專利名稱：可變種類特性的放大器的制作方法
技術領域：
本公開涉及功率放大器以及具有多于一個種類的放大器的特性的功率放大器。
背景技術：
本部分提供與本公開相關的背景信息，該背景信息不一定是現(xiàn)有技術。
多個工業(yè)使用射頻(RF)來驅(qū)動等離子體腔，以便制造多種組件，例如集成電路、太陽能板、光盤(CD)、數(shù)字多用途(或視頻)光盤(DVD)等等。每個制造過程可根據(jù)所制造的具體組件而不同。多個過程經(jīng)常需要以不同頻率、不同功率電平和不同效率輸送RF能量。現(xiàn)有的RF功率輸送系統(tǒng)趨于根據(jù)具體等離子體制造過程的需要而專門調(diào)整。因此，RF功率放大器和發(fā)生器通常不可互換或者不容易改變來適應多種應用。相反，每種應用通常具有其自己的需要，一般需要改變RF功率放大器和/或RF功率發(fā)生器。在一個示例中，一些等離子體制造過程需要在具有AB類功率放大器特性的模式下工作的功率放大器。在具有B類工作特性的工作模式下，輸入波周期的大約一半由第一開關放大，輸入波周期的另一半由以互補方式工作的第二開關放大。AB類的工作通常進一步由每個器件例示，每個器件在其大體截止的周期的一部分期間傳導少量電流。這減小了 死區(qū)或者兩個器件基本同時截止的周期，這將交越減至最小或消除。AB類放大器通常以線性和較高功率輸出換取效率。在傳統(tǒng)的功率放大器中，AB類的效率局限于大約70%。其它制造過程需要在具有E類功率放大器特性的模式下工作的功率放大器。通常使用開關功率放大器實現(xiàn)E類操作。與AB類放大器的推挽式構造相比，E類放大器已知布置在單端構造中。例如，開關器件在其輸出端處與電路相連，該電路具有通過大的電感線圈與負載和與電源電壓連接的串聯(lián)的電感器和電容器(串聯(lián)LC電路)。在工作時，當開關兩端的電壓為零或接近零并且大電流流經(jīng)開關器件時，產(chǎn)生E類放大器的導通狀態(tài)。當開關兩端的電壓大并且流經(jīng)開關的電流為零或接近零時，產(chǎn)生E類放大器的截止狀態(tài)。即，開關在RF周期的導通部分期間充當?shù)碗娮栝]合開關，并且在RF周期的截止部分期間充當打開開關。E類放大器通常以效率和其它益處換取功率輸出。E類的效率通常至少是85%并且可以高達95%。通常的E類放大器一般較不穩(wěn)定，變成高壓駐波比(VSWR)負載失配。返回RF等離子體制造過程，制造者可能需要AB類特性的功率放大器來為某些應用的等離子體過程提供RF功率。在其它應用中，同一制造者可能需要E類特性的功率放大器來為不同的等離子體過程提供RF功率。制造者更喜歡由單個器件實現(xiàn)AB類或E類特性的工作，以便獲得靈活性并且使成本降至最低。制造者尚不能滿足此項客戶需求。傳統(tǒng)功率放大器包括網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡在連接到負載以前在輸出端包括電容器和電感器。這樣的網(wǎng)絡還可以包括附加電容器并且可以稱為CLC網(wǎng)絡。功率放大器設計者通常使用CLC網(wǎng)絡來在將輸出信號施加給負載以前定型或調(diào)節(jié)輸出信號。CLC網(wǎng)絡還可以抑制瞬變和從負載反射回的帶外能量。然而，上述CLC網(wǎng)絡的使用一直局限于這些應用，而還未考慮CLC網(wǎng)絡的其它應用。

發(fā)明內(nèi)容
這個部分提供本公開的總體歸納，并且不是本公開的完整范圍或者本公開的全部特征的全面公開。一種功率放大器包括開關模塊，所述開關模塊接收輸入信號并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生開關模塊信號。輸出模塊接收所述開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號。所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且所述輸出模塊的構造被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作。一種功率放大器包括開關模塊，所述開關模塊接收輸入信號并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生開關模塊信號。輸出模塊接收所述開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號。所述輸出模塊至少包括電容器和電感器。所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下。所述電容器的值被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作?！N功率放大器包括第一開關模塊，所述第一開關模塊對輸入信號做出響應，以根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第一開關模塊信號。第二開關模塊與所述第一開關模塊一起設置在推挽式構造中。所述第二開關模塊對所述輸入信號做出響應，以根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第二開關模塊信號。所述第一開關模塊信號和所述第二開關模塊信號配合來產(chǎn)生復合開關模塊信號。輸出模塊接收所述復合開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號。所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且所述輸出模塊的構造被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作?！