具有快速包络跟踪的射频功率放大器

摘要

一种具有包络跟踪的射频功率放大器，包括：功率RF放大装置，用于放大RF信号；以及开关DC/DC转换器，包括开关装置和整流装置，用于为所述功率RF放大装置提供与所述RF信号的包络成比例的电压水平的DC电源；其中所述开关装置是RF功率晶体管；其特征在于所述整流装置，以及优选地还有所述功率RF放大装置，也是连接成两端装置的相同工艺的晶体管。优选地，所述功率RF放大装置也是相同工艺的晶体管。也可以提供低通滤波器用于减小包络信号的带宽，驱动DC/DC转换器的PWM信号取决于该带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及具有包络跟踪的射频功率放大器，尤其涉及在空间通信和 /或手机网络的应用。

背景技术

由于对3G-UMTS的非常苛刻的要求，所以改善射频(RF)固态功率 放大器的效率、消耗、耗损和/或线性度成为地面移动电话网络基础设施制 造商的高优先级。所需要的极高线性度明显影响基站中使用的功率放大器 的效率。在空间应用中出现类似的需求。

然而，公知的是线性和能量效率是相反的需求。

“灵活放大器”概念包括将电源调整为平均RF功率从而获得高线性 和高效率。“包络跟踪”是该方法的演进，其中在RF信号包络之后，以动 态方式调整电源。

图1图示了具有包络跟踪的RF功率放大器的概念性方案。S_RF(t)是进 入放大器的例如带宽为36MHz的输入RF信号(S-波段，即2到4GHz)。该 信号被输入耦合器ICP分为两个分量S_RF¹(t)和S_RF²(t)。包络检测器ED从信 号S_RF¹(t)提取包络E(t)。包络信号E(t)驱动DC/DC转换器DCC(线性和/或开 关)，其为高功率RF放大器HPA提供电压V₀(t)的时间变化电源。信号S_RF²(t) 进入待放大的高功率RF放大器HPA。延迟线DL引入可调延迟τ从而确保 S_RF²(t-τ)和E(t)同步使得在任意时刻，将电源调整成待放大的RF信号的幅 度。放大输出信号表示为符号S_out(t)。

图1方案的主要难度在于DC/DC转换器的实现。线性转换器造成其 低效率。另一方面，针对5-10MHz的包络带宽，开关转换器的使用需要将 功率开关工作在极高频率-10到80MHz。基于Si MOSFET，传统降压和升 压开关电路工作在极低频率，典型地在大约100kHz；将其工作在几MHz 的频率将会引入不可接受的开关损失。

为此，建议使用开关转换器和线性转换器的组合。开关转换器工作在 相对低频率，并且不能跟随包络的快速变化，但是为平均电源提供高效率。 在包络以快速率改变时，线性转换器效率低但是速度更快，并且有助于开 关转换器。例如参见Draxler，P.Lanfranco，S.Kimball，D.Hsia，C.Jeong，J. van de Sluis，J.Asbeck，P.M.的Microwave Symposium Digest，2006.IEEE  MTT-S International，2006题为“High Efficiency Envelope Tracking LDMOS  Power Amplifier for W-CDMA”。

欧洲专利EP1214780披露了RF功率放大器，其中通过从不同DC电 平的单个电源进行切换从而实现包络跟踪。这暗示了另外的复杂电路以及 另外的电力线，并且由此的设备的重量和成本的增加，这对于空间应用尤 其有害。

美国专利申请US 2008/111631披露了RF功率放大器，其中简单单个 晶体管开关DC-DC转换器为一个晶体管RF功率放大器提供时间变化的电 源从而提供包络跟踪。为了获得足够的包络带宽，DC-DC转换器的晶体管 实现上为RF功率晶体管。在特定实施例中，DC-DC转换器的晶体管和 RF功率放大器的晶体管在公共封装中嵌入的相同分立晶体管。在该设备 中，瓶颈由二极管构成，也是DC-DC转换器的重要部分。实际上，能处 理电流大于或等于1A和功率大于或等于10W的商业可购的功率整流器只 能工作在几kHz或数百kHz的开关频率。相反，工作在几MHz，数百MHz 或GHz的RF整流器只能处理低电流(mA的范围)和低功率(小于几W)。

而且，US 2008/111631的设备提高有关对寄生电抗元件的高电平的关 注。实际上，尽管在单个封装中有效和致密地嵌入用作DC-DC转换器的 RF放大器和开关的两个晶体管，但是将所述晶体管与转换器的二极管、电 容器和电感器相连的缆线引入减小了开关单元的性能的高寄生电容和电 感。

