混合類放大器的制造方法
【專利說明】混合類放大器
[0001]本申請是2008年9月I日提交的中國專利申請N0.200880130947.7的發(fā)明名稱為“混合類放大器”的分案申請。
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制和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003]移動電信服務的快速發(fā)展已經(jīng)導致對于低成本、低功率和縮減尺寸及重量的設備的需求日益增加。一種這類設備存在于用于移動通話的基站和終端中的發(fā)射機中，以及用于廣播和其他無線系統(tǒng)的發(fā)射機中。發(fā)射機采用功率放大器來對到天線的射頻(RF)信號進行放大。通常，功率放大器必須是高效的，不要過熱，需要額外的冷卻或汲取較少功率，以增大電池使用時間并降低功率成本。
[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電壓降以及流過該晶體管的電流的量相關(guān)。電壓降和流過晶體管的電流的減小導致所使用的功率減小。電壓降和流過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施例，接下來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類對應于線性功率放大器，而D類和F類對應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，更詳細地討論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的放大器，以及輸入信號驅(qū)動電平保持足夠小，以避免在截止區(qū)域中驅(qū)動晶體管。換言之，晶體管的導通角為360°，這意味著晶體管在輸入信號的整個周期導通。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(針對公共線性負載電阻)。這使得功率放大器的效率與輸出信號的幅度成比例。
[0008]恒定供電電壓的B類放大器的效率與輸出電壓成比例，對于無損電路中的理想器件最大高達78.5%。因此，輸出平均信號電平低于最大(峰值)電平(即，具有較高峰均比)的信號的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“準線性”)不具有截止以上的恒定跨導，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，通過如圖4所示的所謂的AB類偏置來獲得最好的線性。選擇施加至柵極或基極的恒定(直流)偏置電壓作為跨導斜率上的點，跨導在該點周圍最大程度地(奇)對稱。在如圖4所示的簡化模型中，這個點正好在跨導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斜率的中間，因而即便不存在RF信號，晶體管也汲取電流。因此，AB類功率放大器的效率(尤其是對于低信號幅度)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)補充了 “尾巴”。
[0011]當偏置準線性晶體管以使得該晶體管在沒有RF信號存在的情況下不汲取DC電流時，輸出響應相對于輸入是非線性的。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]對于大多數(shù)晶體管，例如具有恒定跨導或準線性跨導的那些晶體管，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，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，并且很大程度上獨立于信號電平，這一類對于小信號具有低效率。雖然效率較低，但仍使用A類功率放大器，這是因為它們的增益比其他類大，這使得可以利用小驅(qū)動放大器實現(xiàn)最大輸出。對于準線性晶體管，針對瞬時漏極(集電極，或更一般地為有源器件的輸出節(jié)點)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。通過相應地降低(晶體管所看到的)負載電阻，可以增大最大輸出功率。
[0014]上述類的操作可以通過同一個電路來實現(xiàn)，該電路由RF儲能電路(與負載并聯(lián)的基頻處的并聯(lián)諧振器)來表征。RF儲能電路是必需的，因為在將調(diào)諧的RF功率放大器耦合至其負載(天線或天線饋線)時，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負載電阻。RF儲能電路確保通過使得電流波形中的諧波短路來滿足該條件，由此迫使輸出電壓變?yōu)檎业?。輸出電路的其他功能是通過RF扼流圈向晶體管提供DC電流，以及阻止來自供電電壓的DC到達負載。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中描述了使用動態(tài)網(wǎng)格(柵極、基極)偏置技術(shù)來實現(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中描述了對于該方案的改進，以進一步增大多載波信號的效率和線性。
[0016]非線性放大器包括D類和F類放大器，稍后將更詳細地描述這些放大器。相對于線性放大性的最大功率和效率的增大可以通過F類和反相F類放大器實現(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關(guān)晶體管一起來獲得與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