具有定阻抗型多工器的宽带多赫蒂放大器电路

摘要

本发明涉及具有定阻抗型多工器的宽带多赫蒂放大器电路。一种三路宽带多赫蒂放大器电路包括可操作为在第一功率电平打开的第一峰值放大器，可操作为在低于第一功率电平的第二功率电平打开的第二峰值放大器，以及可操作为在所有功率电平打开的主功率放大器。当第一和第二峰值放大器都关闭时，主功率放大器具有高阻抗负载调制状态。三路宽带多赫蒂放大器进一步包括定阻抗型多工器，其连接至每个放大器的输出。定阻抗型多工器具有一特性阻抗，从主放大器的输出看，无论是否有输出匹配器件将主放大器输出连接至定阻抗型多工器，该特性阻抗都与处于高阻抗负载调制状态的主放大器的阻抗相匹配。

说明书

技术领域

本发明涉及多赫蒂放大器，特别涉及被设计用于宽带频率操作范围的多赫 蒂放大器。

背景技术

电信领域的RF(射频)功率架构着重于在从Psat(当放大器被驱动进入深 度饱和时的平均输出功率)的大量功率回退下取得高DC至RF效率。这是由于 所发射的数字信号例如W-CDMA(宽带码分多址)、LTE(长期演进)和WiMAX (全球微波互联接入)的高峰均比(PAR)。目前采用的最流行的功率放大器架 构是多赫蒂放大器。多赫蒂放大器采用AB类主放大器和C类峰值放大器，并 且通过从峰值放大器给主放大器的负载调制而提高了效率。然而，如果需要在 高输出回退(OBO)下取得高效率，则在主和峰值放大器之间需要高度不对称 比。

多赫蒂架构在峰值OBO点和峰值功率点之间在效率上具有固有降级。为 克服这一点，可使用三路多赫蒂架构，其中主AB类放大器由多赫蒂放大器替 代，并且在峰值OBO点和峰值功率点之间，向第一峰值放大器提供负载调制。 然而，在任意器件阻抗匹配之前，主放大器通过一系列的3个1/4λ(四分之一 波长)传输线连接至外部负载阻抗(典型为50欧姆)。由于1/4λ传输线的带限 特性，这会导致放大器实质上为窄带。因此，三路多赫蒂放大器典型地设计用 于特定操作频带，该操作频带用于无线通信应用例如WCDMA、LTE、WiMAX 等。这些操作频带为1805-1880MHz、1930-1990MHz等。

发明内容

本文描述的实施例采用了定阻抗型多工器(constant impedance combiner)， 其具有的特性阻抗等于当第一和第二峰值放大器关闭时，三路宽带多赫蒂放大 器电路的主放大器的所需负载调制高阻抗状态。在该最窄频带的情形中，对主 放大器给出了最小带限。当运行在回退功率区域中时，从主放大器路径中除去 大量带限，从而在固定回退功率电平下产生更恒定的功率对频率以及更恒定的 效率对频率。本文描述的放大器实施例很适合于宽带应用，使得一个放大器电 路能够自动覆盖两个或更多相邻操作频带或与当前存在的架构相比在完整操作 频带上更为一致。

根据放大器电路的一个实施例，该放大器电路包括偏置于B或AB类 模式的主放大器，偏置于C类模式的第一峰值放大器，偏置于C类模式的第二 峰值放大器，以及定阻抗型多工器。该定阻抗型多工器具有连接至主放大器的 输出的第一节点，连接至第一峰值放大器的输出的第二节点，连接至第二峰值 放大器的输出的第三节点，和连接至负载的第四节点。该定阻抗多工器可操作 为将第四节点处的负载阻抗变换为第三节点处的经变换阻抗，并在第一、第二 和第三节点处保持相同的经变换阻抗。

根据操作放大器电路的方法的一个实施例，该方法包括：使主放大器偏 置于B或AB类模式；使第一峰值放大器偏置于C类模式；使第二峰值放大器 偏置于C类模式；将定阻抗型多工器的第一节点连接至主放大器的输出，将定 阻抗型多工器的第二节点连接至第一峰值放大器的输出，将定阻抗型多工器的 第三节点连接至第二峰值放大器的输出，并且将第四节点连接至负载；以及将 第四节点处的负载阻抗变换为第三节点处的经变换阻抗，以使得在第一、第二 和第三节点处保持相同的经变换阻抗。