发明内容

本发明目的在于提供解决现有技术的前述不足。

根据本发明，通过RF功率放大器实现这一目的，其中通过使用两个 用于实现所述DC-DC转换器的开关元件和整流器两者的RF功率晶体管的 快速DC-DC转换器提供包络跟踪。有利地，这两个晶体管采用相同的工 艺，优选地可以与用于放大RF信号的晶体管相同。出乎意料的，连接成 整流器的RF功率晶体管允许实现高换流速度(几MHz)同时处理相对的 高电流(1A或更多)和功率(几W)，使用商业可购的二极管是不可能的。 因此，连接成两端装置的晶体管的使用允许避免参考现有技术文献US 2008/111631讨论的“二极管瓶颈”。

本发明的目的在于具有包络跟踪的射频功率放大器，包括：功率RF 放大装置，用于放大RF信号；以及开关DC/DC转换器，包括开关装置和 整流装置，用于为所述功率RF放大装置提供与所述RF信号的包络成比例 的电压电平的DC电源；其中所述开关装置是RF功率晶体管，其特征在 于所述整流装置也是相同工艺的连接成两端装置的晶体管。

有利地，所述开关装置、所述整流装置和所述功率RF放大装置所有 都是相同工艺的晶体管。特别地，它们可以是相同的晶体管。

在本发明的特定实施例中，所述功率RF放大装置、所述开关装置和 所述整流装置可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)；在此情况下，用作开 关装置的晶体管的栅极可以连接到第一端而所述晶体管的漏极和源极可 以一起连接到第二端。更特别地，所述功率RF放大装置、所述开关装置 和所述整流装置可以是氮化镓(GaN)HEMT或砷化镓(GaAs)HEMT。

在本发明的替代实施例中，所述功率RF放大装置、所述开关装置和 所述整流装置可以是异质结双极晶体管；在此情况下，用作开关装置的晶 体管的基极可以连接到第一端而所述晶体管的集电极和发射极可以一起 连接到第二端。

在本发明的另一替代实施例中，所述功率RF放大装置、所述开关装 置和所述整流装置可以是横向扩散金属氧化物半导体晶体管；在此情况 下，栅极和源极一起连接从而形成第一端而漏极代表第二端。

可以通过单个微波单片集成电路(MMIC)或分立方式实现根据本发 明的射频功率放大器。

通过使用相同工艺的有源器件(放大晶体管、开关和整流器)明显有 利于单片集成电路。而且，在优选为分立实现的情况下，这也允许特别致 密的组装，使得寄生成分最小化。

另外，由于MMIC处理不必包含高功率以及在其设计包(厂商提供的 标准器件布局)中不必包含快速二极管，所以本发明提供了使用厂商提供 的标准晶体管单元以及将其连接到两端装置从而形成用于跟踪放大器应 用的包络所需要的快速整流器的方式。

在根据本发明的分立射频功率放大器的第一实施例中，所述开关装置 和整流装置是安装在金属基板上与其源极和发射极电连接的晶体管，所述 基板彼此直接接触。特别地，这适合于DC/DC转换器是降压“降压式” 转换器。

在根据本发明的分立射频功率放大器的第二实施例中，所述开关装置 和整流装置是安装在金属基板上与其源极和发射极电连接的晶体管，所述 基板通过夹在两者之间的电容器彼此连接。特别地，这适合于DC/DC转 换器是“升压”系列的升压式转换器。

特别地，所述开关装置和所述整流装置可以具有大于或等于5MHz的 开关速度并且能够处理大于或等于1A的电流。这实现了通过单独DC/DC 的包络跟踪，带宽为1MHz或更大，优选地带宽为10MHz或更大，更优 选地带宽为30MHz或更大，例如36MHz的量级，这对于大部分应用来说 是令人满意的，而无需效率降低的线性包络跟踪级。

根据前述任一权利要求的射频功率放大器可以进一步包括驱动电路， 用于驱动具有代表待放大的RF信号的包络的PWM信号的所述开关装置。 可以提供低通滤波器用于减小包络信号的带宽，驱动DC/DC转换器的 PWM信号取决于该带宽。

