[发明专利]低输出阻抗的RF放大器

说明书

技术领域

本发明涉及多级射频(RF)功率放大器(PA)，尤其涉及的是与之关联的低输出阻抗的RF放大器。

背景技术

使用了几乎所有可能的RF调制技术的几乎所有的无线通信和控制系统的硬件实施方式，全都包含了RF功率放大器(PA)作为必要组件。关于RF调制技术的示例包括但不局限于GMSK、8PSK、16-QAM、64-QAM，其中RF信号振幅可以始终恒定，并且可以采用处于连续或离散范围的任何值。关于此类系统的示例包括但不局限于蜂窝GSM、CDMA、W-CDMA语音和数据终端、Wi-Fi、蓝牙、遥控器、RFID读取器。

用于蜂窝之类的无线应用的RF功率放大器必须产生很高的增益和很高的输出功率电平。在典型的RF发射机中，PA的输出功率和增益需求是通过使用多个级联的放大级满足的，其中每一级都可以使用一个或多个有源设备，例如硅MOSFET和BJT、GaAs MESFET以及HBT。

图1a显示了本领域已知的多级PA的一个示例。在实施现有技术的多级PA的过程中，其中将会遭遇到大量的设计权衡。虽然图1a描述的是使用NMOSFET设备作为有源元件，但对本领域技术人员来说，很明显，诸如FET或BJT之类的其他类型的其他有源设备也是可以替代使用的。图1a所示的PA具有两个增益级120和121，其后跟随的是匹配网络122。输出节点105与负载相耦合，其中在这里象征性地将所述负载呈现成是大小通常是50欧姆的电阻器113。匹配网络122扮演的是阻抗变换网络的角色，它会将大小为50欧姆的相对较高的负载阻抗转换成最终的PA级121的输出端103看到的较低阻抗(例如5欧姆)。较低的阻抗限制了在节点103上呈现并且是将需要的最大输出功率注入负载113所必需的最大电压摆动。图1a例示的匹配网络包括电感器110和电容器112，其与输出级负载电感器108一起形成了一个调谐变换电路。电容器111会阻止在匹配网络输出节点104上呈现的DC电压到达负载113。

PA输出放大器级121包括以共源极配置的方式连接的有源设备MOSFET 109，以及连接在输出节点103与电源Vdd之间的负载电感器108。流经晶体管109的电流受连接至级输出节点102的栅极端子与连接至接地端的源端子102之间的电压差控制。晶体管109的漏极与级输出节点103相连。作为晶体管109的共源极配置的直接结果，漏极节点上的电压信号与栅极节点上的电压信号大体上上是反相的。电感器108扮演了两个角色：它会将DC电力提供给活动设备109，并且它使得与部件122相结合的谐振变换网络完整。借助AC耦合电容器115，输出放大器级121在节点102上接收来自前置放大器级120的输入。

前置放大器级120包括以共源极配置的方式连接的有源设备MOSFET 107，以及连接在输出节点114与电源Vdd之间的负载电感器106。流经晶体管107的电流受连接至级输入节点101的栅极端子与连接至接地的源端子之间的电压差控制。晶体管107的漏极与级输出节点114相连。作为晶体管107的共源极配置的直接结果，漏极节点上的电压信号与栅极节点上的电压信号大体上上是反相的。电感器106扮演了两个角色：它会向有源设备107提供DC电力，并且使得与部件121呈现的输入电容相结合的并联谐振储能电路完整。在图1a呈现的特定电路中，AC耦合电容器115将节点114上呈现的DC电位与适合晶体管109的控制端子的偏压的DC电位相隔离。在其他实施例中，作为审慎选择电源电压的结果，电容器115将被消除，并且节点114与102将会分担相同的电位。前置放大器级120则在节点101上接收其输入。

在图1b中通过波形而从质量方面示出了图1a中给出的PA操作。前置放大器级120在节点101上接收底部图表所示的正弦电压波形。结果，如图1b的中间图表例示的那样，前置放大器的输出节点114以及类似放大器级121的输入节点102将会呈现出与节点101上的波形大体上反相的电压波形。同样，如图1b的顶部图表例示的那样，放大器级121在其输出节点103上产生一个电压波形，其中该波形与节点102上的波形大体上反相。

由于输出放大器121在节点103上看到的是低负载阻抗，因此，流经有源设备109的最大电流很大。由此，有源设备的物理尺寸将会很大。对有源设备来说，最大的非理想性是其端子之间的寄生电容。由于尺寸很大，设备109会在节点103与接地之间、节点102与接地之间以及节点103与节点102之间呈现很大的电容。