N功率放大器包括第一開關模塊，所述第一開關模塊對輸入信號做出響應，以根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第一開關模塊信號。第二開關模塊與所述第一開關模塊一起設置在推挽式構造中。所述第二開關模塊對所述輸入信號做出響應，以根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第二開關模塊信號。所述第一開關模塊信號和所述第二開關模塊信號配合來產(chǎn)生復合開關模塊信號。輸出模塊接收所述復合開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號。所述輸出模塊包括第一電容元件和電感元件。所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且所述電容元件的值被改變，以實現(xiàn)所述多個模式之間的工作。—種功率放大器包括第一開關器件，所述第一開關器件對輸入信號做出響應，以產(chǎn)生第一開關器件信號。第二開關器件與所述第一開關器件一起設置在推挽式構造中。所述第二開關器件對所述輸入信號做出響應，以產(chǎn)生第二開關器件信號，所述第一開關器件信號和所述第二開關器件信號配合來產(chǎn)生復合開關器件信號。輸出模塊接收所述復合開關器件信號并產(chǎn)生輸出信號。所述輸出模塊包括第一電容器和電感器。所述功率放大器工作在具有AB類或E類功率放大器種類中的一種的特性的多個模式下。所述電容器的值被改變，以實現(xiàn)所述多個模式之間的工作。從本發(fā)明中提供的描述中，適用性的更多方面將變得顯而易見。本發(fā)明內(nèi)容中的描述和具體示例僅意圖用于說明，而不是意圖限制本公開的范圍。

本發(fā)明中描述的附圖僅用于圖示所選擇實施例而不是所有可能實現(xiàn)，并且不旨在限制本公開的范圍。圖I是依據(jù)本公開原理設置的可變種類特性放大器的框圖；圖2是依據(jù)本公開原理設置的可變種類特性放大器的電路圖；圖3A-3C示出在依據(jù)本公開原理的推挽式構造中設置的可變種類特性放大器的多種工作特性中的輸出端子電壓和輸出端子電流的示例波形；圖4示出依據(jù)本公開原理設置的可變種類特性放大器的主輸出和開關元件的輸出端子電壓的示例波形；圖5示出依據(jù)本公開原理的以AB類特性工作的可變種類特性放大器的漏電壓的 示例波形；圖6是與說明CLC網(wǎng)絡中改變可變種類特性放大器的工作種類特性的可變性關聯(lián)使用的示例史密斯圓圖；圖7是與說明CLC網(wǎng)絡中用于調(diào)整布置的可變性關聯(lián)使用的示例史密斯圓圖；圖8示出依據(jù)本公開原理的多個實施例設置的可變種類特性放大器的框圖；圖9是依據(jù)本公開的多個實施例設置的可變種類特性放大器的電路圖；以及圖10A-10C示出在依據(jù)本公開原理的單端構造中設置的可變種類特性放大器的多種工作特性中的輸出端子電壓和輸出端子電流的示例波形。在附圖的幾個圖中，相應的附圖標記表示相應的部件。
具體實施例方式現(xiàn)在將對照附圖更全面地描述示例實施例。提供示例實施例使得本公開將全面,并且示例實施例將保護范圍完整地傳達給本領域的技術人員。闡述了數(shù)個特定細節(jié)(例如特定組件、器件和方法的示例)，以提供本公開的實施例的全面理解。對本領域的技術人員來說顯而易見的是不需要使用特定細節(jié)，可以以多種不同形式體現(xiàn)示例實施例以及以上兩種都不應解釋為限制本公開的范圍。在一些示例實施例中，未詳細描述眾所周知的過程、眾所周知的器件結(jié)構以及眾所周知的技術。本發(fā)明中使用的術語僅是用于描述具體示例實施例，而不是意在作為限制。本發(fā)明中使用的單數(shù)形式還可以意在包括復數(shù)形式，除非上下文以別的方式清楚指出。術語“包括”、“包含”、“由……組成”和“具有”是包括的，因此明確指定所闡述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但是不阻止一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組的存在或增加。本發(fā)明中描述的方法步驟、過程和操作不要解釋為一定需要它們以所介紹和圖示的特殊次序執(zhí)行，除非專門指出作為執(zhí)行次序形式。還要明白，可以使用附加或可選步驟。當元件或?qū)臃Q為“在另一元件或?qū)由稀?、“與另一元件或?qū)咏雍稀薄ⅰ芭c另一元件或?qū)舆B接”或“與另一元件或?qū)勇?lián)接”時，其可以直接在另一元件或?qū)由稀⑴c另一元件或?qū)咏雍?、與另一元件或?qū)舆B接或與另一元件或?qū)勇?lián)接，或者可以存在插入中間的元件或?qū)?。相比之下，當元件稱為“直接在另一元件或?qū)由稀?、“直接與另一元件或?qū)咏雍稀薄ⅰ爸苯优c另一元件或?qū)舆B接”或“直接與另一元件或?qū)勇?lián)接”時，可以沒有插入中間的元件或?qū)哟嬖凇斠灶愃品绞浇忉屍渌材苡脕砻枋鲈g關系的詞，例如“在……之間”相對于“直接在……之間”、“在……附近”相對于“直接在……附近”等等。本發(fā)明中使用的術語“和/或”包括所關聯(lián)列出條目的一個或多個的任何組合和全部組合。雖然在本發(fā)明中術語第一、第二、第三等可以用來描述多個元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語可以僅用來將一個元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一區(qū)域、層或部分區(qū)分開。術語例如“第一”、“第二”和其它數(shù)字術語在本發(fā)明中使用時不意味著順序或次序，除非上下文明確指出。因此，下面介紹的第一元件、第一組件、第一區(qū)域、第一層或第一部分可以稱為第二元件、第二組件、第二區(qū)域、第二層或第二部分，而不背離示例實施例的教導。