根据放大器电路的另一实施例，该放大器电路包括：第一放大器，可操 作为在第一功率电平打开(turn on)；第二放大器，可操作为在低于第一功率电 平的第二功率电平打开以及第三放大器，可操作为在所有功率电平都保持为开。 第一功率组合器，可操作为在第一功率组合节点处将第三放大器的输出和第二 放大器的输出组合以形成第一组合放大器输出。第二功率组合器，可操作为在 第二功率组合节点处将第一组合放大器输出和第一放大器的输出组合以形成第 二组合放大器输出。阻抗变换器，可操作为将放大器电路的负载阻抗变换为第 二功率组合节点处的经变换阻抗，所述经变换阻抗与第一和第二功率组合器的 阻抗相匹配。

根据操作放大器电路的方法的另一实施例，该方法包括：在第一功率电 平打开第一放大器；在低于第一功率电平的第二功率电平打开第二放大器；在 所有功率电平打开第三放大器；在第一功率组合节点处将第三放大器的输出和 第二放大器的输出组合以形成第一组合放大器输出；在第二功率组合节点处将 第一组合放大器输出和第一放大器的输出组合以形成第二组合放大器输出；以 及将放大器电路的负载阻抗变换为第二功率组合节点处的经变换阻抗，其中从 第二功率组合节点到第一功率组合节点不发生阻抗变换。

根据三路宽带多赫蒂放大器电路的一个实施例，该电路包括：第一峰值 放大器，可操作为在第一功率电平打开；第二峰值放大器，可操作为在低于第 一功率电平的第二功率电平打开以及主功率放大器，可操作为在所有功率电平 打开。当第一和第二峰值放大器都关闭时主功率放大器具有高阻抗负载调制状 态。该多赫蒂放大器电路进一步包括定阻抗型多工器，其连接至每个放大器的 输出。该定阻抗型多工器具有一特性阻抗，从主放大器的输出看，无论是否有 输出匹配器件将主放大器输出连接至定阻抗型多工器，该特性阻抗都与处于高 阻抗负载调制状态的主放大器的阻抗相匹配。

在阅读接下来的详细说明时以及在浏览附图时，本领域技术人员将识别出 附加的特征和优点。

附图说明

附图的元件并不一定相对于彼此成比例。相同的参考数字代表对应的相似 部分。各种说明的实施例的特征可互相结合，除非它们彼此是互斥的。在附图 中描述了实施例并将在接下来的说明中对其详细描述。

图1示出了根据一个实施例的具有定阻抗型多工器的三路宽带多赫蒂放大 器电路的电路原理图。

图2示出了根据另一实施例的具有定阻抗型多工器的三路宽带多赫蒂放大 器电路的电路原理图。

图3示出了根据再另一实施例的具有定阻抗型多工器的三路宽带多赫蒂放 大器电路的电路原理图。

图4示出了根据又另一实施例的具有定阻抗型多工器的三路宽带多赫蒂放 大器电路的电路原理图。

图5示出了根据一个实施例的具有提供无阻抗变换的定阻抗型多工器的三 路宽带多赫蒂放大器电路的电路原理图。

具体实施方式

图1示出了三路宽带多赫蒂放大器电路的实施例，其包括偏置于B类或 AB类模式的主放大器100、偏置于C类模式的第一峰值放大器110、偏置于C 类模式的第二峰值放大器120以及定阻抗型多工器130。每个放大器100、110、 120包括一个或多个有源器件，并且也可包括相应的输出匹配器件102、112、 122。在低功率电平，只有主放大器100工作。随着功率电平增大，主放大器100 的效率提高。随着功率电平继续升高，主放大器100最终达到最大效率点。在 该功率电平，第一峰值放大器110打开。当功率电平高于该点时，第一峰值放 大器110的效率类似增加。当第一峰值放大器110达到其最大效率点时，到达 第二最大效率点，在该点处第二峰值放大器120打开。第二峰值放大器120在 更高功率电平(全功率)处达到第三最大效率。因此，三路宽带多赫蒂放大器 电路具有三个最大效率点。

负载调制基于主放大器100和峰值放大器110、120之间的基波电流比 (fundamental current ratio)来实现。此外，定阻抗型多工器130将放大器100、 110、120的负载电流组合或相加，以使得宽带多赫蒂放大器电路的输出电压由 负载电流之和乘以负载阻抗来确定。更具体地，定阻抗型多工器130具有连接 至主放大器100的输出的第一节点132。在一个实施例中，定阻抗型多工器130 的第一节点132经由输出匹配器件102连接至主放大器输出。输入匹配器件104、 114、124可类似地提供在放大器100、110、120的相应输入。在另一个实施例 中，定阻抗型多工器130的第一节点132直接连接至主放大器输出，并且不向 主放大器100提供阻抗匹配器件，这将在后文详细描述。在每种情况中，定阻 抗型多工器130也具有连接至第一峰值放大器110的输出的第二节点134，以及 连接至第二峰值放大器120的输出的第三节点136，其任一个可以包括也可以不 包括相应的输出匹配器件112、122。

