D类放大器及第二组D类放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
26.一种装置，其包含耦合到第一输入的第一 D类功率放大器；及耦合到第二输入且以并联配置耦合到所述第一功率放大器以建立线性电路的第二D 类功率放大器，其中所述第一功率放大器及第二功率放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
27.一种装置，其包含 第一 D类功率放大器；以缩放方式耦合到所述第一功率放大器以建立线性电路的第二D类功率放大器，其中所述第一功率放大器及第二功率放大器中的每一者的输出在共同频率下谐振。
全文摘要
本发明描述用于设计高效功率放大器的技术。在一方面中，利用具有经耦合输出的多个单一单元实例D类功率放大器来提高效率并减少量化噪声。在另一方面中，多个单一单元实例D类功率放大器群组在其输出处耦合，其中每一功率放大器群组经配置以在唯一频率下谐振。此产生在多个频带下的提高的效率及减少的量化噪声。
文档编号H03F1/26GK102422530SQ201080020976
公开日2012年4月18日 申请日期2010年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者曹志恒 申请人:高通股份有限公司