在本發(fā)明中，為了便于描述，可以使用與空間有關的術語(例如“在……內(nèi)”、“在……外”、“在……正下方”、“在……下方”、“在……下面”、“在……上方”、“在……上面”等等來描述附圖中示出的一個元件或特征與另一元件或特征的關系。與空間有關的術語可以旨在包括設備在使用或工作時除圖中所示的方向以外的不同方向。例如，如果圖中的設備翻轉(zhuǎn)，那么被描述為“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征正下方”的元件因此會朝向“其它元件或特征上方”。因此，示例術語“在……下方”可以包括上方和下方兩個方向。設備可以朝向其它方向(旋轉(zhuǎn)90度或位于其它方向),本發(fā)明中使用的與空間相關的描述符相應地進行解釋。將對照附圖和根據(jù)多個實施例描述本發(fā)明中的可變種類特性放大器。圖I示出可變種類特性放大器10的框圖。輸入信號施加給輸入模塊12。輸入信號可以是多種振蕩信號中的任一種，包括在射頻(RF)頻段工作的信號。輸入模塊12接收輸入信號并將輸入信號傳遞給一對開關模塊14a、14b。輸入模塊12提供向輸入模塊12的輸入和開關模塊14a、14b之間的阻抗變換。開關模塊14a、14b接收從輸入模塊12輸出的信號并產(chǎn)生放大信號，放大信號施加給合并器模塊16。合并器模塊16合并從各個開關模塊14a、14b輸出的放大信號并產(chǎn)生輸出給輸出模塊18的信號。根據(jù)多個其它實施例，合并器模塊16也提供開關模塊14a、14b和輸出模塊18之間的阻抗變換。輸出模塊18從合并器模塊16接收信號并能根據(jù)多個實施例提供濾波和/或調(diào)整，以從輸出模塊18產(chǎn)生輸出信號。輸出信號施加給負載20,以驅(qū)動負載20。在多個實施例中，負載20可以是由RF信號驅(qū)動的多種元件或器件中的任一種，作為非限定示例，負載20包括等離子體腔。圖2示出電路，該電路中的多個元件形成圖I的模塊的多個部分。輸入信號施加給輸入模塊12、輸入模塊12包括電感器LI、電容器Cl和變壓器Tl。電感器LI和電容器Cl配合來提供LC電路，該LC電路提供阻抗變換來匹配預定的輸入阻抗，例如50歐姆。變壓器Tl在初級線圈處接收輸入信號并將輸入信號穿越鐵芯變換給Tl的次級線圈。在多個實施例中，變壓器Tl是具有浮接中心抽頭的單端到平衡的變壓器。Tl的次級線圈連接到各個開關模塊14a、14b上。開關模塊14a包括阻隔電容器Ca和開關元件Ql。類似地，開關模塊14b包括阻隔電容器Cb和開關元件Q2。在多個實施例中，開關元件Ql、Q2可以體現(xiàn)為多種各樣的晶體管開關元件(包括MOSFET器件)中的任一種。開關元件Ql和Q2的輸出端子或漏極由電容器C2連接。在多個實施例中，電容器C2可以跨越開關Ql和Q2分別由每個開關元件Ql和Q2的漏-源輸出電容提供。在多個其它實施例中，C2可以實現(xiàn)為外部電容器。從每個開關元件Ql、Q2的輸出連接到輸出變壓器T2的對置端子上。合并器模塊16包括電感器L3和L4、電壓源Vdd、電容器C3、電感器L2、電容器Rl和變壓器T2。Vdd與電容器Rl和電感器L2的并聯(lián)連接串聯(lián)到變壓器T2的初級線圈的中央抽頭上。因此，供電饋送RF扼流圈很大比例上由輸出變壓器T2的初級線圈的中心銷提供，并且分別為開關元件Q1、Q2中的每一個提供供電RF扼流圈。電容器C3提供輸入電壓Vdd的濾波。根據(jù)多個實施例，電感器L3和L4可以實現(xiàn)為外部電感器或者可以由變壓器T2漏電感提供。電阻器Rl可以補償高壓駐波比(VSWR)瞬變或帶外能量消耗。如上面提到的，電感器L3、L4可以由輸出變壓器T2的漏電感提供。輸出變壓器T2可以是平衡輸出變壓器，該平衡輸出變壓器具有提供必要阻抗變換和漏電感的匝數(shù)比。在多個實施例中，通過變壓器T2的次級線圈連接到50 Q負載上，變壓器T2將50 Q阻抗變換 成初級線圈處的選擇阻抗，于是該選擇阻抗是開關元件Ql、Q2的輸出端子之間看到的負載阻抗。每條從例如開關元件Q1、Q2的輸出端子到初級線圈輸入端的印刷電路板印刷線進一步添加電感，這依賴于印刷線長度和寬度。開關模塊14a、14b布置在跨越合并器模塊16的推挽式構造中。更具體地說，開關元件Q1、Q2的輸出端子通過電感L3、L4連接到變壓器T2的初級線圈的末端子上。這種構造提供跨越變壓器T2的推挽式布置，分別用于開關元件Q1、Q2的每個輸出端子的電壓供給Vdd由變壓器T2的初級線圈的中心銷提供。因此，供給電壓Vdd通過供給饋送RF扼流圈L2向開關元件Q1、Q2的輸出端子提供供給電壓。變壓器T2的次級線圈具有與地連接的第一端子和與輸出模塊18連接的第二端子。輸出模塊18包括在CLC網(wǎng)絡中布置的電容器C5、C7和電感器L6。輸出模塊18產(chǎn)生輸出給負載20的輸出信號，負載20在圖2中示出為等離子體腔。然而本領域的技術人員將認識到，負載20可以不是等離子體腔并且可以是任何對振蕩功率信號(例如RF信號輸入)輸入做出響應的負載。輸出模塊18的CLC電路可以體現(xiàn)為包括連接在變壓器T2的次級線圈和等離子體腔之間的串聯(lián)輸出電容的等價電路。在多個實施例中，串聯(lián)輸出電容根據(jù)輸出CLC網(wǎng)絡的串聯(lián)容抗被變換給變壓器T2的初級線圈。在多個實施例中，忽略初級線圈側(cè)的串聯(lián)輸出電容是有用的，因為不需要DC解耦合并且峰值電流在次級線圈側(cè)較低。類似地，電阻由輸出模塊18的輸出CLC網(wǎng)絡的實部提供，該實部然后同樣通過變壓器比變換。