混合類放大器的制造方法
【專利說(shuō)明】混合類放大器
[0001]本申請(qǐng)是2008年9月I日提交的中國(guó)專利申請(qǐng)N0.200880130947.7的發(fā)明名稱為“混合類放大器”的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體涉及一種能夠在不同類模式下操作的放大器，以及更具體地，涉及用于將放大器配置為具有C類放大器的所選特征以及F類或者反相F類放大器的所選特征的機(jī)制和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003]移動(dòng)電信服務(wù)的快速發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)于低成本、低功率和縮減尺寸及重量的設(shè)備的需求日益增加。一種這類設(shè)備存在于用于移動(dòng)通話的基站和終端中的發(fā)射機(jī)中，以及用于廣播和其他無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中。發(fā)射機(jī)采用功率放大器來(lái)對(duì)到天線的射頻(RF)信號(hào)進(jìn)行放大。通常，功率放大器必須是高效的，不要過(guò)熱，需要額外的冷卻或汲取較少功率，以增大電池使用時(shí)間并降低功率成本。
[0004]放大器效率的一方面與功率放大器所使用的電流和電壓波形相關(guān)。更具體地，放大器效率與作為功率放大器一部分的晶體管上的同時(shí)電壓降以及流過(guò)該晶體管的電流的量相關(guān)。電壓降和流過(guò)晶體管的電流的減小導(dǎo)致所使用的功率減小。電壓降和流過(guò)晶體管的電流的減小由晶體管處的電壓和電流的波形指示。高(最大)輸出功率的最優(yōu)波形不同于低輸出功率(相對(duì)于最大輸出)的波形，并且用于獲得那些波形的傳統(tǒng)電路是彼此排斥的。為了更好地理解示例性實(shí)施例，接下來(lái)討論功率放大器的現(xiàn)有技術(shù)。
[0005]傳統(tǒng)上，根據(jù)功率放大器的電流和電壓的線性和波形，將功率放大器分為不同的類。兩類主要的功率放大器是線性和非線性功率放大器。A類、AB類、B類和C類對(duì)應(yīng)于線性功率放大器，而D類和F類對(duì)應(yīng)于非線性功率放大器。在這方面，圖1A示出了線性功率放大器的輸出，圖1B示出了非線性功率放大器的輸出。圖1A和圖B的軸使用任意單位。接下來(lái)，更詳細(xì)地討論A類、AB類、B類、C類、D類和F類。每一類由電路屬性(對(duì)于一些類是相同的)以及施加至晶體管的偏置(在一些類之間是不同的)來(lái)表征。
[0006]A類功率放大器定義為如圖2所示的被偏置以使得輸出電流始終流過(guò)的放大器，以及輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平保持足夠小，以避免在截止區(qū)域中驅(qū)動(dòng)晶體管。換言之，晶體管的導(dǎo)通角為360°，這意味著晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期導(dǎo)通。這種屬性使得A類功率放大器是所有放大器類型中最為線性的放大器。
[0007]B類功率放大器是其中晶體管的導(dǎo)通角約為180°的放大器，如圖3所示。在這一類中，電流波形是半波形整流正弦波，電壓由并聯(lián)諧振儲(chǔ)能電路限制于供電電壓的正弦偏移。用于B類操作的理想晶體管具有截止以上的恒定跨導(dǎo)和正好在截止處偏置的柵極或基極。因此，直流(DC)供電電流與RF輸出電流成正比(S卩，與半波整流正弦波的基本諧波分量成正比)。正弦RF輸出電壓還與RF輸出電流成比例(針對(duì)公共線性負(fù)載電阻)。這使得功率放大器的效率與輸出信號(hào)的幅度成比例。
[0008]恒定供電電壓的B類放大器的效率與輸出電壓成比例，對(duì)于無(wú)損電路中的理想器件最大高達(dá)78.5%。因此，輸出平均信號(hào)電平低于最大(峰值)電平(即，具有較高峰均比)的信號(hào)的B類放大器的平均效率低于最大輸出處的效率。
[0009]一些晶體管(以下稱為“準(zhǔn)線性”)不具有截止以上的恒定跨導(dǎo)，但是可以看作為具有第一基本線性的部分，隨后是基本恒定的部分(在該部分上效率通常再次下降)。在這種情況下，通過(guò)如圖4所示的所謂的AB類偏置來(lái)獲得最好的線性。選擇施加至柵極或基極的恒定(直流)偏置電壓作為跨導(dǎo)斜率上的點(diǎn)，跨導(dǎo)在該點(diǎn)周圍最大程度地(奇)對(duì)稱。在如圖4所示的簡(jiǎn)化模型中，這個(gè)點(diǎn)正好在跨導(dǎo)曲線的線性斜率部分的中間。
