包含有效高線性度功率放大器的射頻前端模塊電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包含有效高線性度功率放大器的射頻前端模塊電路。提供了一種新穎的和有用的射頻(RF)前端模塊(FEM)電路，其提供高線性度和功率效率并符合現(xiàn)代無線通信標(biāo)準(zhǔn)(諸如802.11WLAN、3G和4G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)、藍(lán)牙，ZigBee等)的要求。所述FEM電路的配置允許使用常見的、相對(duì)低成本的半導(dǎo)體制造技術(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。所述FEM電路包括含有一個(gè)或多個(gè)子放大器的功率放大器，所述子放大器具有高和低功率電路并且其輸出被合成以產(chǎn)生總的所需的功率增益。具有被布置為新穎配置的初級(jí)和次級(jí)繞組的集成多抽頭變壓器提供高效的功率合成并將由各子放大器生成的功率傳輸?shù)教炀€。
【專利說明】包含有效高線性度功率放大器的射頻前端模塊電路
[0001]優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)的引用
[0002]本申請(qǐng)要求下列的優(yōu)先權(quán):2012年9月23日提交的序列號(hào)N0.61/704，510、題為“An Integrated Transformer (集成變壓器)”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年9月25日提交的序列號(hào) N0.61/705，150、題為 “A Method and System for Noise Reduction in WirelessCommunication(用于無線通信中降噪的方法和系統(tǒng))”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年10月30日提交的序列號(hào) N0.61/720，001、題為 “System and Method for Radio Frequency SignalAmplifiCation(射頻信號(hào)放大的系統(tǒng)和方法)”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年11月15日提交的序列號(hào) N0.61/726，699、題為 “DC DC Converter with Fast Output Voltage Transitions (具有快速輸出電壓轉(zhuǎn)換的DC-DC變壓器)”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年11月15日提交的序列號(hào) N0.61/726，717、題為“High-Efficiency Envelop Tracking Method and SystemUtilizing DC-DC Converter With Fast Output Voltage Transitions (利用具有快速輸出電壓轉(zhuǎn)換的DC-DC變壓器的高效包絡(luò)跟蹤方法和系統(tǒng))”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年11月16日提交的序列號(hào)為 N0.61/727，120、題為 “A Method and Device for Self Aligned PA andLNA VSffR Out/In Improvement, Dynamically Adjust to Antenna(用于自對(duì)準(zhǔn) PA 和 LNAVSWR輸出/輸入改進(jìn)、動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的方法和設(shè)備)”的美國(guó)申請(qǐng)，2012年11月16日提交的序列號(hào) N0.61/727，121、題為 “A Method and Device for Self Aligned LinearityDriven LNA Improvement (自對(duì)準(zhǔn)線性驅(qū)動(dòng)LNA改進(jìn)的方法和裝置)”的美國(guó)申請(qǐng),其所有內(nèi)容在此引入作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及射頻(RF)電路，更具體地，涉及具有高線性度和高效率功率放大器的RF前端模塊(FEM)電路。
【背景技術(shù)】
[0004]目前，無線通信系統(tǒng)在涉及從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的信息傳輸?shù)脑S多場(chǎng)景中找到應(yīng)用，并且存在適于滿足每個(gè)場(chǎng)景的特定需要的廣泛形態(tài)。這些系統(tǒng)包括用于遠(yuǎn)距離語音通信的蜂窩電話和雙向無線電，以及用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的短程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等等。一般來說，無線通信涉及進(jìn)行調(diào)制以表示數(shù)據(jù)的射頻(RF)載波信號(hào)以及符合一組標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送、接收和解調(diào)。對(duì)于無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，示例性標(biāo)準(zhǔn)包括無線LAN(IEEE802.11)、藍(lán)牙(IEEE802.15.1)以及ZigBee (IEEE802.15.4)，它們通常是時(shí)域雙工系統(tǒng)，其中在時(shí)分通信信道上仿真雙向鏈路。
[0005]無線通信系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分是包括發(fā)射器和接收器電路的收發(fā)器。具有數(shù)字基帶子系統(tǒng)的收發(fā)器將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼到基帶信號(hào)并且將基帶信號(hào)與RF載波信號(hào)一起調(diào)制。用于WLAN的調(diào)制包括正交頻分復(fù)用(OFDM)、正交相移鍵控(QPSK)和正交振幅調(diào)制(16QAM、64QAM);用于WLAN的調(diào)制包括GFSK和4/8-DQPSK ；以及用于Zigbee的調(diào)制包括BPSK 和 OQPSK (或 MSK)。[0006]從天線收到信號(hào)后，該收發(fā)器將RF信號(hào)下變頻，解調(diào)基帶信號(hào)并且將由基帶信號(hào)所表示的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼。連接到收發(fā)器的天線將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波并且反之亦然。根據(jù)具體的配置，所述收發(fā)器可以包括專用發(fā)送(TX)線和專用接收(RX)線或者收發(fā)器可以具有組合的發(fā)送/接收線。在單獨(dú)的TX和RX線的情況下，發(fā)送線和接收線通常結(jié)合到單個(gè)天線，尤其是對(duì)于低成本和/或小尺寸的應(yīng)用。
[0007]在收發(fā)器和天線之間的電路通常稱為前端模塊(FEM)。該FEM包括RF功率放大器(PA)，其通過放大諸如蜂窩電話手機(jī)之類的無線設(shè)備中的較弱的輸入信號(hào)來生成輸出發(fā)送信號(hào)。許多這些通信設(shè)備被配置為工作在用于不同通信系統(tǒng)的不同頻帶中。例如，第三代(3G)蜂窩通信系統(tǒng)、4G蜂窩(LTE)系統(tǒng)、802.1lWLAN系統(tǒng)等等。
[0008]因此，希望有一種前端模塊，其能夠滿足現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(如802.11、3G和4G蜂窩系統(tǒng))的性能要求，同時(shí)降低制造復(fù)雜性、尺寸和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是一種新穎的和有用的射頻(RF)前端模塊(FEM)電路，其提供高線性度和功率效率，并滿足現(xiàn)代無線通信標(biāo)準(zhǔn)(例如802.11WLAN、3G和4G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)、藍(lán)牙、ZigBee等)的要求。FEM電路的配置允許使用常見的、相對(duì)低成本的半導(dǎo)體制造技術(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。所述FEM電路包括雙模功率放大器，其包括一個(gè)或者多個(gè)子放大器，將這些子放大器的輸出相合成以產(chǎn)生總的所需的功率增益。具有以新穎的配置而布置的初級(jí)和次級(jí)繞組的多抽頭變壓器提供了高效的功率合成并將單獨(dú)子放大器所生成的功率傳送給天線。
[0010]因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種射頻(RF)前端模塊(FEM)，其包括:具有TX端口、RX端口和天線端口的TX/RX開關(guān)，所述天線端口耦合到外部天線；低噪聲放大器(LNA)，其耦合到所述RX端口并適于放大從所述天線接收到的信號(hào)；以及功率放大器電路，其包括:一個(gè)或多個(gè)子放大器電路，每個(gè)子放大器可操作以提供所述功率放大器的總功率的一部分；功率合成器，其可操作以將所述一個(gè)或多個(gè)子放大器電路的輸出相合成，從而產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的輸出信號(hào)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種射頻(RF)前端模塊(FEM)，其包括:耦合到一個(gè)或多個(gè)天線的射頻開關(guān)，其可操作以在一個(gè)或多個(gè)頻帶中接收和發(fā)送射頻信號(hào)；功率放大器電路，其適于接收TX射頻輸入信號(hào)，并生成射頻輸出信號(hào)以輸入到所述射頻開關(guān)，所述功率放大器電路包括多個(gè)子放大器電路，每個(gè)放大器電路可操作以提供所述功率放大器電路的總功率的一部分，每個(gè)子放大器電路包括多個(gè)放大器，每個(gè)放大器被指定為處理TX射頻輸入信號(hào)的一部分，將所有子放大器電路的所述多個(gè)放大器的輸出合成以生成具有所需的總功率增益的功率放大器電路輸出；以及低噪聲放大器(LNA)，其適于從射頻開關(guān)接收射頻輸入信號(hào)并生成RX射頻輸入信號(