在多個實施例中，輸出網(wǎng)絡Q=2是低的，并且提供較寬帶寬和更大穩(wěn)定性。根據(jù)多個實施例，圖I和圖2的系統(tǒng)能在具有第一構造的AB類特性的模式、具有第二構造的E類特性的模式以及AB類和E類中間的模式下工作。對于給定的輸入信號來說，還可以在具有第一構造的AB類特性的模式和具有第二構造的E類特性的模式之間調(diào)整。作為非限定示例，通過改變電容器C5和C7的值，能夠?qū)τ诮o定輸入信號實現(xiàn)AB類特性和E類特性之間的工作。在多個實施例中，調(diào)整輸出CLC網(wǎng)絡中的C7和C5允許可變種類特性功率放大器10的工作在AB類和E類工作特性之間的連續(xù)范圍內(nèi)變化。在多個實施例中，通過提高電容器C7的值，工作可以向E類特性及遠離AB類特性調(diào)整。類似地，通過降低C7的電容，可變種類放大器10的工作能從E類特性工作向AB類特性工作變化。電容器C5的值也被改變，以能夠在E類特性和AB類特性之間工作。因此多個實施例提供在推挽式構造中具有E類工作特性的功率放大器。各個實施例還公開可在AB類工作特性和E類工作特性之間調(diào)整的放大器。關于從E類和AB類特性工作的調(diào)整，多個實施例可以采用下列步驟?？梢詫7的值增大大約15%。這使變壓器次級線圈(和初級線圈)側(cè)的阻抗的實部升高15%，從而降低等價網(wǎng)絡的串聯(lián)LC共振的Q。改變C7還具有減少串聯(lián)LC共振的中心頻率的作用，從而重確定共振頻率的中心。然后將C5的值減小大約6%。為了從AB類工作特性向E類工作特性調(diào)整，應用相反步驟。在多個其它實施例中，為了從AB類工作特性向E類工作特性轉(zhuǎn)移，可以將輸出阻抗的實部減小大約33%，將輸出阻抗的虛部減小大約50%，如能關于圖7看出的。在多個實施例中，晶體管導通角基本不變，但是漏極電壓在OV或OV附近花費的時間量卻確實變化。在AB類特性操作中，漏極電壓在滿輸出功率時在OV上基本不花費時間。在E類特性工作中，漏極電壓花費OV上或OV附近的下降周期的持續(xù)部分。當晶體管以低漏電壓導電時，晶體管功耗較少，因此功率放大器效率較高。此外，在AB類特性工作中，開 關元件Q1、Q2經(jīng)常被具有一般的關聯(lián)導通角的直流(DC)偏置，如圖所示。因此可變種類特性放大器10能夠在具有多種放大器種類特性，例如E類工作特性和AB類工作特性的模式之間調(diào)節(jié)。圖3A-3C是示例圖，其示出根據(jù)多個實施例設置的60MHz可變種類特性功率放大器的示例實施例用的開關模塊14a、14b的輸出端子(Ql、Q2的漏極)的電壓波形和電流波形。圖3A-3C分別示出E類特性工作模式、中間特性工作模式和AB類特性工作模式的輸出端子電壓和輸出端子電流之間的示例關系。波形24v E和24i E分別表示E類工作特性用的推挽式構造的第一晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。波形26v E和26i E分別表示E類工作特性用的推挽式構造的第二晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。類似地，波形24v I和24i I分別表示E類工作特性和AB類工作特性中間的工作用的推挽式構造的第一晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。波形26v I和26i I分別表示E類工作特性和AB類工作特性中間的工作用的推挽式構造的第二晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。類似地，波形24v AB和24i AB分別表示AB類工作特性用的推挽式構造的第一晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。波形26v AB和26i AB分別表示AB類工作特性用的推挽式構造的第二晶體管的漏極處的電壓波形和電流波形。如通過比較圖3A和圖3C能看出的，波形24v E和26v E具有比波形24v AB和26v AB高的峰值。如還能夠看出的，波形24i E和26i E保持在0電流位置比波形24i AB和26i AB更長的時間。圖3A的E類用的波形表示相對于圖3C的AB類用的波形在效率方面提聞大約10%。在多個實施例中，輸出模塊18的輸出CLC網(wǎng)絡還提供濾除功率放大器瞬變或帶外能量的附加益處。例如，在多個實施例中，所選擇的瞬變或帶外能量降低28dB到55dB，其它瞬變或帶外能量降低33dB到58dB。輸出模塊18的CLC網(wǎng)絡還通過添加損耗使開關模塊14a、14b與負載失配隔離并且衰減由非線性負載產(chǎn)生的返回的瞬變或帶外能量。瞬變和帶外能量在高電壓駐波比(VSWR)期間快速升高。因此電容器Rl允許消耗一部分的反射功率。
圖4示出依據(jù)多個實施例設置的可變種類特性放大器10的示例第一開關元件Ql的輸出端子(漏極)的電壓波形30和示例第二開關元件Q2的輸出端子(漏極)的電壓波形
