[发明专利]功率放大器及平衡数字输出信号的上升和下降时间的方法

说明书

一种开关模式功率放大器，包括：驱动电路，具有用于接收射频(RF)信号的输入、用于输出数字输出信号的输出、以及用于接收偏置信号的偏置端口；以及偏置电路，具有耦合到所述驱动电路的所述输出以用于接收数字输出信号的第一输入、耦合到驱动电路的所述输入以用于接收所述RF信号的第二输入、以及耦合到所述驱动电路的所述偏置端口以用于向所述驱动电路提供所述偏置信号的输出。

技术领域

本发明涉及开关模式功率放大器，其在许多方面类似于D类功率放大器的操作和架构。

背景技术

存在多种功率放大器，其可分为两类：经典的、非开关放大器，如A类、B类、AB类、C类，以及开关模式放大器，如D类、E类和F类。非开关放大器具有对于特定的预定导通角在线性区域中工作的有源元件，并产生与输入信号或输入信号的一部分成比例的经放大的输出信号。因为导通角的相对大部分位于晶体管的线性区域中从而导致了功率耗散，因此非开关放大器具有相对低的功率附加效率(PAE,power-added efficiency)，而开关放大器可以实现100％的理论效率。由于便携式和可穿戴电子设备已经普及，对更小、更轻和更节能的电子设备的需求也增加了。降低开关模式放大器中晶体管功率耗散所需的快速转换(方波)也会导致信号谐波中出现高频内容。谐波可能超过标准监管机构(如美国联邦通信委员会(FCC,Federal Communications Commission)或ETSI)设定的带外杂散发射极限。

图1A是理想的D类放大器100的框图。D类放大器包括级联连接的反相放大级101、102和103。射频(RF)输入信号RFin是具有50％占空比的方波。50％占空比是指在每个周期的一半期间具有高电压(“1”)并且在其余占空比期间具有低电压(“0”)的方波形。图1B是图1A的功能等效电路。每个反相放大级包括串联连接在电源VDD和地之间的p-通道金属氧化物半导体(PMOS,p-channel metal oxide semiconductor)设备和n-通道金属氧化物半导体(NMOS,n-channel metal oxide semiconductor)设备。理想的D类放大器100通过在完全接通和完全断开之间切换来操作。当处于完全接通模式时，通过功率晶体管的电流处于最大值，但电压处于最小值，因此功耗最小。当处于完全断开模式时，功率晶体管两端的电压处于最大值，但电流处于最小值，因此功耗也最小。

图1C是说明反相放大级中的寄生电容的电路图。参考图1C，反相放大级在栅极和地之间具有输入寄生电容C1(包括PFET栅极到漏极电容、PFET栅极到源极电容、NFET栅极到漏极电容、以及NFET栅极到源极电容)，在PMOS晶体管的源极和漏极之间具有寄生电容C2，在NMOS晶体管的漏极和源极之间具有寄生电容C3。在操作中，反相放大级产生输出信号RFout并将RFout信号施加到天线以进行传输。因为寄生电容C1、C2和C3由于输入信号并且由于PMOS或NMOS之一“导通”而进行充电，寄生电容导致信号的上升和下降时间延迟。由于上升时间的延迟可能不等于下降时间的延迟，因此可能发生脉冲宽度失真，并且可能在任何实际设计中发生，特别是在工艺和温度上。

图1D是示出穿过反相放大级的信号的上升和下降时间的图。如图1D所示，由于寄生电容的充电和放电，反相放大级输出端的信号具有缓慢的上升沿和下降沿，当两个晶体管导通时，在慢转换期间消耗相对大的功率。因为PMOS和NMOS晶体管之间的电子迁移率不同，所以沿的上升和下降时间可能不匹配。沿的上升和下降时间的不匹配导致占空比的失真，这导致通常不存在的偶次谐波出现。二次谐波是偶次谐波中最成问题的，并且经常被挑选出来用于强调。

图2A是示出具有50％占空比的理想方波的图。图2B是示出由具有50％占空比的理想方波产生的谐波的图。如图2B所示，奇次谐波，即三次谐波H3、五次谐波H5和七次谐波H7超过FCC发射极限。解决谐波发射问题的一种方法是在放大器的输出端添加低通滤波器和带阻(陷波)滤波器，以滤除任何不需要的谐波。图2C是示出通过具有在三次谐波H3处的陷波(带通滤波器)的低通滤波器以满足FCC发射极限的谐波的图。