hào)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種實(shí)現(xiàn)射頻(RF)前端模塊(FEM)的方法，包括:提供具有TX端口、RX端口和天線端口的TX/RX開關(guān)，所述天線端口耦合到外部天線，所述外部天線可操作以在一個(gè)或多個(gè)頻帶中接收和發(fā)送信號(hào)JfTX信號(hào)分路成多個(gè)TX子信號(hào)；使用可操作以放大子信號(hào)的低功率部分的相應(yīng)第一放大器和可操作以放大子信號(hào)的高功率部分的相應(yīng)第二放大器單獨(dú)放大每個(gè)TX子信號(hào)；將每個(gè)第一和第二放大器的針對(duì)所述多個(gè)TX子信號(hào)中的每個(gè)子信號(hào)的輸出相合成，以產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的信號(hào)；并提供低噪聲放大器(LNA)，其適于從射頻開關(guān)接收射頻輸入信號(hào)并為功率放大器生成RX射頻輸入信號(hào)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種移動(dòng)設(shè)備，其包括:射頻(RF)發(fā)射器、RF接收器、以及RF前端模塊(FEM)，所述FEM包括:具有TX端口、RX端口和天線端口的TX/RX開關(guān)，所述天線端口耦合到外部天線；低噪聲放大器(LNA)，其耦合到所述RX端口并適于放大從所述天線接收到的信號(hào)；功率放大器電路，其包括:一個(gè)或多個(gè)子放大器電路，每個(gè)子放大器可操作以提供所述功率放大器電路的總功率的一部分，其中，每個(gè)子放大器電路包括多個(gè)放大器，每個(gè)放大器被指定為處理所述輸入信號(hào)的一部分，其中將所述多個(gè)放大器的輸出合成以產(chǎn)生子放大器輸出；功率合成器，其可操作以將所述一個(gè)或多個(gè)子放大器電路的輸出合成以產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的輸出信號(hào)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]這里參考附圖僅通過舉例的方式對(duì)本發(fā)明加以描述，在附圖中:
[0015]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的示例雙頻段多芯片前端模塊(FEM)的框圖；
[0016]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的示例單芯片F(xiàn)EM電路的框圖；
[0017]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器的框圖；
[0018]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的FEM電路的示例RX路徑部分的框圖；
[0019]圖5是示出了 FEM電路的第一示例TX路徑部分的框圖；
[0020]圖6是示出了 FEM電路的第二示例TX路徑部分的框圖；
[0021]圖7是示出了 FEM電路的第三示例TX路徑部分的框圖；
[0022]圖8是示出了 FEM電路的第四示例TX路徑部分的框圖；
[0023]圖9是示出了 FEM電路的第五示例TX路徑部分的框圖；
[0024]圖10是示出了 FEM電路的第六示例TX路徑部分的框圖；
[0025]圖11是更詳細(xì)的示出了功率放大器電路的低和高部分的框圖；
[0026]圖12A是示出了第一示例差分PA電路的示意圖；
[0027]圖12B是更詳細(xì)的示出了具有變壓器連接的第一示例差分PA電路的示意圖；
[0028]圖13A是示出了第二示例差分PA電路的示意圖；
[0029]圖13B是更詳細(xì)的示出了具有變壓器連接的第二示例差分PA電路的示意圖；
[0030]圖14是示出了第三示例差分PA電路的示意圖；
[0031]圖15是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第一示例集成變壓器的布局圖；
[0032]圖16是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第二示例集成變壓器的布局圖；
[0033]圖17是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第三示例集成變壓器的布局圖；
[0034]圖18是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第四示例集成變壓器的布局圖；
[0035]圖19A是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第五示例集成變壓器的布局圖；
[0036]圖19B是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第六示例集成變壓器的布局圖；
[0037]圖19C是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第七示例集成變壓器的布局圖；
[0038]圖20是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第八示例集成變壓器的布局圖；
[0039]圖21是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第九示例集成變壓器的布局圖；
[0040]圖22是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第十示例集成變壓器的布局圖；[0041]圖23是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第十一示例集成變壓器的布局圖；
[0042]圖24是示出了 FEM電路的第七示例TX路徑部分的框圖；
[0043]圖25是示出了 FEM電路的第八示例TX路徑部分的框圖；
[0044]圖26A是示出了本發(fā)明的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器的高級(jí)系統(tǒng)框圖；
[0045]圖26B是示出了本發(fā)明的示例同步DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的高級(jí)框圖；
[0046]圖27是示出了本發(fā)明的包含微調(diào)單元的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器的框圖；
[0047]圖28是示出了 DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓的圖；
[0048]圖29是示出了 DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓的上升沿的圖；
[0049]圖30是示出了 DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓的下降沿的圖；
[0050]圖31是示出了 FEM電路的第九示例TX路徑部分的框圖；
[0051]圖32是示出了本發(fā)明的包含多個(gè)微調(diào)單元的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器的框圖；
[0052]圖33是示出了用于RF輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓的圖；
[0053]圖34是更詳細(xì)示出了用于RF輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓的圖；
[0054]圖35是示出了第一示例TX/RX開關(guān)的示意圖；
[0055]圖36是示出了第二示例TX/RX開關(guān)的示意圖；
[0056]圖37是示出了示例天線RF開關(guān)的示意圖；
[0057]圖38是示出了取決于輸出功率的功率附加效率(PAE)的曲線圖；
[0058]圖39是示出了取決于輸入功率的輸出功率的曲線圖；
[0059]圖40是示出了功率放大器電路的AM2AM和AM2PM響應(yīng)的曲線圖；
[0060]圖41是示出了本發(fā)明的功率放大器電路所實(shí)現(xiàn)的線性化的曲線圖；
[0061]圖42是示出了功率放大器退避工作區(qū)域之前和之后的RF信號(hào)的曲線圖；
[0062]圖43是示出了用于QAM64的功率放大器的頻譜的曲線圖；
[0063]圖44是示出了用于QAM64的動(dòng)態(tài)退避之前和之后的時(shí)域RF OFDM信號(hào)的曲線圖；
[0064]圖45是示出了用于QAM64的接收和發(fā)送星座圖的曲線圖；
[0065]圖46是示出了用于QAM256的功率放大器的頻譜的曲線圖；
[0066]圖47是示出了用于QAM256的動(dòng)態(tài)退避之前和之后的時(shí)域RF OFDM信號(hào)的曲線圖；
[0067]圖48是示出了用于QAM256的接收和發(fā)送星座圖的曲線圖；以及
[0068]圖49是示出了包含本發(fā)明的FEM電路的示例無線設(shè)備的高級(jí)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069]諸如收發(fā)器的RF電路通常被制造為集成電路，因?yàn)槲⑿推骷叽绾透偷某杀?，所述集成電路通常使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)。小尺寸CMOS器件降低電流汲取并要求更低的電池電壓，從而適合于具有大量功耗限制的便攜式應(yīng)用。無線通信鏈路必須是可靠的并且在寬距離上具有高數(shù)據(jù)吞吐量，這在天線輸出端需要更高的功率水平。例如，上述的無線LAN和Bluetooth通常要求為20dBm(即IOOmW)或更多的功率水平。
[0070]但是，更高的功率輸出要求RF電路中更高的電流和電壓水平。目前許多CMOS器件采用0.18微米工藝生產(chǎn)，先進(jìn)系統(tǒng)利用130納米、90納米、65納米和45納米工藝。由于集成電路中的半導(dǎo)體器件的降低的擊穿電壓，所得到的集成電路工作電壓在1.8V至低于1.2V的范圍內(nèi)。特別是對(duì)于在OFDM、QPSK, QAM等情況中具有包絡(luò)變化的信號(hào)，很難達(dá)到
1.8V的+20dBm的功率水平。增加功率要求通常會(huì)導(dǎo)致效率下降，這是因?yàn)楦蟊壤墓β时粨p失為熱量，隨后電池壽命縮短。此外，對(duì)于具有增加電流的相同的功率水平，阻抗被降低了。考慮到多數(shù)RF電路被設(shè)計(jì)成具有500hm阻抗，由于增加的功率損耗，用于被降低的阻抗的匹配電路的設(shè)計(jì)也是有問題的。
[0071]用于蜂窩、WLAN、Bluetooth、ZigBee等的傳統(tǒng)收發(fā)器通常不會(huì)生成足夠的功率或不具有足夠的RX靈敏度，而在很多情況下可靠的通信需更足夠的RX靈敏度。當(dāng)前集成電路收發(fā)器器件具有低于OdBm的發(fā)射功率水平，盡管也有一些器件具有10或20dBm的功率水平，但仍然是低于所需的20-25dBm。因此，額外的RF信號(hào)的調(diào)節(jié)是必要的。