32。圖4的波形對應于E類特性模式下的工作，其示出對于大約600瓦特(watt)的輸出功率和16dB的RF增益的情況大約78%的效率。如能從圖4中看出的，零伏特附近的波形形狀表示輸出變壓器T2在各個開關元件的漏極之間具有有限隔離。當另一開關元件接近其峰值時的附近看到信號突破時，這個有限隔離使其自己表現(xiàn)出來。圖4還示出代表施加給50 Q負載的輸出變壓器T2電壓的波形34。圖5描繪了示出當可變種類特性波形的工作移向AB類特性時示例開關元件Ql或Q2的輸出端子(漏極)電壓38的示例波形。波形38表示AB類區(qū)域終止在大約450瓦特輸出功率處。因此，AB類特性從大約零瓦特延伸到大約450瓦特，在大約450瓦特處達到最大效率。效率在更高功率下更高，并且隨著可變種類功率放大器10進入E類特性工作，繼續(xù)變高。當放大器在其依賴于供電電壓的P3dB壓縮點處飽和時，出現(xiàn)最高效率。在多個實施例中，輸出變壓器T2 (其可以實現(xiàn)為巴倫(balun)變壓器)將輸出模塊18的CLC輸出網(wǎng)絡阻抗輸出給較低的實虛阻抗。因此，CLC網(wǎng)絡提供調(diào)整開關元件Ql、Q2的輸出位置的實組件和虛組件的能力。作為非限定示例，輸出模塊18組件的多個值能夠進行AB類和E類工作特性之間中間的調(diào)整。在多個實施例中，輸出模塊18的CLC網(wǎng)絡將50 Q變換到輸出變壓器T2次級線圈上串聯(lián)的49 Q-j68 Q (39pF)，該輸出變壓器T2次級線圈上串聯(lián)的49 Q-j68 Q (39pF)被變換為開關元件Ql、Q2的推挽式輸出端子之間的
5.2Q-J3. IQ (7.9nH)的阻抗。這包括變壓器漏電感。在多個實施例中，所測量的增益是在600W的輸出和78%的效率下大約16. ldB。對照圖6，圖6示出史密斯圓圖，在多個實施例中其表示輸出模塊18調(diào)整的影響。具體地說，輸出模塊18的電容器C5、C7和電感器L6可以改變，以便影響可變種類特性功率放大器10在AB類工作特性和E類工作特性之間的工作。如在圖6中能看出的，輸出模塊18的電容器C7的值限定在點42處終止的弧線40。在范圍內(nèi)改變電容器C7的值限定沿弧線40與C7的具體值對應的一組點46。類似地，選擇輸出模塊18的電感器L6的值確定沿弧線50的點48，弧線50在點42開始并在點48終止。對于給定的電感器L6的值來說，該組點52對應于電容器C7的多個值。選擇輸出模塊18的電容器C5的值導致沿弧線56的端點54，弧線56從端點48開始。點54結(jié)合輸出負載確定輸出CLC網(wǎng)絡的阻抗。圖6對表示可變電容C5和C7在實軸和虛軸上提供兩個自由度具有指導意義。此外，圖6表示在多個實施例中，主要調(diào)整C7，同時稍調(diào)整電容C5，以便改變功率放大器10在AB類特性和E類特性之間的工作。圖7描繪了用于可變種類特性放大器10的特殊調(diào)整布置的史密斯圓圖。數(shù)據(jù)點60表示根據(jù)多個實施例的對E類工作特性的具體調(diào)整的CLC阻抗。數(shù)據(jù)點62表示根據(jù)多個實施例的對AB類工作特性的具體調(diào)整的CLC阻抗。數(shù)據(jù)點64表示根據(jù)多個實施例的對E類和AB類中間工作的具體調(diào)整的CLC阻抗。圖8描繪了根據(jù)多個實施例的可變種類特性放大器70。本發(fā)明中將可變種類放大器描述為單端放大器。根據(jù)多個實施例，可變種類放大器70接收施加給輸入模塊72的輸入信號，輸入模塊72提供輸入模塊72的輸入和開關模塊74之間的阻抗變換。來自輸入模塊72的輸出施加給開關模塊74，開關模塊74對輸入信號進行響應，以提供開關信號給輸出、模塊76。輸出模塊76接下來產(chǎn)生施加給負載78的輸出信號。圖9描繪了與圖8的至少多個部分對應的電路。輸入模塊72接收輸入信號。輸入模塊72包括具有電容器C10、C11和電感器L14的CLC電路。來自形成輸入模塊72的一部分的CLC電路的輸出通過DC阻隔電容器C12施加給開關元件QlO的柵極。圖9中，開關元件QlO示出為M0SFET，但是本領域的技術人員將認識到，可以使用除MOSFET以外的其它開關元件。開關元件QlO的柵極被由V柵和電阻器RlO形成的電壓源偏置?？勺兎N類特性放大器70設置為單端放大器。因此，開關元件QlO的漏極通過與電感器L12串聯(lián)的電感器Lll連接到電壓源Vdd上。來自開關元件QlO的輸出被輸入給輸出模塊76，輸出模塊76包括包含電容器C13、電感器L12和電容器C14的CLC輸出電路。來自輸出模塊76的輸出施加給負載78，負載78在圖9中示出為電阻器&。在工作時，圖8和圖9的可變種類特性原理與圖I和圖2的特性原理類似，但是可變種類特性放大器70設置為單端放大器，而不是在推挽式構造中設置的一對開關元件。通過改變輸出模塊76的電容器C14和電阻器&的值，可變種類特性放大器70的工作可在AB 類工作特性和E類工作特性之間變化。此外在工作時，根據(jù)多個實施例，為了從AB類特性移向E類特性，增大電容器C14的值并減小&，這使得放大器70的種類特性能對于給定輸入信號而變化。圖10A-10C是示例繪圖，其示出根據(jù)多個實施例設置的60MHz單端可變種類特性功率放大器的示例實施例用的輸出端子(Q10的漏極)的電壓波形和電流波形。圖10A-10C分別示出對于E類、中間類和AB類工作特性的情況輸出端子漏電壓80v和輸出端子漏電流80i之間的示例關系。波形80v E和80i E分別表示E類工作特性的單端構造中晶體管漏極的電壓波形和電流波形。類似地，波形80v I和80i I分別表示E類工作特性和AB類工作特性中間工作的單端構造中晶體管漏極的電壓波形和電流波形。同樣地，波形80v AB和80i AB分別表示E類工作特性的單端構造中晶體管漏極的電壓波形和電流波形。如通過比較圖IOA和圖IOC能看出的，波形80v E具有比波形80v AB更高的峰值。如還能看出的，波形80i E在0電流處保持比波形80i AB和26i AB更長的時間。圖IOA的E類波形表示相對于圖IOC的AB類波形在效率方面大約10%的升高。本發(fā)明中描述的可變種類特性放大器的多個實施例將瞬變和帶外能量耗散到供電饋送電阻器Rl內(nèi)，供電饋送電阻器Rl幫助在高輸出功率和高VSWR負載條件期間提高晶體管可靠性和電路穩(wěn)定性。在多個實施例中，向具有所有相位的無窮大VSWR負載的穩(wěn)定電路工作是通過不將輸入變壓器Tl (其可以是巴倫變壓器)的中心抽頭與地連接而增強的。通過讓該連接懸浮，從開關模塊14a、14b的輸入側(cè)消除調(diào)諧的共振，否則這在高RF功率從失配負載反射回到晶體管漏極時干擾電路工作。