附图简述

结合附图，从随后的描述本发明的另外的特点和优势将变得明显，其 中：

图1是具有包络跟踪的RF功率放大器的概念方案；

图2是根据本发明的具有包络跟踪的RF功率放大器的概念方案；

图3是根据本发明的第一实施例的放大器的电路图；

图4A和4B是图2的放大器的示例性分立实现的两个示图；

图5是根据本发明的第二实施例的放大器的电路图；

图6A和6B是图5的放大器的示例性分立实现的两个示图；

图7A和7B是图示了图5-6B的放大器的DC/DC转换器的功率效率的 两个曲线；

图8A和8B是图示了根据本发明的实施例的驱动DC/DC所使用的包 络带宽对放大器的性能的影响的两个曲线；以及

图9A和9B是根据本发明的第三和第四实施例的放大器的电路图。

发明详述

已经描述的图1示出了根据现有技术和本发明两者的具有包络跟踪的 RF功率放大器的概念方案。

图2示出了根据本发明的具有包络跟踪的RF功率放大器的概念方案。 跟踪路径包括低通滤波器LPF，用于减小包络信号E(t)的带宽(随后将参 考图8A和8B具体描述这一点)以及脉宽调制器驱动电路PWD，用于生 成与滤波包络E(t)成比例的脉宽调制信号PWM(t)。所述脉宽调制信号 PWM(t)驱动DC/DC转换器DCC，其属于开关类型，没有任何线性级。应 当注意，低通滤波器和延迟线是可选元件；这些元件不是必须的应用存在。

图3示出了根据本发明的第一实施例的具有包络跟踪的RF功率放大 器部分的电路图。更确切的，图3仅代表“降压”式的DC/DC转换器开 关单元，包括：

开关晶体管T_S，其漏极连接到主电源V_DC而其栅极由代表包络E(t)的脉 宽调制PWM(t)来馈送；

“整流晶体管”T_R，其漏极和源极一起连接到开关晶体管的源极，而 栅极连接到地；这样连接的晶体管工作为续流二极管，其阳极由栅极形成 而阴极由漏极和源极形成；

电感器L和电容器C连接到开关晶体管T_S的源极，形成LC低通滤波器；

DC信号V₀(t)，其值(小于或等于V_DC)与E(t)成比例，具有某一时间 延迟τ，被施加于放大晶体管T_A的漏极，其工作在共源结构并且构成高功 率放大器HPA的家族。

延迟的RF信号S_RF²(t)被施加于待放大的T_S的栅极；放大信号S₀(t)取自 T_A的漏极。

至少构成降压开关单元的晶体管T_S和T_R为相同工艺，尽管它们不必相 同，优选地，放大晶体管T_A也为相同工艺。作为非限制示例，晶体管T_S和 T_R(以及可能的T_A)可以是HEMT，更具体地为GaN或GaAs HEMT。 “HEMT”包括“传统”HEMT以及伪形HEMT(pHEMT)和变形HEMT (mHEMT)。也可以使用其他RF功率晶体管，诸如异质结双极晶体管 (HBT)，并且具体地为GaAs HBT，或者横向扩散金属氧化物半导体晶体 管(LDMOS)，具体地为Si LDMOS。

如果使用HBT，则整流晶体管T_R确切地连接图3的HEMT整流晶体管 T_R，集电极替代漏极，而发射极替代源极。如果使用LDMOS，则晶体管 T_R接入之间的连接由于隔离的栅极而相反。漏极仍然构成阴极，但是栅极 和源极连接在一起形成阳极。图9A上图示了该拓扑图。重要的是要指出， 在此情况下，整流作用由LDMOS晶体管的“反向源极到漏极”二极管提 供。还存在“正向漏极到源极”二极管(图上未图示)，其与反向二极管 反平行并且代表晶体管的漏极-源极击穿。然而，由于其高阈值电压 (60-100V或更多的量级)，该二极管保持在非导通状态并且可以在第一级 近似中忽略。

开关单元所需要的速度通常为包络信号的带宽的至少5倍。然而，如 将稍后所述，包络E(t)可以经过低通滤波，而不太降低放大器的性能。对 于大多数应用，包括1到100MHz之间的开关速度将足够。有利地，开关 和整流晶体管将具有大于或等于5MHz(以及优选地大于或等于10MHz) 的开关速度并且将能够处理大于或等于1A(以及优选地大于或等于5A) 的电流。

然而，得益于在开关单元中RF晶体管的使用，如果需要的话，可以 实现更高的开关频率(高至几GHz)。

具有包络跟踪的RF放大器可以集成在MMIC工艺中，包括开关单元、 放大器以及(非代表)驱动开关晶体管T_S的脉宽调制器。电容器C和电感 器L也可以使用标准MMIC工艺无源库，例如以用于电容器C的MIM(金属 -绝缘体-金属)形式或者，使用GaN、GaAs或Si工艺形成用于电感器L的螺 旋形来集成。

在使用分立装置替代MMIC时，相同工艺晶体管T_S，T_R的使用(除了 LDMOS)，以及优选地T_A允许开关单元的特别致密的实现，如在图4A(“正 视图”)和4B(“后视图”)所示。在该实施例中，开关晶体管T_S和“整流 晶体管”T_R嵌入到安装在金属(以及由此可传导)基板B_S，B_R上的各自陶 瓷壳H_S、H_R中。标号D_S，D_R表示晶体管的漏极端，而G_S，G_R表示它们的栅 极端。源极端连接到基板。