[0072]在收發(fā)器和天線之間的電路通常被稱為前端模塊或FBL所述FEM包括用于增加發(fā)送功率的功率放大器以及提高接收靈敏度的低噪聲放大器(LNA)。還可以包括諸如帶通濾波器的各種濾波器電路，以在天線處提供干凈的發(fā)送信號(hào)并且保護(hù)接收電路以避免到達(dá)天線的外部阻塞信號(hào)。所述FEM還包括RF開關(guān)，以在接收和發(fā)送功能之間快速切換，并防止發(fā)送和接收之間的轉(zhuǎn)變過程中的干擾。所述RF開關(guān)可以由收發(fā)器的通用輸入/輸出線和/或事先商定的控制協(xié)議控制。所述RF開關(guān)被理解為將單個(gè)天線連接到低噪聲放大器的輸入端或功率放大器的輸出端的單刀雙擲開關(guān)。具有共享的發(fā)送和接收線的收發(fā)器(例如結(jié)合藍(lán)牙和ZigBee系統(tǒng)所使用的收發(fā)器)通常在功率放大器的輸入端和低噪聲放大器的輸出端處包括第二 RF開關(guān)，用于適當(dāng)控制收發(fā)器端的發(fā)送和接收線。所述第二 RF開關(guān)(其增強(qiáng)了 TX/RX隔離)可以由控制所述第一 RF開關(guān)的收發(fā)器的同一通用輸入/輸出線控制。所述功率放大器還可由來自收發(fā)器的使能輸出開啟或關(guān)閉。所述使能線可改變電壓以控制增益或設(shè)置功率放大器偏置電流。
[0073]關(guān)聯(lián)的性能、制造和成本問題使得有必要在與功率放大器和低噪聲放大器的襯底不同的襯底上制造RF開關(guān)。功率放大器通常在砷化鎵(GaAs)襯底上制造，其提供了高擊穿電壓和可靠性。也可以利用其他的襯底，如硅鍺(SiGe)。此外，功率放大器可以利用異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)、金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT)，其中HBT制造成本最低。低噪聲放大器也可以制造在具有HBT晶體管的GaAs襯底上。然而，由于高插入損耗或者低隔離，采用HBT晶體管的RF開關(guān)具有較差的性能特性。
[0074]上述問題的一個(gè)解決方案包括使用多管芯配置，在該配置中，功率放大器和低噪聲放大器制造在一個(gè)使用HBT晶體管的管芯上，而RF開關(guān)制造在另一個(gè)使用例如HEMT晶體管的管芯上。隨后，兩個(gè)管芯被封裝在單個(gè)封裝中。相比傳統(tǒng)的硅襯底，與GaAs襯底關(guān)聯(lián)的增加的成本以及復(fù)雜封裝工藝進(jìn)一步提升了前端模塊電路的成本。另一種解決方案涉及用于功率放大器、低噪聲放大器和RF開關(guān)的復(fù)合GaAs襯底，其具有HBT和HEMT晶體管。但是，這種集成電路制造成本較高。備選地，硅襯底可用于低噪聲放大器、功率放大器和RF開關(guān)。然而，由于硅襯底的隔離較差，可能使用成本較高的解決方案，例如絕緣體上的硅(SOI)。這些集成電路通常需要負(fù)電壓生成器，這導(dǎo)致更大的管芯以用于偏置電路。此外，由用于負(fù)電壓生成器的電荷泵發(fā)射的寬頻率范圍上的假信號(hào)需要物理隔離，這進(jìn)一步增加了管芯尺寸。
[0075]本發(fā)明提供了一種FEM電路，解決了上述提出的問題。本發(fā)明FEM電路提供了高線性度和功率效率并且滿足現(xiàn)代無線通信標(biāo)準(zhǔn)(例如802.11WLAN、3G和4G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)等)的要求。此外，F(xiàn)EM電路的配置允許使用常見的、相對(duì)低成本的半導(dǎo)體制造技術(shù)，諸如市面上所提供的CMOS工藝。
[0076]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的示例雙頻段多芯片前端模塊(FEM)的框圖。所述雙頻帶FEM模塊(總體上被標(biāo)為10)包括四個(gè)模塊，其中包括雙工器52、2.4GHz FEM電路模塊40、5GHz FEM電路模塊28和電源管理單元(PMU)模塊12。所述2.4GHz FEM電路28可操作地在2.4GHz ISM頻帶接收和發(fā)送信號(hào)，而5GHz FEM電路可操作地在5GHz ISM頻帶接收和發(fā)送信號(hào)。每一個(gè)所述模塊都可以被構(gòu)建在單獨(dú)的集成電路上，所述單獨(dú)的集成電路具有芯片之間的印刷或絲焊連接。備選地，F(xiàn)EM模塊可以包括單個(gè)集成電路和/或可以處理單個(gè)頻帶。
[0077]雙工器52工作以將一個(gè)或多個(gè)天線耦合到2.4和5GHz天線端口。PMU12在電路中是可選的，它可以包括以下的部分或全部=DC-DC轉(zhuǎn)換器24(例如，3.3V)、上電復(fù)位電路
20、用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的振蕩電路22、偏置電路以及RF功率斜坡上升控制、用于2.4GHz的功率放大器(PA)的DC-DC轉(zhuǎn)換電路26、用于5GHz PA的DC-DC轉(zhuǎn)換電路18、時(shí)鐘監(jiān)視電路18和控制邏輯14。
[0078]所述2.4GHz FEM電路模塊40包括TX/RX開關(guān)46、功率放大器電路42、低噪聲放大器(LNA)電路44、控制邏輯48和接口(I/F)邏輯50。所述PA42工作以放大基帶電路輸出的用于通過天線廣播的TX信號(hào)。所述LNA44工作以放大從天線接收到的接收信號(hào)，并輸出RX信號(hào)以便由基帶電路解調(diào)和解碼。
[0079]同樣地，所述5GHz FEM電路模塊28包括TX/RX開關(guān)34、功率放大器電路30、低噪聲放大器(LNA)電路32、控制邏輯36和接口(I/F)邏輯38。所述PA30工作以放大基帶電路輸出的用于通過天線廣播的TX信號(hào)。所述LNA32工作以放大從天線接收到的接收信號(hào)，并輸出RX信號(hào)以便由基帶電路解調(diào)和解碼。
[0080]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的示例單芯片F(xiàn)EM電路的框圖。單芯片F(xiàn)EM電路(總體上被標(biāo)為130)包括:PA電路132，用于放大來自基帶電路的TX信號(hào)以通過一個(gè)或多個(gè)天線140廣播；LNA134，用于放大從一個(gè)或多個(gè)天線接收到的信號(hào)并輸出RX信號(hào)以便由基帶電路解調(diào)和解碼；TX/RX開關(guān)136，用于將PA或LNA耦合到天線；可選的天線開關(guān)138，用于將TX/RX開關(guān)耦合到一個(gè)或多個(gè)天線140 ;控制邏輯142 ；I/F邏輯144以及DC-DC轉(zhuǎn)換電路146。
[0081]例如，在采用空間分集的系統(tǒng)中可以使用多個(gè)天線140。在MIMO系統(tǒng)中，采用多個(gè)天線但每個(gè)天線具有與其自己相關(guān)的FEM電路，其中，在基帶電路中，通過信號(hào)處理進(jìn)行多個(gè)接收信號(hào)的合成和多個(gè)發(fā)送信號(hào)的生成。
[0082]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器的框圖。所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路(總體上被標(biāo)為700)包括同步DC-DC轉(zhuǎn)換器708、微調(diào)控制邏輯704、一個(gè)或多個(gè)微調(diào)單兀706、一個(gè)或多個(gè)微調(diào)電容器710、一個(gè)或多個(gè)輸出電容器712和一個(gè)或多個(gè)輸出電感器714。所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的功能是根據(jù)輸入到微調(diào)控制邏輯的微調(diào)控制命令信號(hào)而生成輸出電壓。包絡(luò)檢測(cè)器(圖中未示出)可用于生成微調(diào)控制命令，使得所生成的輸出電壓跟蹤RF輸入信號(hào)。在下文中更詳細(xì)描述所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的操作。
[0083]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)建的FEM電路的示例TX路徑部分的框圖。所述TX路徑電路(總體上被標(biāo)為150)包括從所述發(fā)射器或收發(fā)器(TRX)接收RF輸入信號(hào)的匹配網(wǎng)絡(luò)152、可編程延遲154、用于生成RF輸出的PA156、控制邏輯模塊158、包絡(luò)檢測(cè)器160，170、低通濾波器(LPF) 162，172、功率檢測(cè)器164，174以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 166，176。
[0084]在本示例性實(shí)施例中，包絡(luò)檢測(cè)被用于RF輸入以及RF輸出，以優(yōu)化PA的操作。跟蹤所述RF輸入信號(hào)并且調(diào)整PA的增益和可選的其它參數(shù)(通過控制邏輯模塊158)，以最大限度地提高線性度和減少電路的功率消耗。
[0085]圖5示出了 FEM電路的第一示例TX路徑部分的框圖。所述TX路徑(總體上被標(biāo)為180)包括可編程延遲182、雙模功率放大器電路184、多抽頭變壓器188、模式/偏置控制198、包絡(luò)檢測(cè)器190，200、LPF192、ADC194，202以及控制邏輯196。
[0086]在本示例性實(shí)施例中，使用包絡(luò)檢測(cè)跟蹤RF輸入和RF輸出信號(hào)。生成的包絡(luò)信號(hào)是用于配置雙模PA184的一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)，以最大限度地提高線性度、增益等，并最大限度地降低功耗。下文中更詳細(xì)描述雙模式PA的操作。在操作中，前饋算法在到功率放大器的輸入端處執(zhí)行包絡(luò)檢測(cè)。A/D轉(zhuǎn)換器采樣包絡(luò)信號(hào)。數(shù)字控制邏輯工作以根據(jù)包絡(luò)電平驅(qū)動(dòng)PA偏置控制，從而使能相應(yīng)的PA晶體管，經(jīng)由多抽頭變壓器合成相應(yīng)PA晶體管的輸出。可編程延遲工作以補(bǔ)償包絡(luò)檢測(cè)器和RF信號(hào)路徑之間的延遲。前饋算法的使用實(shí)現(xiàn)了顯著的效率改善，如在圖41中示出，其中，跡線540表示由圖5的前饋算法執(zhí)行線性化前的功率附加效率(PAE)，跡線542表示線性化后的PAE。