在多個實施例中，由于Cgd電容和整體功率放大器S參數(shù)S12特性，被反射的RF到達晶體管柵極。在多個實施例中，由于高輸出功率以及當存在高VSWR負載時，瞬變和帶外能量可以在輸出變壓器T2的輸出側(cè)的中心抽頭處出現(xiàn)，而基本能量不出現(xiàn)。在多個實施例中，作為非限定示例，具有5Q到IOQ之間的Rl電阻器值將有效地耗散來自高VSWR負載的一些反射功率，因此幫助隔離和保護推挽式晶體管不受高電壓和大電流影響。這提高電路穩(wěn)定性且有助于防止雜散輸出。在多個實施例中，對輸出模塊18、76的組件進行調(diào)整，以便產(chǎn)生所期望的具有有用的效率方面和負載拉移穩(wěn)定性方面的種類特性工作。一般來說，在匹配阻抗開啟狀態(tài)下，開關模塊14a、14b、74的導通角越大以及開關模塊14a、14b、74的輸出越長，穩(wěn)定性容限將越大，因此在高VSWR負載期間雜散輸出的概率越低。多個實施例提供較高效率，較高效率轉(zhuǎn)化成較低運行成本和較好可靠性。此外，在AB類特性和E類特性之間靈活調(diào)整提供更響應良好的功率控制。當在E類特性模式下工作時，多個實施例在動態(tài)功率范圍最高點具有較柔緩的限制，這降低系統(tǒng)輸出功率控制的響應性，這可能在一些應用中是不希望發(fā)生的。此外，多個實施例提供較低成本的設計，因為用更少的組件的精簡設計。不太復雜的可變種類特性功率放大器10、70提供減小的尺寸，這能導致提高的功率密度。多個實施例還通過減小的開關模塊14a、14b、74晶體管應力和較少的組件來提供更好的可靠性。多個實施例還將穩(wěn)定性改進到開放線纜負載(無窮大VSWR)內(nèi)，僅提供十分低程度的雜散輸出。作為示例，這是通過瞬變和帶外能量被吸入10歐姆(Ohm)和懸浮輸入變壓器內(nèi)提供的。由于輸出模塊18、76調(diào)整的低通特性，多個實施例還大幅地限制上述瞬變和帶外能量。以與隔離器類似的方式，高反射功率被消耗在電阻負載內(nèi)。由于基頻在變壓器T2 中心抽頭處被衰減，所以在正常工作期間對效率的影響是最低的。在多個實施例中，當針對AB類特性工作進行調(diào)整時，對在開關模塊14a、14b的輸出之間存在的負載線路進行優(yōu)化，以獲得最大功率轉(zhuǎn)移和增益。如在AB類特性工作下預期的一樣，生成波形大約是雙倍的供電電壓Vdd。在多個實施例中，當針對E類特性工作進行調(diào)整時，將電阻負載線調(diào)整到較低阻抗，因此串聯(lián)共振器的Q更高。這種具有較高Q的失配負載線導致較高峰到峰輸出電壓，這意味著開關元件Q1、Q2、QlO在導通，而輸出電壓接近OV0這導致提升的效率，但是以稍低的增益和輸出功率為代價。在多個實施例中，輸出變壓器T2具有下列作用，其將在其次級線圈輸出側(cè)上由輸出模塊18的CLC和50歐姆的負載20產(chǎn)生的49歐姆和39pF (作為非限定示例)的串聯(lián)電阻和電容變換成在其初級線圈的在兩個晶體管漏極之間的輸入側(cè)上的5. 2歐姆和7. 9nH的串聯(lián)阻抗(包括變壓器漏電感)。通過調(diào)整該串聯(lián)的阻抗，有可能在AB類共軛匹配和E類輸出共振器之間進行調(diào)整。在多個實施例中，開關模塊14a、14b的輸出波形在形狀上與AB類放大器類似，直到飽和狀態(tài)前的動態(tài)范圍的最后結(jié)束部分為止，在這里其進入具有E類放大器特性的區(qū)域。根據(jù)需要，E類工作特性區(qū)域的輸出模塊18、76調(diào)整可以更加向AB類工作特性調(diào)整，以獲得最大輸出功率和負載拉移穩(wěn)定性，或者更加向E類調(diào)整，以獲得峰值效率。多個實施例提供推挽式功率放大器拓撲電路設計和輸出網(wǎng)絡調(diào)整，這允許使用相同的印刷電路板設計在AB類工作特性和E類工作特性之間的連續(xù)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)或調(diào)整可變種類特性功率放大器10、70。在多個實施例中，這允許將可變種類特性功率放大器10、70調(diào)整到最大效率，可變種類特性功率放大器10、70還滿足穩(wěn)定工作到所有相位下的無窮大VSffR內(nèi)。在多個實施例中，串聯(lián)電感是由變壓器T2泄漏提供的，串聯(lián)電容被移到變壓器次級線圈并且由CLC阻抗變換網(wǎng)絡提供。多個實施例可以在任何RF功率放大器或RF發(fā)生器的輸出級中使用。能夠?qū)牡蚆Hz直到GHz的任何頻段合成相當?shù)妮敵鼍W(wǎng)絡設計。功率放大器10、70在較低輸出功率下工作，但是仍具有較高的效率。在多個實施例中，功率放大器可以單獨地實現(xiàn)或者通過模塊18與匹配網(wǎng)絡的結(jié)合實現(xiàn)。在多個實施例中，電路設計通過提供用于瞬變和帶外能量的消耗負載，從開關模塊14a、14b輸出中限定無窮大VSWR負載，因此給不能在低RF頻率下應用的RF隔離器提供了部分可選方法。其它多個實施例為阻抗變換提供E類特性工作的串聯(lián)阻抗匹配。輸出模塊18、76的輸出CLC阻抗變換網(wǎng)絡還提供在沒有隔離的情況下直接合并兩個推挽式功率放大器輸出。實施例的上述描述為了圖示和說明而提供。其不旨在是詳盡的或限制本發(fā)明。具體實施例的單獨要素或特征通常不局限于該具體實施例，而是在適當時可互換并且能在選擇的實施例中使用，即使在該實施例中未明確示出或描述。還可以以多種方式改變這些單獨的要素或者特征。上述改變不要認為背離本發(fā)明，并 且所有這樣的修改旨在包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種功率放大器，包括 開關模塊，所述開關模塊接收輸入信號并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生開關模塊信號； 輸出模塊，所述輸出模塊接收所述開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號， 其中所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且其中所述輸出模塊的構造被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作。