[0010]由于AB類的柵極偏置處于跨導(dǎo)斜率的中間，因而即便不存在RF信號(hào)，晶體管也汲取電流。因此，AB類功率放大器的效率(尤其是對(duì)于低信號(hào)幅度)低于如圖3所示的B類放大器的效率。AB類功率放大器的電流脈沖與B類的半波形整流正弦波脈沖類似，但在每一側(cè)補(bǔ)充了 “尾巴”。
[0011]當(dāng)偏置準(zhǔn)線性晶體管以使得該晶體管在沒(méi)有RF信號(hào)存在的情況下不汲取DC電流時(shí)，輸出響應(yīng)相對(duì)于輸入是非線性的。因此，效率好于理想B類放大器的效率，但是最大輸出較低(對(duì)于其他同等條件)。電流波形包括比理想的B類或AB類功率放大器窄的脈沖，這指示更高次諧波的更多內(nèi)容。
[0012]對(duì)于大多數(shù)晶體管，例如具有恒定跨導(dǎo)或準(zhǔn)線性跨導(dǎo)的那些晶體管，將偏置降低到截止電壓以下提供了甚至更窄的電流脈沖、更低的增益、更好的效率，并進(jìn)一步降低了最大輸出功率。這種操作模式定義了C類功率放大器。C類功率放大器是其中晶體管的導(dǎo)通角可以小于180°的放大器，并且該放大器的特性輸出如圖5所示。備選地，C類功率放大器的特征在于在功率放大器的晶體管處具有窄輸出電流脈沖。
[0013]通過(guò)將AB類上的柵極偏置增大至甚至在高幅度持續(xù)汲取電流的點(diǎn)，得到A類功率放大器。如上所述，由于汲取的DC供電電流較大，并且很大程度上獨(dú)立于信號(hào)電平，這一類對(duì)于小信號(hào)具有低效率。雖然效率較低，但仍使用A類功率放大器，這是因?yàn)樗鼈兊脑鲆姹绕渌惔?，這使得可以利用小驅(qū)動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)最大輸出。對(duì)于準(zhǔn)線性晶體管，針對(duì)瞬時(shí)漏極(集電極，或更一般地為有源器件的輸出節(jié)點(diǎn))電流方面的相同限制，A類放大器的最大RF輸出電流可以大于B類或AB類功率放大器的最大RF輸出電流。通過(guò)相應(yīng)地降低(晶體管所看到的)負(fù)載電阻，可以增大最大輸出功率。
[0014]上述類的操作可以通過(guò)同一個(gè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電路由RF儲(chǔ)能電路(與負(fù)載并聯(lián)的基頻處的并聯(lián)諧振器)來(lái)表征。RF儲(chǔ)能電路是必需的，因?yàn)樵趯⒄{(diào)諧的RF功率放大器耦合至其負(fù)載(天線或天線饋線)時(shí)，必須向功率放大器的輸出呈現(xiàn)將使放大器能夠傳送其額定功率的適當(dāng)負(fù)載電阻。RF儲(chǔ)能電路確保通過(guò)使得電流波形中的諧波短路來(lái)滿足該條件，由此迫使輸出電壓變?yōu)檎业?。輸出電路的其他功能是通過(guò)RF扼流圈向晶體管提供DC電流，以及阻止來(lái)自供電電壓的DC到達(dá)負(fù)載。由于用于上述類的電路是相同的，因而這些類操作之間的區(qū)別在于電流波形中由于晶體管的不同(DC)柵極偏置而導(dǎo)致的不同。
[0015]在F.E.Terman 和 F.A.Everest 的 “Dynamic-shift grid-bias modulat1n，，，Rad1，n0.211，pp.22-29，80-，July，1936中描述了使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格(柵極、基極)偏置技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大器中C類到A類的可變操作，以獲得調(diào)制以及高平均效率和高輸出功率。在R.Hellberg的瑞典專利SE 200201908中描述了對(duì)于該方案的改進(jìn)，以進(jìn)一步增大多載波信號(hào)的效率和線性。
[0016]非線性放大器包括D類和F類放大器，稍后將更詳細(xì)地描述這些放大器。相對(duì)于線性放大性的最大功率和效率的增大可以通過(guò)F類和反相F類放大器實(shí)現(xiàn)。F類和反相F類放大器的特征在于功率放大器的晶體管處的方形輸出電壓波形。如V.J.Tyler/^A newhigh efficiency high power amplifier，，，Marconi Review, vol.21, n0.130, pp 96-109，Third Quarter 1958and F.H.Raab/‘Maximum efficiency and output of class-F poweramplifiers”，IEEE trans.MTT，vol.49，n0.6，June 2001 中所描述的，F(xiàn) 類 / 反相 F 類的效果是為了獲得更加方形的電壓或電流波形。使用推挽式的布置連同開(kāi)關(guān)晶體管一起來(lái)獲得與F類放大器中相同的結(jié)果的是D類放大器，即波形相似，但是放大器不必