[0087]許多現(xiàn)代的無線標(biāo)準(zhǔn)，例如802.11和特別是802.llac，其所生成的調(diào)制造成信號(hào)具有比較大的峰均比?？紤]例如正交頻分調(diào)制(OFDM)，峰均比隨子載波數(shù)目的增加而增加并且大約為201og(子載波數(shù))。例如，采用256個(gè)子載波的OFDM調(diào)制可以產(chǎn)生10_12dB的峰均比。此外，在每個(gè)子載波內(nèi)，采用256QAM需要相對(duì)較好的誤差矢量幅度(EVM)，例如，-32dB。噪聲、失真、假信號(hào)、IQ失配以及PLL的相位噪聲、功率放大器的非線性、相鄰信道泄漏比(ACLR)都使EVM降低。因此，對(duì)功率放大器和FEM電路的整體線性度要求相對(duì)嚴(yán)格。此外，期望盡量減少電池的消耗，因此要求FEM的電路具有高效率。
[0088]另外，在一個(gè)實(shí)施例中，期望使用標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路技術(shù)來構(gòu)建FEM電路。備選地，所述FEM電路可以使用任何合適的半導(dǎo)體技術(shù)，如砷化鎵(GaAs)、硅鍺(SiGe)、銦鎵磷化物(InGaP)、氮化鎵(GaN)等。但是，希望使用CMOS技術(shù)是由于較低的成本和復(fù)雜性，以及能夠?qū)⒛M電路與數(shù)字邏輯集成。
[0089]在一個(gè)實(shí)施例中，以多個(gè)子功率放大器或子放大器186構(gòu)建所述功率放大器電路184。輸入信號(hào)被分路并且被饋送到每個(gè)子放大器，其提供了所述功率放大器的總的所需增益的一部分。每個(gè)子放大器的輸出被合成以生成RF輸出信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，合成器單元包括多抽頭變壓器，將在下文中詳細(xì)描述所述多抽頭變壓器的一個(gè)例子。
[0090]在操作中，包絡(luò)檢測(cè)器190讀出RF輸入并且生成信號(hào)的包絡(luò)表示，然后將其過濾和數(shù)字化，并輸入到控制邏輯電路196。同樣讀出所述RF輸出，并且，生成信號(hào)的數(shù)字化包絡(luò)表示，并輸入到控制邏輯電路196。子放大器186的偏置被偏置控制電路198所控制，其由來自控制邏輯196的一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。所述可編程延遲補(bǔ)償了通過包絡(luò)檢測(cè)器和數(shù)字化步驟的信號(hào)延遲。
[0091]圖6示出了 FEM電路的第二示例TX路徑部分的框圖。該TX路徑(總體上標(biāo)為210)包括雙模功率放大器218、功率控制器212、DC-DC轉(zhuǎn)換器214以及作用是讀出RF輸出的輸出功率檢測(cè)電路216。[0092]在本實(shí)施例中，功率放大器的增益由功率控制信號(hào)控制。響應(yīng)于功率控制信號(hào)和輸出功率水平，功率控制器生成用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)，其調(diào)制功率放大器的電源電壓。依賴于具體實(shí)現(xiàn)，所述功率放大器218可以包括一個(gè)或多個(gè)子放大器。
[0093]圖7示出了 FEM電路的第三示例TX路徑部分的框圖。所述TX路徑(總體上被標(biāo)為220)包括限制器232、雙模功率放大器234、包絡(luò)檢測(cè)器222、可編程延遲224、調(diào)節(jié)器/緩沖器226、ADC228以及快速DC-DC轉(zhuǎn)換器230。在操作中，所述電路以極性的方式放大TX信號(hào)，其中，分離出振幅的被限制的TX信號(hào)被輸入到PA?？刂坪驼{(diào)整所述PA的增益以跟蹤初始TX信號(hào)的幅度。讀出所述RF輸入并且生成包絡(luò)以及由ADC228進(jìn)行數(shù)字化?？焖貲C-DC轉(zhuǎn)換器226驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器或緩沖器電路226以生成PA234的增益(或電源)。依賴于具體實(shí)現(xiàn)，所述功率放大器234可以包括一個(gè)或多個(gè)子放大器。
[0094]圖8示出了 FEM電路的第四示例TX路徑部分的框圖。該TX路徑(總體上被標(biāo)為240)包括驅(qū)動(dòng)器電路/緩沖器242、功率分路器244、一個(gè)或多個(gè)差分子放大器246和功率合成器250。在操作中，RF輸入信號(hào)被輸入到驅(qū)動(dòng)器電路，驅(qū)動(dòng)器電路的輸出被輸入到分路器。該分路器工作以提供輸入信號(hào)到每個(gè)子放大器246。在一個(gè)實(shí)施例中，分路器包括具有初級(jí)繞組和多個(gè)次級(jí)繞組的多抽頭變壓器248，一個(gè)次級(jí)用于每個(gè)子放大器。每個(gè)子放大器可適于處理差分(如圖所示)或單端輸入信號(hào)。每個(gè)子放大器的差分輸出被耦合到多抽頭合成變壓器252的相應(yīng)初級(jí)繞組。在次級(jí)繞組處生成輸出信號(hào)，并提供TX路徑電路的RF輸出。需要注意的是，每個(gè)繞組抽頭的阻抗適于約為12.50hm，以產(chǎn)生大約500hm的期望RF輸出阻抗。
[0095]在操作中，合成子放大器的各個(gè)輸出以生成RF輸出信號(hào)。每個(gè)子放大器提供功率放大電路的所需總功率的一部分。通過合成器多抽頭變壓器，合成每個(gè)子放大器所生成的功率，以生成具有合成的總RF功率的RF輸出信號(hào)。
[0096]需要注意的是，差分放大器(或平衡式放大器)是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兡軌蚴沟每梢詰?yīng)用到均衡負(fù)載上的電壓擺幅加倍。這將使輸出功率變成四倍，而不會(huì)在晶體管上產(chǎn)生任何額外的應(yīng)力。因此，利用差分子放大器級(jí)而實(shí)現(xiàn)高效率的功率放大器。
[0097]在一個(gè)實(shí)施例中，分路器和合成變壓器都以CMOS制造并與其它模擬和數(shù)字電路集成在同一管芯上。在備選實(shí)施例中，變壓器采用其池技術(shù)制造，如GaAs、InGaP、GaN等。所述變壓器包括空氣芯并且可能采取任何合適的形狀和配置。將在下文中更詳細(xì)的描述集成多抽頭變壓器的多個(gè)例子。注意，在一個(gè)實(shí)施例中，變壓器被構(gòu)造成相對(duì)寬帶，以能夠適合2.4和5.8GHz WLAN信號(hào)。備選地，從兩個(gè)變壓器和兩個(gè)帶通濾波器構(gòu)建雙工器，一個(gè)變壓器和帶通濾波器用于一個(gè)頻帶。需要注意的是，本發(fā)明的FEM電路不僅能應(yīng)用于WLAN信號(hào)，也能應(yīng)用于任何展現(xiàn)高峰均比的調(diào)制方案，例如，3G、4G LTE等等。
[0098]圖9示出了 FEM電路的第五示例TX路徑部分的框圖。該TX路徑(總體上被標(biāo)為259)包括驅(qū)動(dòng)器/分路器電路241、一個(gè)或多個(gè)差分子放大器251和功率合成器243。所述驅(qū)動(dòng)器/分路器電路241包括多抽頭變壓器245，其具有初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組，一個(gè)次級(jí)繞組對(duì)應(yīng)于一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)器247。多抽頭變壓器255包括一對(duì)一到二變壓器，每一個(gè)都具有與驅(qū)動(dòng)器247相關(guān)聯(lián)的初級(jí)繞組以及用于兩個(gè)子放大器251的次級(jí)繞組。合成器243包括多抽頭變壓器253，其具有與每個(gè)子放大器251相關(guān)聯(lián)的初級(jí)繞組以及用于生成RF輸出信號(hào)的次級(jí)繞組。[0099]在操作中，RF輸入信號(hào)被輸入到驅(qū)動(dòng)器電路241，其將RF輸入信號(hào)分路為兩個(gè)信號(hào)。每一個(gè)信號(hào)被輸入到驅(qū)動(dòng)器247，驅(qū)動(dòng)器247的輸出進(jìn)一步被分路為兩個(gè)信號(hào)。所述分路器工作以提供輸入信號(hào)到每個(gè)子放大器251。在一個(gè)實(shí)施例中，分路器包括變壓器245、255以及驅(qū)動(dòng)器電路247。每個(gè)子放大器可適于處理差分(如圖所示)或單端輸入信號(hào)。每個(gè)子放大器的差分輸出被耦合到多抽頭合成變壓器253的相應(yīng)初級(jí)繞組。在次級(jí)繞組中生成輸出信號(hào)，并提供TX路徑電路的RF輸出。需更注意的是，每個(gè)繞組抽頭的阻抗適于約為
12.50hm以產(chǎn)生所需的約500hm的RF輸出阻抗。
[0100]在操作中，從子放大器的各個(gè)輸出的合成而生成所述RF輸出信號(hào)。每個(gè)子放大器貢獻(xiàn)所需的功率放大電路的總功率的一部分。通過所述合成多抽頭變壓器合成每個(gè)子放大器所生成的功率，以生成具有合成的總RF功率的RF輸出信號(hào)。
[0101]在一個(gè)實(shí)施例中，分路器和合成變壓器都以CMOS制造，并與其它模以和數(shù)字電路集成在同一管芯上。在備選實(shí)施例中，所述變壓器使用其他的技術(shù)制造，例如GaAs、GaN等。所述變壓器包括空氣芯并且可能采取任何合適的形狀和配置。將在下文中更詳細(xì)的描述集成多抽頭變壓器的多個(gè)例子。
[0102]圖10示出了 FEM電路的第六示例TX路徑部分的框圖。該TX路徑(總體上被標(biāo)為260)包括驅(qū)動(dòng)器電路262、功率分路器264、四個(gè)雙模子功率放大器266和功率合成器272。在操作中，RF輸入信號(hào)被輸入到驅(qū)動(dòng)器電路。然后驅(qū)動(dòng)器的輸出被分路并被饋送到每個(gè)子放大器。在本實(shí)施例中，子放大器的數(shù)量是4個(gè)，但根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)也可以使用任意數(shù)量。每個(gè)子放大器提供了總的所需增益的一部分。所述子放大器的輸出被合成以生成RF輸出信號(hào)。
[0103]在一個(gè)實(shí)施例中，并行運(yùn)行并組成功率放大器的一個(gè)或多個(gè)子功率放大器中的每個(gè)子放大器是相同的，包括獨(dú)立的高和低放大器。所述高放大器工作在相對(duì)大的退避(backoff)(例如12dB),適合于處理大約5%時(shí)間內(nèi)可見的高峰值輸入振幅。在一個(gè)實(shí)施例中，所述高放大器被實(shí)現(xiàn)為C類非線性放大器，其具有適當(dāng)?shù)钠靡愿咝实胤糯蠓逯敌盘?hào)。低放大器工作在較低的退避(例如6dB)，并適于處理大約95%時(shí)間內(nèi)可見的較低的平均輸入振幅。在一個(gè)實(shí)施例中，所述低放大器被實(shí)現(xiàn)為AB類線性放大器，其具有適當(dāng)?shù)钠靡愿呔€性度地放大平均信號(hào)。需要注意的是，在備選實(shí)施例中，每個(gè)子放大器可以包括兩個(gè)以上的放大器并且可以實(shí)現(xiàn)為使用AB類和C類之外的放大器，這取決于特定的應(yīng)用。