2.根據(jù)權利要求I所述的功率放大器，其中所 述開關模塊包括開關元件，所述開關元件對所述輸入信號做出響應來產(chǎn)生穿越所述開關元件的電壓和電流。
3.根據(jù)權利要求2所述的功率放大器，其中所述輸出模塊至少包括電容元件和電感元件，其中所述電容元件的值可以是增大的值或減小的值中的一個，以致使在第一模式下工作。
4.根據(jù)權利要求3所述的功率放大器，其中所述電容元件的值可以是增大的值或減小的值中的另一個，以致使在第二模式下工作。
5.根據(jù)權利要求I所述的功率放大器，其中所述多個模式中的一個是AB類，所述多個模式中的另一個是E類。
6.根據(jù)權利要求I所述的功率放大器，其中所述開關模塊包括晶體管。
7.根據(jù)權利要求6所述的功率放大器，其中所述晶體管是MOFSET器件。
8.一種功率放大器,包括 開關模塊，所述開關模塊接收輸入信號并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生開關模塊信號； 輸出模塊，所述輸出模塊接收所述開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號，所述輸出模塊至少包括電容器和電感器， 其中所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且其中所述電容器的值被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述模式之間的工作。
9.根據(jù)權利要求8所述的功率放大器，其中所述電容器的值可以是增大的值或減小的值中的一個，以致使在第一模式下工作。
10.根據(jù)權利要求9所述的功率放大器，其中所述電容器的值可以是增大的值或減小的值中的另一個，以致使在第二模式下工作。
11.根據(jù)權利要求8所述的功率放大器，其中所述多個模式中的一個是AB類，所述多個模式中的另一個是E類。
12.根據(jù)權利要求11所述的功率放大器，其中所述開關模塊包括晶體管。
13.根據(jù)權利要求12所述的功率放大器，其中所述晶體管是MOSFET器件。
14.一種功率放大器,包括 第一開關模塊，所述第一開關模塊對輸入信號做出響應并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第一開關模塊信號； 第二開關模塊，所述第二開關模塊與所述第一開關模塊一起設置在推挽式構造中，所述第二開關模塊對所述輸入信號做出響應并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第二開關模塊信號，所述第一開關模塊信號和所述第二開關模塊信號配合來產(chǎn)生復合開關模塊信號； 輸出模塊，所述輸出模塊接收所述復合開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號， 其中所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且其中所述輸出模塊的構造被改變，以針對所述輸入信號實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作。
15.根據(jù)權利要求14所述的功率放大器，其中所述輸出模塊至少包括電感元件和第一電容元件。
16.根據(jù)權利要求15所述的功率放大器，還包括第二電容元件。
17.根據(jù)權利要求14所述的功率放大器，其中所述第一開關模塊包括第一開關元件，并且所述第二開關模塊包括第二開關元件。
18.根據(jù)權利要求17所述的功率放大器，其中所述第一開關元件包括第一晶體管器件，所述第二開關元件包括第二晶體管器件，并且其中所述第一晶體管的輸出端子和所述第二晶體管的輸出端子被連接，以形成所述推挽式布置。
19.根據(jù)權利要求18所述的功率放大器，其中所述輸出模塊包括變壓器，所述變壓器具有初級線圈和次級線圈，并且其中所述第一晶體管的輸出端子和所述第二晶體管的輸出端子分別連接到所述初級線圈的第一端子和第二端子。
20.根據(jù)權利要求19所述的功率放大器，還包括電壓源，所述電壓源通過所述初級線圈的至少一部分與所述第一晶體管的輸出端子和所述第二晶體管的輸出端子電通信。
21.根據(jù)權利要求20所述的功率放大器，還包括介于所述電壓源和所述初級線圈的所述至少一部分之間的電感。
22.根據(jù)權利要求14所述的功率放大器，其中所述輸出模塊還包括包含電感器和第一電容器的網(wǎng)絡。
23.根據(jù)權利要求22所述的功率放大器，其中所述輸出模塊還包括第二電容器，所述第一電容器、所述第二電容器和所述電感器設置在CLC網(wǎng)絡中。
24.一種功率放大器,包括 第一開關模塊，所述第一開關模塊對輸入信號做出響應并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第一開關模塊信號； 第二開關模塊，所述第二開關模塊與所述第一開關模塊一起設置在推挽式構造中，所述第二開關模塊對所述輸入信號做出響應并根據(jù)所述輸入信號產(chǎn)生第二開關模塊信號，所述第一開關模塊信號和所述第二開關模塊信號配合來產(chǎn)生復合開關模塊信號； 輸出模塊，所述輸出模塊接收所述復合開關模塊信號并產(chǎn)生輸出信號，所述輸出模塊包括第一電容元件和電感元件， 其中所述功率放大器工作在具有多個功率放大器種類特性的多個模式下，并且其中所述電容元件的值被改變，以實現(xiàn)在所述多個模式之間的工作。