如在图上所图示，两个基板彼此以直接机械和电接触布置，而且“整 流晶体管”T_R的漏极D_R和电感器L也连接到基板。“整流晶体管”T_R的栅极 G_R连接到接地平面GP，并且成为电容器C的一端(另一端连接到电感器L)。 电容器可以是陶瓷RF电容器。这种组装的致密性是明显的。

图5示出了根据本发明的第二实施例的具有包络跟踪的RF功率放大 器部分的电路图。更确切地，图5仅表示“升压”DC/DC转换器的开关单 元，包括：

开关晶体管T_S，其漏极通过电感器L连接到主电源V_DC，而其栅极由脉 宽调制PWM(t)来馈送；

“整流晶体管”T_R，其栅极连接到开关晶体管的漏极，其漏极和源极 一起连接到电容器C，反过来连接到T_S的源极和接地。这样连接的晶体管 T_R工作为续流二极管，其阳极由栅极组成而其阴极由漏极和源极组成；

DC信号V₀(t)-高于或等于V_DC-被施加到放大晶体管T_A的漏极，其工作 在共源结构并且构成高功率放大器HPA的家族。延迟的RF信号S_RF²(t-τ)被 施加到待放大的T_A的栅极；放大信号S₀(t)取自T_A的漏极。

晶体管是与图3、4A和4B的电路相同的类型。

图9B示出了基于“升压”DC/DC转换器并且使用三个LDMOS晶体管 作为开关装置、整流器和放大装置的放大器的拓扑图。同样在此情况下， 整流晶体管T_R的源极和栅极连接在一起形成整流器的阳极，而漏极形成所 述整流器的阴极。

另外，图5和9B的电路可以在MMIC工艺或者以分立形式实现。

与“降压”拓扑图类似，相同工艺的晶体管T_S，T_R的使用(除了LDMOS) 允许使用分立元件的开关单元的特别致密的实现。这种实现图示在图6A (“正视图”)和6B(“后视图”)。相同标号指示与图4A和4B中相同的元 件。应当注意，两个基板B_R，B_S不是彼此直接机械和电接触，相反，陶瓷 电容器C夹在两者中间。而且，这种组装的致密性是明显的。在此情况下， 用于升压拓扑图的图6A和6B中提出的实现方式允许去除T_S、电容器C和 T_R之间的任何寄生线缆从而实现更高的开关频率。

具体描述了基于“降压”和“升压”转换器的两个示例性实施例，然 而，应当理解，本发明可以应用任何开关DC/DC转换器拓扑图。

图7A和7B图示了针对图5、6A、6B的升压转换器的作为输出电压V₀和输出功率P_out的函数的输入到输出效率。电压电源V_DC为15V并且开关频 率为10MHz，与传统DC/DC转换器的值相比具有更高的值。在输出功率值 的宽范围(14-42W)上效率包括在87到92％之间，其满足包络跟踪应用。 另外的模拟板作业显示出具有相同元件的相同拓扑图在工作在50MHz开 关频率时实现类似的效率性能(小于2个百分比)。10MHz的开关频率可 能对于大带宽应用不足够。实际上，如前所述，DC/DC转换器的开关频率 通常至少大于包络带宽E(t)的五倍。随后，如果使用10MHz的开关频率并 且待放大的RF信号具有超过2MHz的带宽，在放大系统的跟踪路径中必须 执行带宽减小。这是图2的低通滤波器LPF的作用。带宽减小变成与有效 包络跟踪兼容。

执行对GaN HEMT放大器的模拟，信道带宽为36MHz、以2.185GHz 为中心的3000载波信号激励所述放大器。在包络跟踪路径中的低通滤波 器LPF的截止频率逐渐从60MHz减小到400kHz。图8A和8B示出了作 为滤波器的频率的函数的噪声功率比(NPR)和功率增加效率(PAE)，滤 波器的截止频率为60MHz、40MHz、20MHz、10MHz和400kHz。

在包络信号经过具有10MHz的相对窄的带宽的低通滤波时将PAE保 持55％，并且NPR保持在15dB之上。包络信号的73％带宽减小将PAE仅降 低5个百分点，包络调制器信号不必具有与RF输入包络信号确切相同的带 宽。包络跟踪电路的10MHz带宽可以容易地利用50MHz的开关频率实现， 反过来允许控制由36MHz带宽微波调制信号馈送的HPA的操作V₀。