[0104]需要注意的是，在每個(gè)子放大器中使用獨(dú)立的高和低放大器，這將使功率放大器和FEM電路符合現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(例如802.1lff1-Fi (尤其是802.llac)、LTE、3G、4G等)的嚴(yán)格線性度和頻譜效率的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)具有較高的峰均比卻又提供相對(duì)較高的效率，導(dǎo)致電池消耗最小化。
[0105]圖11更詳細(xì)的示出了功率放大器電路的低和高部分的框圖。所述電路(總體上被標(biāo)為280)代表功率放大電路266(圖10)的一個(gè)子放大器。在一個(gè)實(shí)施例中，四個(gè)相同的子放大器被用于生成總的所需功率增益。雖然在備選實(shí)施例中，它們可能會(huì)不相同。所述電路280包括聞電路路徑和低電路路徑。所述聞路徑包括匹配電路282, 286和聞功率放大器285。所述低路徑包括匹配電路290，294和功率放大器292。功率合成器(例如，多抽頭變壓器)288合成高和低放大器的輸出，以生成一個(gè)子放大器的RF輸出。在高和低電路路徑的情況下，多抽頭合成變壓器包括用于組成所述功率放大器的每個(gè)子放大器(在此示例性實(shí)施例中是4個(gè))的高和低子放大器輸出的抽頭。
[0106]圖40示出了高和低電路路徑的AM2AM和AM2PM性能的曲線圖。軌跡530表示低電路響應(yīng)，軌跡534表示取決于輸出功率的高電路響應(yīng)。軌跡526表示合成響應(yīng)。同樣，軌跡532表示低電路響應(yīng)，軌跡536表示取決于輸出功率的高電路響應(yīng)。軌跡528表示合成響應(yīng)。
[0107]圖12A詳細(xì)示出了子放大器電路的第一示例的示意圖。所述子放大器電路(總體上被標(biāo)為360)工作以放大施加到PA IN+和PA IN-端的差分RF輸入信號(hào)。所述電路包括晶體管電流調(diào)制拓?fù)湟苑糯笏鯮F輸入信號(hào)。將子放大器的一個(gè)或多個(gè)示例的輸出相合成，以生成具有所需總增益的RF輸出信號(hào)。子放大器的正側(cè)包括電容器362，368，377、電阻器372，374、晶體管364，370，378、低功率偏置電路376、高功率偏置電路366以及具有功率放大器初級(jí)繞組384(Lpa)和次級(jí)繞組382的變壓器379。同樣，子放大器的負(fù)側(cè)包括電容器402，398，393、電阻器404，406、晶體管400，396，394、低功率偏置電路390、高功率偏置電路392以及具有功率放大器初級(jí)繞組386 (Lpa)和次級(jí)繞組388的變壓器380。
[0108]在操作中，正負(fù)電路的低功率晶體管被偏置，以用作用于平均振幅輸入的線性A/AB類放大器，而正負(fù)電路的高功率晶體管被偏置，以用作用于峰值振幅輸入的高效率C類放大器。通過電流合成將子放大器的高和低部分所生成的功率在變壓器電路(370，364和396,400)中合成。圖12B更詳細(xì)的示出了到集成變壓器381的子放大器輸出連接。
[0109]圖13A更詳細(xì)的示出了子放大器電路的第二示例的示意圖。所述子放大器電路(總體上被標(biāo)為300)工作以放大施加到PA IN+和PA IN-端的差分RF輸入信號(hào)。將子放大器的一個(gè)或多個(gè)示例的輸出相合成，以生成具有所需總增益的RF輸出信號(hào)。
[0110]所述子放大器的正側(cè)包括電容器302，317，319，322、電阻器304，329、晶體管318,320和308，324、低功率偏置電路326和高功率偏置電路328、以及具有低初級(jí)繞組312 (Llo)，高初級(jí)繞組316 (Lhi)和次級(jí)繞組314 (PA OUT+)的變壓器310。同樣，子放大器的負(fù)側(cè)包括電容器330，347，349，352、電阻器332，359、晶體管348，350和334，354、低功率偏置電路356和高功率偏置電路358、以及具有低初級(jí)繞組342 (Llo)，高初級(jí)繞組346 (Lhi)和次級(jí)繞組344 (PA 0UT-)的變壓器340。
[0111]在操作中，正負(fù)電路的低功率晶體管被偏置，以用作用于平均振幅輸入的線性A/AB類放大器，而正負(fù)電路的高功率晶體管被偏置，以用作用于峰值振幅輸入的高效率C類放大器。在本實(shí)施例中，通過電流合成將子放大器的高和低部分所生成的功率在變壓器電路(312，316和342，346)中合成。圖13B更詳細(xì)的示出了到所述集成變壓器341的子放大器輸出連接。
[0112]在一個(gè)實(shí)施例中，高和低初級(jí)繞組312，316 (342，346)對(duì)應(yīng)于圖16中的高和低初級(jí)繞組502，504。次級(jí)繞組314(344)對(duì)應(yīng)于圖16中的次級(jí)繞組518。
[0113]圖14更詳細(xì)的示出了子放大器電路的第三示例的示意圖。該子放大器電路與在圖13中所示的具有低和高功率晶體管路徑的電路是類似的。區(qū)別是增加了平行于低功率晶體管(LP)的第二高功率晶體管(HPl)。
[0114]所述子放大器電路(總體上被標(biāo)為410)工作以放大施加到PA IN+和PA IN-端的差分輸入信號(hào)。將所述子放大器的一個(gè)或多個(gè)示例的輸出相合成，以生成具有所需總增益的RF輸出信號(hào)。[0115]所述子放大器的正側(cè)包括電容器412，416，440，419，433、電阻器415，419，443、晶體管418 (LP)，414 (HPl)，442 (HP2)和420，434、低功率偏置電路417，高功率I偏置電路413和高功率2偏置電路441、以及具有低初級(jí)繞組422 (Llo)，高初級(jí)繞組426 (Lhi)和次級(jí)繞組424 (PA OUT+)的變壓器419。同樣，子放大器的負(fù)側(cè)包括電容器446，450，454，435，437、電阻器 447，451，455、晶體管 448 (LP)，452 (HPl)，444 (HP2)和 436，438、低功率偏置電路 449，高功率I偏置電路453和高功率2偏置電路445、以及具有低初級(jí)繞組432 (Llo)，高初級(jí)繞組428 (Lhi)和次級(jí)繞組430 (PA 0UT-)的變壓器421。
[0116]在操作中，正負(fù)電路的低功率晶體管被偏置，以用作用于平均振幅輸入的線性A/AB類放大器，而正負(fù)電路的高功率I和高功率2晶體管被偏置，以用作用于峰值振幅輸入的高效率C類放大器。在本實(shí)施例中，子放大器的高和低部分所生成的功率在變壓器電路(422，426和428，432)中被磁性地合成。
[0117]在一個(gè)實(shí)施例中，高和低初級(jí)繞組422，426 (432，428)對(duì)應(yīng)于圖16中的高和低初級(jí)繞組502，504。次級(jí)繞組424(430)對(duì)應(yīng)于圖16中的次級(jí)繞組518。
[0118]本發(fā)明的FEM電路利用基于變壓器的功率合成技術(shù)以生成RF輸出信號(hào)?；谧儔浩鞯墓β屎铣傻氖褂迷黾恿?FEM的輸出功率能力。功率放大器被分割成多個(gè)子放大器(在本例中為4個(gè))，并且提供功率的四分之一的每個(gè)子放大器串聯(lián)。取決于采用的特定技術(shù)，這可以最大限度地減少或消除任何晶體管應(yīng)力的問題。每個(gè)四分之一(即子放大器)被進(jìn)一步分為高和低功率部分。較之使用單個(gè)晶體管子放大器，這使效率最多增加40%。
[0119]參考圖8和9，初級(jí)繞組被獨(dú)立子放大器PAl，PA2，PA3，PA4驅(qū)動(dòng)，而次級(jí)繞組串聯(lián)連接。傳遞到負(fù)載的功率等于每個(gè)子放大器的所生成的輸出功率的總和。需要注意的是，一些功率可能消耗在耦合到變壓器的任何匹配網(wǎng)絡(luò)中。
[0120]因此，功率合成器不僅有效地疊加了各子放大器的交流電壓，還實(shí)現(xiàn)了阻抗變換的功能。由于每個(gè)變壓器的次級(jí)繞組上承載有相同的電流，因此所述子放大器彼此耦合。因此，由每個(gè)子放大器看到的阻抗由其它的子放大器的輸出電壓和輸出阻抗決定。如果子放大器具有相同的輸出阻抗、生成相同的輸出電壓并且變壓器具有相同的匝數(shù)比，則每個(gè)子放大器看到的阻抗由每個(gè)變壓器的匝數(shù)比和平行級(jí)的數(shù)量(在本示例性實(shí)施例中是4)決定。
[0121]圖15是示出了用于根據(jù)本發(fā)明的功率放大器的第一示例功率合成集成變壓器的布局圖。所述變壓器(總體上被標(biāo)為460)包括以二維(2D)四方形排列的四個(gè)初級(jí)繞組，其中，繞組462耦合到子功率放大器I的輸出，繞組464耦合到子放大器2的輸出，繞組466耦合到子功率放大器3的輸出，繞組468耦合到子功率放大器4的輸出。次級(jí)繞組470纏繞在四個(gè)初級(jí)繞組周圍并被耦合到TX/RX開關(guān)。需要注意的是，在本實(shí)施例中，磁場(chǎng)是圍繞對(duì)稱線461和463而對(duì)稱的。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。例如，初級(jí)和次級(jí)繞組可以在相同或不同的金屬層上實(shí)現(xiàn)。
[0122]圖16是示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第二示例集成變壓器的布局圖。所述變壓器(總體上被標(biāo)為500)包括四組八角形的初級(jí)繞組和一個(gè)四方形次級(jí)繞組。每一組并聯(lián)的初級(jí)繞組包括高回路和低回路，以適應(yīng)例如在圖12A、12B、13A、13B、14中所示的子放大器的高與低放大器。每一組初級(jí)繞組的內(nèi)繞組來自高放大器并且外繞組來自低放大器。中間繞組是次級(jí)繞組，其在初級(jí)繞組之間延伸。需要注意的是，分離高和低功率繞組具有的優(yōu)點(diǎn)是提供了更好地控制每個(gè)子放大器的相位失真的方法，從而提供功率放大器的總相位失真的改進(jìn)合成控制。此外，拉伸繞組的外(或內(nèi))繞組也用于補(bǔ)償PA子放大器之間的相位失真。使用本文中描述的多種技術(shù)可以使FEM達(dá)到最大的效率和最低的EVM。