25.根據(jù)權利要求24所述的功率放大器，其中所述第一開關模塊包括第一開關元件，所述第二開關模塊包括第二開關元件，所述第一開關元件和所述第二開關元件對所述輸入信號做出響應，以產(chǎn)生穿越所述開關元件的電壓和電流。
26.根據(jù)權利要求24所述的功率放大器，其中所述電容元件是增大的值或減少的值中的一個，以致使在第一模式下工作。
27.根據(jù)權利要求26所述的功率放大器，其中所述電容元件可以是增大的值或減少的值中的另一個，以致使在第二模式下工作。
28.根據(jù)權利要求26所述的功率放大器，還包括第二電容元件，其中所述第一電容元件、所述第二電容元件和所述電感元件被布置在PI網(wǎng)絡中。
29.根據(jù)權利要求24所述的功率放大器，其中所述多個模式中的一個是AB類，所述多個模式中的另一個是E類。
30.根據(jù)權利要求24所述的功率放大器，其中所述第一開關模塊包括第一開關元件，并且所述第二開關模塊包括第二開關元件。
31.根據(jù)權利要求30所述的功率放大器，其中 所述第一開關元件和所述第二開關元件包括晶體管。
32.根據(jù)權利要求24所述的功率放大器，其中所述輸出模塊包括變壓器，所述變壓器具有初級線圈和次級線圈，并且其中所述第一開關模塊和所述第二開關模塊分別包括第一輸出端子和第二輸出端子，其中所述第一輸出端子和所述第二輸出端子分別連接到所述初級線圈的第一端子和第二端子。
33.根據(jù)權利要求32所述的功率放大器，還包括電壓源，所述電壓源通過所述初級線圈的至少一部分與所述第一開關模塊的輸出端子和所述第二開關模塊的輸出端子中的至少一個電通信。
34.根據(jù)權利要求33所述的功率放大器，還包括介于所述電壓源和所述初級線圈的所述至少一部分之間的電感元件。
35.一種功率放大器,包括 第一開關器件，所述第一開關器件對輸入信號做出響應，以產(chǎn)生第一開關器件信號； 第二開關器件，所述第二開關器件與所述第一開關器件一起設置在推挽式構造中，所述第二開關器件對所述輸入信號做出響應，以產(chǎn)生第二開關器件信號，所述第一開關器件信號和所述第二開關器件信號配合來產(chǎn)生復合開關器件信號； 輸出模塊，所述輸出模塊接收所述復合開關器件信號并產(chǎn)生輸出信號，所述輸出模塊包括第一電容器和電感器， 其中所述功率放大器工作在具有AB類功率放大器種類或E類功率放大器種類特性的多個模式下，并且其中所述電容器的值被改變，以實現(xiàn)所述多個模式之間的工作。
36.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，其中所述第一開關器件和所述第二開關器件對所述輸入信號做出響應，以產(chǎn)生穿越相應開關器件的電壓和電流。
37.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，其中所述第一電容器的值是增大的值或減小的值中的一個，以致使在第一模式下工作。
38.根據(jù)權利要求37所述功率放大器，其中所述第一電容器的值可以是增大的值或減小的值中的另一個，以致使在第二模式下工作。
39.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，其中增大所述第一電容器的值致使在E類模式下工作，減小所述第一電容器的值致使在AB類模式下工作。
40.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，還包括第二電容器，其中所述第一電容器、所述第二電容器和所述電感器設置在PI網(wǎng)絡中，并且所述第一電容器與所述電感器的與接收所述復合開關器件信號的端子對置的端子電通信。
41.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，其中所述第一開關器件和所述第二開關器件分別包括第一晶體管和第二晶體管。
42.根據(jù)權利要求41所述的功率放大器，其中所述第一晶體管器件和所述第二晶體管器件是MOSFET器件。
43.根據(jù)權利要求35所述的功率放大器，其中所述輸出模塊包括變壓器，所述變壓器具有初級線圈和次級線圈，并且其中所述第一開關器件和所述第二開關器件分別包括第一輸出端子和第二輸出端子，其中所述第一輸出端子和所述第二輸出端子分別連接到所述初級線圈的第一端子和第二端子。
44.根據(jù)權利要求43所述的功率放大器，還包括電壓源，所述電壓源通過所述初級線圈的至少一部分與所述第一開關器件的輸出端子和所述第二開關器件的輸出端子中的至少一個電通信。
45.根據(jù)權利要求43所述的功率放大器，還包括電壓供給電感器，所述電壓供給電感器介于所述電壓源和所述初級線圈的所述至少一部分之間。
46.根據(jù)權利要求45所述的功率放大器，還包括與所述電壓供給電感器并聯(lián)的電阻元件。
全文摘要
一種可在兩個工作種類間可調(diào)整地工作的功率放大器(PA)。工作范圍位于傳統(tǒng)線性共軛匹配AB類特性放大器和較高效率開關E類特性放大器之間的工作范圍內(nèi)。允許E類工作特性的具有推挽式構造(Q1、Q2)的電路拓撲。
文檔編號H03F3/217GK102742155SQ201180005284
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2010年4月2日
發(fā)明者克里斯托弗·邁克爾·歐文, 約根德拉·K·肖拉 申請人:Mks儀器有限公司