当峰值放大器110、120关闭时，处于高阻抗负载调制状态的主放大器100 的阻抗是峰值放大器110、120所递送的负载电流的函数。当峰值放大器110、 120关闭时，主放大器100运行在高阻抗状态，并且当峰值放大器110、120打 开时，主放大器100运行在低阻抗状态。例如，如果输入功率相对小，从而峰 值放大器110、120都没打开，则呈现给主放大器100的阻抗相比于其低阻抗状 态将会增大(指示为2倍，但是基于实施方式，阻抗可从1倍增至4倍或更多)。 当分别从定阻抗型多工器130的第二节点134和第三节点136看向对应输出匹 配网络112、122之后的输出侧的放大器器件时，在低功率电平，峰值放大器110、 120的输出阻抗理论上无限大或非常大，这是因为峰值放大器110、120关闭并 且贡献了零负载电流。

定阻抗型多工器130具有一特性阻抗，从主放大器100的输出看，无论是否 有输出匹配网络102将主放大器输出连接至定阻抗型多工器130，该特性阻抗都 与处于高阻抗负载调制状态的主放大器100的阻抗相匹配。从而，放大器电路 的输出回退具有最小的带宽限制，这使得放大器电路能够用于宽带应用。

在图1所示的实施例中，定阻抗型多工器130也具有第一功率组合器138， 其具有连接至定阻抗型多工器130的第一节点132的第一端子140，以及连接至 定阻抗型多工器130的第二节点134的第二端子142。第二功率组合器144具有 连接至定阻抗型多工器130的第二节点134的第一端子146，以及连接至定阻抗 型多工器130的第三节点136的第二端子148。第一和第二功率组合器138、144 具有相同(例如相等或近似相等)的阻抗。

定阻抗型多工器130进一步具有阻抗变换器150，其具有连接至放大器电 路的负载160的第一端子152和连接至定阻抗型多工器130的第三节点136的 第二端子154。根据其中阻抗变换器150具有较宽端和较窄端的实施例，阻抗变 换器150是宽带阻抗变换器。较窄端可连接至负载160，较宽端可连接至定阻抗 型多工器130的第三节点136，如图1所示。可替换地，在其他实施例中，变换 器150的较宽端可连接至负载160，较窄端可连接至定阻抗型多工器130的第三 节点136。

在操作中，宽带阻抗变换器150将其第一端子152处的负载阻抗变换为在 其第二端子154处的经变换阻抗，该经变换阻抗与第一和第二功率组合器138、 144的阻抗相匹配(例如相等或近似相等)。因此，在定阻抗型多工器130的第 三和第二节点136、134之间(通过第二功率组合器144)以及第二和第一节点 134、132之间(通过第一功率组合器138)没有额外的明显的阻抗变换发生， 这是因为当经变换阻抗与功率组合器阻抗相匹配时，功率组合器138、144的电 抗是最小的。因而，在第一、第二和第三节点132、134、136处保持恒定阻抗。

例如，负载阻抗可为50欧姆，并且宽带阻抗变换器150可被成形为将50 欧姆负载阻抗变换为定阻抗型多工器130的第三节点136处的20欧姆。功率组 合器138、144中每一个可为20欧姆1/4λ(四分之一波长)传输线。从而，功 率组合器138、144不提供另外的阻抗变换，并且在定阻抗型多工器130的第三、 第二和第一节点136、134、132处保持相同的20欧姆变换阻抗。因此，即术语 “定阻抗型多工器”。单独的阻抗变换发生在负载160和定阻抗型多工器130的 第三节点136之间，并且在节点136、134和132之间无另外阻抗变换发生，并 且放大器电路100在回退2(即，主放大器打开，且第一和第二峰值放大器关闭)、 回退1(即，主放大器和峰值1放大器打开，且第二峰值放大器关闭)和全功率 (即，所有放大器都打开)具有用于正确负载调制的优化阻抗。

如图1所示，每个放大器100、110、120的输出可通过对应的输出匹配器 件102、112、122连接至定阻抗型多工器130的相应节点132、134、136。每个 输出匹配器件102、112、122在定阻抗型多工器130的三个节点132、134、136 处呈现的特定变换阻抗和对应的放大器输出之间提供另外的阻抗变换。回到前 述的50欧姆负载阻抗的例子，主放大器100在其输出具有11.1欧姆的负载阻抗， 并且第一峰值放大器110可在其输出匹配器件112之后具有18欧姆输出阻抗， 并且第二峰值放大器120可在其输出匹配器件122之后具有50欧姆输出阻抗。 各输出匹配器件102、112、122在呈现于定阻抗型多工器130的三个节点132、 134、136处的变换阻抗和对应的放大器输出阻抗之间提供了期望的阻抗变换。