[0123]具體地說，集成的變壓器包括繞組502，504，506，508，510，512，514，516和次級(jí)繞組518，其中，繞組504被耦合到子放大器I的低差分輸出，繞組502耦合到子放大器I的高差分輸出；繞組508耦合到子放大器2的低差分輸出，繞組506耦合到子放大器2的高差分輸出；繞組512 I禹合到子放大器3的低差分輸出，繞組510 I禹合到子放大器3的高差分輸出；繞組516 I禹合到子放大器4的低差分輸出，繞組514 I禹合到子放大器4的高差分輸出。需要注意的是，每個(gè)變壓器的外初級(jí)繞組耦合到子放大器的低輸出而不是內(nèi)繞組，這是因?yàn)橥饫@組更長(zhǎng)且電感更大。長(zhǎng)度較短的內(nèi)繞組耦合到每個(gè)子放大器的高功率輸出。次級(jí)繞組518纏繞在四對(duì)‘+，和‘_，的初級(jí)繞組之間，并且耦合到TX/RX開關(guān)。在‘ + ’和初級(jí)繞組之間延伸次級(jí)繞組可以改進(jìn)兩者之間的磁耦合。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0124]圖17示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第三示例集成變壓器的布局圖。所述變壓器(總體上被標(biāo)為570)包括四組八角形的初級(jí)繞組和一個(gè)四方形次級(jí)繞組。每一組初級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組。中間繞組是次級(jí)繞組，其在平行的初級(jí)繞組之間延伸。這減少了電流擁擠(接近)效應(yīng)，因?yàn)殡娏鞲鶆虻胤稚⒃诖渭?jí)繞組從而減少損耗。
[0125]具體地說，集成變壓器包括四組繞組，每一組分別與一個(gè)差分放大器相關(guān)聯(lián)。每組繞組包括平行初級(jí)繞組572，574和次級(jí)繞組576。所述平行初級(jí)繞組耦合到子放大器PA1、PA2、PA3和PA4。平行初級(jí)繞組能夠使得變壓器處理更高的電流。次級(jí)繞組576通過連接器579纏繞在四個(gè)平行的初級(jí)繞組之間以生成PA輸出，所述PA輸出隨后被耦合到的TX/RX開關(guān)。在平行的初級(jí)繞組之間延伸次級(jí)繞組改進(jìn)了兩者之間的磁耦合并且減輕了上文所述的接近效應(yīng)。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0126]圖18示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第四示例集成變壓器的布局圖。所述變壓器(總體上被標(biāo)為560)包括四組八角形的初級(jí)繞組和一個(gè)次級(jí)繞組，它們被布置為連續(xù)的或線性的陣列配置。每一組初級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組。這減少了電流擁擠(接近)效應(yīng)，因?yàn)殡娏鞲鶆虻胤稚⒃诖渭?jí)繞組從而減少損耗。這也增加了該變壓器的電流處理能力。中間繞組是次級(jí)繞組，其在平行的初級(jí)繞組之間延伸。
[0127]具體地說，集成變壓器包括四組繞組，每一組分別與一個(gè)差分放大器相關(guān)聯(lián)。每組繞組包括平行初級(jí)繞組562，564和次級(jí)繞組566。平行的初級(jí)繞組耦合到子放大器PA1、PA2、PA3和PA4。次級(jí)繞組566通過連接器568纏繞在四個(gè)平行的初級(jí)繞組之間以生成PA的輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。在平行的初級(jí)繞組之間延伸次級(jí)繞組改進(jìn)了兩者之間的磁耦合并且減輕了上文所述的接近效應(yīng)。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0128]在圖19A的電路中，每個(gè)變壓器的中心抽頭588被連接到VDD。除了圖19A中的變壓器的中心抽頭588，平行的初級(jí)繞組582，584和次級(jí)繞組586的工作類似于圖18中的集成變壓器。
[0129]圖19A示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第六示例集成變壓器的布局圖。所述集成變壓器(總體上被標(biāo)為571)包括以線性行配置的四組繞組，每一組分別與一個(gè)差分子放大器相關(guān)聯(lián)。每一組繞組包括一對(duì)平行的初級(jí)繞組581，583和次級(jí)繞組585。每一組中的平行的初級(jí)繞組耦合到PA1、PA2、PA3和PA4中的一個(gè)的子放大器的高和低電路輸出。在每組繞組中，內(nèi)電感器回路被用于低功率子放大器并且外電感器回路用于高功率子放大器，例如，在圖12A、12B、13A、13B中所示的兩個(gè)級(jí)聯(lián)放大器。每個(gè)變壓器的中心抽頭587被連接到VDD。次級(jí)繞組通過連接器被放置在四組平行的初級(jí)繞組之間，以生成PA的輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。在平行的初級(jí)繞組之間放置次級(jí)繞組改進(jìn)了兩者之間的磁耦合并且減輕了上文所述的接近效應(yīng)。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0130]圖19C示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第七示例集成變壓器的布局圖。所述集成變壓器(總體上被標(biāo)為491)包括以線性行配置的四組繞組，每一組分別與一個(gè)差分子放大器相關(guān)聯(lián)。每一組繞組包括一對(duì)平行的初級(jí)繞組501，503和次級(jí)繞組505。每一組中的平行的初級(jí)繞組耦合到PA1、PA2、PA3和PA4中的一個(gè)的子放大器的高和低電路輸出。每個(gè)變壓器的中心抽頭507連接到VDD。需要注意到是，用于PAl和PA4的繞組長(zhǎng)于(即拉伸)PA2和PA3的繞組。這用于補(bǔ)償PA子放大器中產(chǎn)生的相位失配。
[0131]次級(jí)繞組通過連接器被放置在四組平行的初級(jí)繞組之間，以生成PA的輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。在平行的初級(jí)繞組之間放置次級(jí)繞組改進(jìn)了兩者之間的磁耦合并且減輕了上文所述的接近效應(yīng)。所述變壓器具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。此配置以及這里所描述的任何集成變壓器的配置可用于上文所述的任何子放大器的配置，即圖12A、12B、13A、13B和14的電路。
[0132]圖20示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第八示例集成變壓器的布局圖。所述變壓器(總體上被標(biāo)為590)包括分路器594，四個(gè)子放大器604以及合成器606。所述分路器包括一個(gè)初級(jí)繞組600和四組八角形的次級(jí)繞組，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。每組次級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組596，598。這增加了變壓器的電流處理能力。中間繞組是初級(jí)繞組，其在平行的次級(jí)繞組之間延伸。
[0133]為了盡量減少并補(bǔ)償外部?jī)蓚€(gè)PAl、PA4變壓器和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)PA2、PA3變壓器之間的差所造成的、分路器中的各變壓器之間的任何相位失配，差分輸出在PAl和PA2繞組之間和PA3和PA4繞組之間交叉。[0134]所述合成器包括四組八角形的初級(jí)繞組610，608和一個(gè)次級(jí)繞組611，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。每一組初級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組。這減少了電流擁擠(接近)效應(yīng)，因?yàn)殡娏鞲鶆虻胤稚⒃诖渭?jí)繞組從而減少損耗。這也增加了該變壓器的電流處理能力。中間繞組是次級(jí)繞組，其在平行的初級(jí)繞組之間延伸。
[0135]具體地說，分路器和合成器都包括四組繞組，每一組與差分子放大器PA1、PA2、PA3和PA4中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。所述RF輸入信號(hào)被輸入到緩沖器592,其差分輸出被施加到分路器變壓器的初級(jí)繞組。所述分路器的每個(gè)變壓器的平行的次級(jí)繞組耦合到子放大器的相應(yīng)差分輸入。初級(jí)繞組600纏繞在四組平行的次級(jí)繞組之間，以生成到子放大器的四個(gè)信號(hào)輸入。每個(gè)子放大器的輸出被輸入到合成器中相應(yīng)的變壓器。次級(jí)繞組611纏繞在四組平行的初級(jí)繞組610，608之間以生成PA輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。所述分路器和合成器中的變壓器都具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0136]在克服變壓器的任何相位失配的一種替代技術(shù)中，調(diào)諧電容器被添加到合成器中的每個(gè)初級(jí)繞組。但是，所述電容器可能是有損的，從而降低功率放大器的功率增益。這樣的電路如圖21所示。電容器的使用可以使變壓器實(shí)現(xiàn)更好的跨變壓器繞組的相位補(bǔ)償。它還降低了寄生損耗并且導(dǎo)致較低的相位和放大誤差。
[0137]所述變壓器(總體上被標(biāo)為620)包括分路器624、四個(gè)子放大器634和合成器636。所述分路器包括一個(gè)初級(jí)繞組630和四組八角形的次級(jí)繞組，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。每組次級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組626、628。這增加了變壓器的電流處理能力。中間繞組是初級(jí)繞組，其在平行的次級(jí)繞組之間延伸。
[0138]所述合成器包括四組八角形的初級(jí)繞組638，640、一個(gè)次級(jí)繞組642和電容器646，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。每一組初級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組。這減少了電流擁擠(接近)效應(yīng)，因?yàn)殡娏鞲鶆虻胤稚⒃诖渭?jí)繞組從而減少損耗。這也增加了該變壓器的電流處理能力。中間繞組是次級(jí)繞組，其在平行的初級(jí)繞組之間延伸。
[0139]具體地說，分路器和合成器都包括四組繞組，每一組與差分子放大器PA1、PA2、PA3和PA4中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。所述RF輸入信號(hào)被輸入到緩沖器622,其差分輸出被施加到分路器變壓器的初級(jí)繞組。所述分路器的每個(gè)變壓器的平行的次級(jí)繞組耦合到子放大器的相應(yīng)差分輸入。初級(jí)繞組630纏繞在四組平行的次級(jí)繞組之間，以生成到子放大器的四個(gè)信號(hào)輸入。每個(gè)子放大器的輸出被輸入到合成器中的相應(yīng)變壓器。次級(jí)繞組642纏繞在四組平行的初級(jí)繞組638、640之間以生成PA輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。所述分路器和合成器的變壓器都具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0140]在克服變壓器的任何相位失配的另一種替代技術(shù)中，使得所述合成器的兩個(gè)內(nèi)部變壓器的初級(jí)繞組(即，PA2和PA3繞組)長(zhǎng)于兩個(gè)外部變壓器的繞組(即，PAl和PA4繞組)。這有效地將兩個(gè)內(nèi)部初級(jí)繞組的電感增加到值L+ Λ L，其中L表示兩個(gè)外部初級(jí)繞組的電感。這使得無需將到差分子放大器的輸入交叉。這樣的電路如圖22所示。需要注意的是，電感增加約20% (即，每側(cè)10%)的量AL，對(duì)于盡量減少相位失配是有效的。還需要注意的是，當(dāng)用于圖20中的電路的電容C646變化±20%，PVT的電感L的變化大致為±8%。
[0141]所述變壓器(總體上被標(biāo)為650)包括分路器654、四個(gè)子放大器662和一個(gè)合成器663。所述分路器包括一個(gè)初級(jí)繞組657和四組八角形的次級(jí)繞組，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。每組次級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組656、658。這增加了該變壓器的電流處理能力。中間繞組是初級(jí)繞組，其在平行的次級(jí)繞組之間延伸。
[0142]所述合成器包括四組八角形的初級(jí)繞組(664，666)和(674，672)和一個(gè)次級(jí)繞組668，676，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。如上文所述，對(duì)應(yīng)于PA2和PA3的兩組內(nèi)部繞組有較長(zhǎng)的繞組，導(dǎo)致更大的電感L+AL。每一組初級(jí)繞組包括兩個(gè)平行的繞組。這減少了電流擁擠(接近)效應(yīng)，因?yàn)殡娏鞲鶆虻胤稚⒃诖渭?jí)繞組從而減少損耗。這也增加了所述變壓器的電流處理能力。中間繞組是次級(jí)繞組，其在平行的初級(jí)繞組之間延伸。
[0143]具體地說，分路器和合成器都包括四組繞組，每一組與差分子放大器PA1、PA2、PA3和PA4中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。所述RF輸入信號(hào)被輸入到緩沖器652,其差分輸出被施加到分路器變壓器的初級(jí)繞組。所述分路器的每個(gè)變壓器的平行的次級(jí)繞組耦合到子放大器的相應(yīng)差分輸入。初級(jí)繞組657纏繞在四組平行的次級(jí)繞組之間，以生成到子放大器的四個(gè)信號(hào)輸入。每個(gè)子放大器的輸出被輸入到合成器中的相應(yīng)變壓器。次級(jí)繞組668、676纏繞在四組平行的初級(jí)繞組(664，666)和(674，672)之間以生成PA輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。所述分路器和合成器的變壓器都具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0144]圖23示出了用于本發(fā)明的功率放大器的第十一示例集成變壓器的布局圖。在該替代實(shí)施例中，為了克服變壓器的相位失配，使得合成器的兩個(gè)內(nèi)部變壓器的初級(jí)繞組(即PA2和PA3繞組)長(zhǎng)于兩個(gè)外部變壓器的初級(jí)繞組(即PAl和PA4繞組)。這有效地將兩個(gè)內(nèi)部初級(jí)繞組的電感增加到值L+ Λ L，其中L表示兩個(gè)外部初級(jí)繞組的電感。這使得無需將到差分子放大器的輸入交叉。需要注意到是，電感增加約20% (即每側(cè)10%)的量Λ L，對(duì)于盡量減少相位失配是有效的。還需要注意的是，當(dāng)用于圖20中的電路的電容C646變化± 20 %，PVT的電感L的變化大致為± 8 %。
[0145]所述變壓器(總體上被標(biāo)為680)包括分路器690、四個(gè)子放大器688和合成器692。該分路器包括一個(gè)初級(jí)繞組686和四組矩形次級(jí)繞組684，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。
[0146]所述合成器包括四組矩形的初級(jí)繞組694和一個(gè)次級(jí)繞組696，它們被布置為連續(xù)的或線性的行陣列配置。如上文所述，對(duì)應(yīng)于ΡΑ2和ΡΑ3的兩組內(nèi)部繞組有較長(zhǎng)的繞組，導(dǎo)致更大的電感L+AL。
[0147]具體地說，分路器和合成器都包括四組繞組，每一組與差分子放大器ΡΑ1、ΡΑ2、ΡΑ3和ΡΑ4中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。所述RF輸入信號(hào)被輸入到緩沖器682,其差分輸出被施加到分路器變壓器的初級(jí)繞組。所述分路器的每個(gè)變壓器的平行的次級(jí)繞組耦合到子放大器的相應(yīng)差分輸入。初級(jí)繞組686環(huán)繞四組次級(jí)繞組，以生成到子放大器的四個(gè)信號(hào)輸入。每個(gè)子放大器的輸出被輸入到合成器中的相應(yīng)的變壓器。次級(jí)繞組696環(huán)繞四組初級(jí)繞組694以生成PA輸出，所述PA輸出隨后被耦合到TX/RX開關(guān)。所述分路器和合成器的變壓器都具有空氣芯并且金屬層的寬度、間距和厚度被配置為在各頻帶(例如，2.4GHz和5GHz)提供足夠的性能并且使輸入和輸出阻抗?jié)M足所需的電感和Q因子。需要注意的是，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以實(shí)施變壓器繞組的替代配置。
[0148]在電池操作的無線系統(tǒng)(如移動(dòng)電話)中，RF功率放大器(PA)通常是最顯著的功率消耗組件。為了最小化功耗，系統(tǒng)級(jí)的電源管理方案被設(shè)計(jì)為在很寬的輸出功率范圍內(nèi)操作RF PA。當(dāng)電源電壓固定，在低功率水平的RF PA的效率是非常低的，對(duì)平均功耗和電池壽命產(chǎn)生不利影響。為了在寬功率范圍上改善RF PA的總體效率，實(shí)施電源電壓的動(dòng)態(tài)控制。
[0149]功率放大器效率(PAE)是現(xiàn)代無線系統(tǒng)的RF設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。例如，在蜂窩基站中，功率消耗每年花費(fèi)運(yùn)營(yíng)商數(shù)百萬美元。在智能手機(jī)中，由于電池壽命下降和手機(jī)變熱，正在更加關(guān)注PA的效率。此低效率是由于大多數(shù)最新的更高速度的3G和4G技術(shù)使用了諸如在正交頻分復(fù)用(OFDM)上的正交幅度調(diào)制(QAM)的WCDMA和長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)之類的調(diào)制方法。所有這些技術(shù)需要本質(zhì)上效率較低的線性PA。典型的線性RF PA工作在A類或AB類來實(shí)現(xiàn)其線性度。最大理論效率為50%，但在實(shí)踐中，最高的效率在30%到35%的范圍內(nèi)。當(dāng)放大器處于壓縮或在壓縮點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，最佳地實(shí)現(xiàn)這種效率。當(dāng)輸入信號(hào)處于或接近其峰值時(shí)發(fā)生壓縮。最新的調(diào)制方法中，峰均功率比(PAPR)很高。于是對(duì)于多數(shù)傳輸，PA工作在遠(yuǎn)低于壓縮點(diǎn)之下，從而提供優(yōu)秀的線性度，而效率平均為20%或更少。這會(huì)導(dǎo)致作為熱量耗散的功率增加，由PA汲取的過量電流會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短。
[0150]本發(fā)明利用包絡(luò)跟蹤解決了這個(gè)問題，它以動(dòng)態(tài)跟蹤RF信號(hào)的幅度或包絡(luò)的快速變化的DC電源取代了用于PA的傳統(tǒng)固定DC電源。包絡(luò)跟蹤(ET)和包絡(luò)消除與恢復(fù)(EER)是兩種用來實(shí)現(xiàn)高效的線性RF功率放大器的技術(shù)。如圖24和圖25所示，在這兩種技術(shù)中，高效調(diào)制后的電源將可變電壓提供給RF功率放大器。
[0151]圖24示出了包含包絡(luò)跟蹤的FEM電路的第七示例TX路徑部分的框圖。所述電路(總體上被標(biāo)為760)包括輸入耦合器762、包絡(luò)檢測(cè)器764、調(diào)制電源766和線性RF功率放大器768。在操作中，通過包絡(luò)檢測(cè)器生成所述RF輸入信號(hào)的包絡(luò)并將其輸入到調(diào)制后的電源，調(diào)制后的電源生成與RF輸入信號(hào)的包絡(luò)一致的DC電壓輸出VQUT。該電壓輸出用作線性RF PA的電源電壓。需要注意的是，因?yàn)楣β史糯笃骰诰€性拓?fù)?即ET)，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓可以直接連接到PA電源電壓，所以功率緩沖器是可選的。
[0152]圖25示出了包括包絡(luò)消除和恢復(fù)的FEM電路的第八示例TX路徑部分的框圖。所述電路(總體上被標(biāo)為770)包括輸入耦合器772、包絡(luò)檢測(cè)器774、調(diào)制后的電源776、限制器778和非線性RF功率放大器779。在操作中，包絡(luò)檢測(cè)器生成RF輸入信號(hào)的包絡(luò)并將其輸入到調(diào)制后的電源，調(diào)制后的電源生成與RF輸入信號(hào)的包絡(luò)一致的DC電壓輸出VQUT。所述限制器生成相位參考信號(hào)，相位參考信號(hào)被輸入到非線性PA。所述電壓輸出Vtot作為非線性RF PA的電源電壓。需要注意的是，因?yàn)樗鯬A基于非線性的拓?fù)?即EER)，所以在此電路中使用功率緩沖器不是可選的。
[0153]將在下面描述使用具有非?？斓妮敵鲭妷恨D(zhuǎn)變的DC-DC轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)高效率的包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)。