图2示出了三路宽带多赫蒂放大器电路的另一实施例。图2的电路类似于 图1的电路，除了没有输出匹配器件(102)将主放大器100的输出连接至定阻 抗型多工器130的第一节点132。作为替代，主放大器100的输出直接连接至第 一一节点132。根据该实施例，当主放大器100操作于高阻抗状态(即，当峰值放 大器被关闭时)，主放大器100具有与第一功率组合器138相同的阻抗。再次回 到前述的50欧姆负载阻抗的例子，在高阻抗状态下，主放大器100的11.1欧姆 输出阻抗变换为20欧姆(1.8倍的变换因子)，其匹配于呈现于定阻抗型多工器 130的第一节点132处的20欧姆阻抗。因此，在定阻抗型多工器130的第一节 点132和处于高阻抗(负载调制)状态的主放大器输出之间不需要进一步的阻 抗变换。

图3示出了三路宽带多赫蒂放大器电路的再另一实施例。图3的电路类似 于图2的电路，除了主放大器100的寄生输出电容(对于MOS器件，是漏源电 容)(在图3中用电容器Cds示例性说明)以及与将主放大器输出连接至定阻抗 型多工器130的第一节点132相关联的寄生电感(在图3中用电感器Lseries示 例性说明)被吸收入定阻抗型多工器130的第一功率组合器138的阻抗中。根 据该实施例，当主放大器100操作于高阻抗负载调制状态(即，当峰值放大器 关闭)时，主放大器阻抗与从定阻抗型多工器130的第一节点132看到的第一 功率组合器138的阻抗相匹配。

图4示出了三路宽带多赫蒂放大器电路的又另一实施例。图4的电路类似 于图1，除了定阻抗型多工器130的阻抗变换器170是1/4λ传输线，而不是宽 带(渐变的(tapered))阻抗变换器(150)。根据该实施例，1/4λ传输线170将 负载160连接到定阻抗型多工器130的第三节点136并将其第一端子172处的 负载阻抗变换成其第二端子174处的经变换阻抗，从而第三节点136处的经变 换阻抗与第一和第二功率组合器138、144的阻抗相匹配。再次回到前述的50 欧姆负载阻抗的例子，功率组合器138、144这二者者阿具有20欧姆的阻抗， 并且将50欧姆负载160连接至定阻抗型多工器130的第三节点136的1/4λ传 输线170可具有31欧姆阻抗。因此，仅由定阻抗型多工器130执行单次阻抗变 换。在再另一实施例中，阻抗变换器170可为两个串联的传输线或集总L(电 感)或集总C(电容)结构。然而也可使用其他类型的阻抗变换器。

图5示出了三路宽带多赫蒂放大器电路的一个实施例，其中定阻抗型多工 器130没有阻抗变换器。作为替代，每个功率组合器138、144具有与负载阻抗 相匹配的阻抗。根据该实施例，定阻抗型多工器130不提供阻抗变换，并且在 每一种情况下，多工器130的节点132、134和136处的阻抗对应于负载阻抗。

只为了说明，在本文描述了用于不同放大器电路组件的特定示例阻抗值。 这些特定的示例并不意在以任何方式限制权利要求的范围，除非明确声明。例 如，也可以考虑除50欧姆之外的负载阻抗，例如75欧姆等。定阻抗型多工器 的组件可相应地按一定尺寸制作，从而确保仅由定阻抗型多工器执行单次阻抗 变换。这也适用于本文表述的特定放大器阻抗值。

本文使用的词语“相同”和“匹配”意在表示相等、近似相等或接近的含 义，因此在不偏离本发明精神的情况下，一定合理的变化量在考虑之中。词语 “恒定”意味着没有变化或改变，或变化或改变很小，因此在不偏离本发明精神 的情况下，一定合理的变化量在考虑之中。此外，词语例如“第一”、“第二” 等，是用于描述不同元件、区域、部分等，并且这也不意在进行限制。同样的 术语贯穿说明书全文都表明同样的元件。

本文所使用的词语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是开放式词语， 其表示所述的元件或特征的存在，但是不排除额外的元件或特征。冠词“一个” 和“该”意在包括多个和单个，除非上下文明确指出其他情况。

应当理解，本文描述的不同实施例的特征可互相结合，除非明确指出其他 情况。

尽管本文说明和描述了特定的实施例，但是本领域技术人员应该明白，在 不偏离本发明范围的情况下，多种替代和/或等价实现可替代所示出和描述的特 定实施例。本申请意在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改造和变型。因此， 本发明只由权利要求及其等同物所限制。