[0154]圖26A示出了實(shí)現(xiàn)通過電源的閉環(huán)RF功率控制的系統(tǒng)框圖。所述電路(總體上被標(biāo)為950)包括RF功率放大器956、輸出功率檢測(cè)器958、功率控制器塊952和DC-DC轉(zhuǎn)換器954。輸出RF功率通過檢測(cè)器958被讀出，并且與功率控制命令信號(hào)相比較。響應(yīng)于讀出的RF功率和命令功率之間的誤差，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器954的微調(diào)控制調(diào)整輸出電壓(Vout) 0在穩(wěn)態(tài)下，測(cè)量的輸出功率理想地等于功率控制命令。在此系統(tǒng)中，相對(duì)于其中用于RF PA的電源電壓是恒定的更傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，整體效率改善取決于DC-DC轉(zhuǎn)換器，其能夠在很寬的輸出電壓范圍上以及輸出功率水平上保持非常高的效率。在實(shí)施用于RF PA的傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器中所面臨的挑戰(zhàn)是需要提供非?？斓妮敵鲭妷恨D(zhuǎn)變以響應(yīng)RF PA輸出功率的變化。下面將描述的是一種新的方法，用于在所述DC-DC轉(zhuǎn)換器中提供非?？焖俚妮敵鲭妷恨D(zhuǎn)變。
[0155] 圖26B示出了示例同步DC-DC轉(zhuǎn)換器的高級(jí)系統(tǒng)框圖(降壓(buck)拓?fù)鋬H作說明用途，但可使用升壓、正激(forward)和任何其他DC-DC轉(zhuǎn)換器配置)。所述電路(總體上被標(biāo)為720)包括輸入電壓Vin722、開關(guān)724，726、開關(guān)驅(qū)動(dòng)器736、電感器LJ28、電容器CJ30、電阻器R1、脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成器734和誤差放大器732。在操作中，使用降壓轉(zhuǎn)換器從較高的DC輸入電壓(Vin)生成較低的輸出電壓(Vtot)。如果在開關(guān)(高側(cè)和低側(cè)FET)和電感器中的損失均被忽略，則占空比或?qū)〞r(shí)間占轉(zhuǎn)換器的總時(shí)間的比值可以表示為
【權(quán)利要求】
1.一種射頻(RF)前端模塊(FEM)，包括: TX/RX開關(guān)，其具有TX端口、RX端口和天線端口，所述天線端口耦合到外部天線； 低噪聲放大器(LNA)，其耦合到所述RX端口并適于放大從所述天線接收到的信號(hào)；以及 功率放大器電路,其包括: 一個(gè)或多個(gè)子放大器電路，每個(gè)子放大器可操作以提供所述功率放大器的總功率的一部分； 功率合成器，其可操作以將所述一個(gè)或多個(gè)子放大器電路的輸出合成，從而產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，所述FEM適于在2.4GHz頻段發(fā)送和接收射頻信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，所述FEM適于在5GHz頻段發(fā)送和接收射頻信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，所述TX/RX開關(guān)、功率放大器和低噪聲放大器電路使用選自以下組中的半導(dǎo)體技術(shù)來制造，所述組包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、砷化鎵(GaAs)、硅鍺(SiGe)、銦鎵磷化物(InGaP)和氮化鎵(GaN)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，每個(gè)子放大器電路包括用于處理峰值信號(hào)的高部分以及用于處理平均信號(hào)的低部分，其中，將所述高部分和低部分的輸出合成以產(chǎn)生子放大器輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，每個(gè)子放大器電路包括多個(gè)放大器，每個(gè)放大器被指定為處理輸入信號(hào)的一部分，其中，將所述多個(gè)放大器的輸出合成以產(chǎn)生子放大器輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，所述FEM適于發(fā)送和接收具有相對(duì)高的峰均比的調(diào)制信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前端模塊，其中，所述FEM適于發(fā)送和接收符合選自以下組的無線標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，所述組包括:802.1IffLAN, LTE、WiMAX、HDTV、3G蜂窩、4G蜂窩和DECT。
9.一種射頻(RF)前端模塊(FEM)，包括: 射頻開關(guān)，其耦合到一個(gè)或多個(gè)天線并可操作以在一個(gè)或多個(gè)頻帶中接收和發(fā)送射頻信號(hào); 功率放大器電路，其適于接收TX射頻輸入信號(hào)，并生成射頻輸出信號(hào)以輸入到所述射頻開關(guān)，所述功率放大器電路包括多個(gè)子放大器電路，每個(gè)子放大器電路可操作以提供所述功率放大器電路的總功率的一部分，每個(gè)子放大器電路包括多個(gè)放大器，每個(gè)放大器被指定為處理所述TX射頻輸入信號(hào)的一部分，將所有子放大器電路的所述多個(gè)放大器的輸出合成以生成具有所需的總功率增益的功率放大器電路輸出；以及 低噪聲放大器(LNA)，其適于從所述射頻開關(guān)接收射頻輸入信號(hào)并生成RX射頻輸入信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的前端模塊，其中，所述射頻開關(guān)、功率放大器和低噪聲放大器電路使用選自以下組中的半導(dǎo)體技術(shù)來制造，所述組包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、砷化鎵(GaAs) 、硅鍺(SiGe)、銦鎵磷化物(InGaP)和氮化鎵(GaN)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的前端模塊，其中，所述FEM適于發(fā)送和接收符合選自以下組的無線標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，所述組包括:802.1IffLAN, LTE、WiMAX, HDTV、3G蜂窩、4G蜂窩和DECT。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的前端模塊，其中，所述一個(gè)或多個(gè)頻段包括2.4GHz。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的前端模塊，其中，所述一個(gè)或多個(gè)頻段包括5GHz。
14.一種實(shí)現(xiàn)射頻(RF)前端模塊(FEM)的方法，包括: 提供具有TX端口、RX端口和天線端口的TX/RX開關(guān)，所述天線端口耦合到外部天線，所述外部天線可操作以在一個(gè)或多個(gè)頻段接收和發(fā)送信號(hào)； 將TX信號(hào)分路為多個(gè)TX子信號(hào)； 使用可操作以放大子信號(hào)的低功率部分的相應(yīng)第一放大器和可操作以放大子信號(hào)的高功率部分的相應(yīng)第二放大器單獨(dú)放大每個(gè)TX子信號(hào)； 將每個(gè)第一和第二放大器的針對(duì)所述多個(gè)TX子信號(hào)中的每個(gè)子信號(hào)的輸出相合成，以產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的信號(hào)； 提供低噪聲放大器(LNA)，其適于從射頻開關(guān)接收射頻輸入信號(hào)并為功率放大器生成RX射頻輸入信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括全部使用選自以下組中的集成電路技術(shù)制造所述FEM，所述組包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、砷化鎵(GaAs)、硅鍺(SiGe)、銦鎵磷化物(InGaP)和氮化鎵(GaN)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所 述的方法，其中，所述FEM適于發(fā)送和接收具有相對(duì)高的峰均比的調(diào)制信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述FEM適于發(fā)送和接收符合選自以下組的無線標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，所述組包括:802.llWLAN、LTE、WiMAX、HDTV、3G蜂窩、4G蜂窩和DECT。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)頻帶包括2.4GHz。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)頻帶包括5GHz。
20.—種移動(dòng)設(shè)備,包括: 射頻(RF)發(fā)射器； RF接收器；和 RF前端模塊(FEM)，所述FEM包括: TX/RX開關(guān)，其具有TX端口、RX端口和天線端口，所述天線端口耦合到外部天線； 低噪聲放大器(LNA)，其耦合到所述RX端口并適于放大從所述天線接收到的信號(hào)； 功率放大器電路,其包括: 一個(gè)或多個(gè)子放大器電路，每個(gè)子放大器可操作以提供所述功率放大器的總功率的一部分，其中每個(gè)子放大器電路包括多個(gè)放大器，每個(gè)放大器被指定為處理輸入信號(hào)的一部分，其中將所述多個(gè)放大器的輸出合成以產(chǎn)生子放大器輸出； 功率合成器，其可操作以將所述一個(gè)或多個(gè)子放大器電路的輸出合成，從而產(chǎn)生具有所需的總功率增益的單個(gè)放大后的輸出信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的移動(dòng)設(shè)備，其中，所述FEM適于發(fā)送和接收符合選自以下組的無線標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，所述組包括:802.1IffLAN, LTE、WiMAX、HDTV、3G蜂窩、4G蜂窩和DECT。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK103795353SQ201310702997
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月30日
【發(fā)明者】A·莫斯托夫, S·安德森, U·蘇薩, I·西瑪, A·鮑爾 申請(qǐng)人:Dsp集團(tuán)有限公司