[发明专利]高效率开关模式功率放大器

说明书

背景技术

在需要对高频信号进行高效功率放大的应用中，开关模式功率放 大器已经吸引了人们很大的关注。应用这种装置的例子包括用于无线 通信系统、卫星通信系统和高级雷达系统的功率放大器。具体而言， 诸如3G和4G PCS系统、WiFi、WiMax和数字视频广播系统的数字通 信系统都需要高功率、高频率的功率放大器。对于需要高输出功率的 应用而言，功率放大器占据了系统总功耗的相当大的部分。于是，人 们希望使通信系统中的功率放大器电路的效率最大化。

开关模式功率放大器，例如工作在D、E、F或S类的放大器，通 过最小化晶体管中消耗的功率而提供高效率的放大。由于开关模式放 大器是高度非线性的，它们尤其适用于与采用恒定包络调制方案的数 字系统一起使用。不过，通过提供用于从输入信号提取幅度信息并将 该幅度信息存储到输出信号中的附加电路，也可以将开关模式放大器 用于其他应用中。

在E类放大器中，晶体管作为导通-截止开关而工作，由时变输 入信号驱动其状态。将晶体管的二进制输出施加到无功负载网络，该 无功负载网络过滤出晶体管输出信号的谐波分量，获得窄带放大输出 信号。在E类构造中，只要器件上有漏极电压的时候，晶体管的漏极 电流就得到最小化(理想情况下为零)，只要漏极电流流经器件的时 候，漏极电压就得到最小化(理想情况下为零)。由于晶体管中消耗 的功率等于漏极电流和漏极电压的瞬时积在一段时间上的平均值，因 此E类器件中的功率损失理想情况下为零。于是，E类器件在理论上可 以以100％的漏极效率工作。实际器件的效率低于100％。尽管如此， 在E类放大器中可以实现非常高的效率。

到目前为止，E类放大器一直主要是用窄带隙(硅和GaAs)双极 晶体管、MOSFET和MESFET技术实现的。双极和MOSFET器件在低于 1.0GHz的频率表现出高的功率输出。不过，这种器件不适于要求更高 晶体管开关速度的更高频率的应用。已经使用GaAs MESFET实现了高 频放大器(即，能够工作在1.0GHz或更高频率下的放大器)。不过， 所得的放大器不能输出通信应用(尤其是基站应用)所需的高功率， 而且这种器件的效率低于理想值。具体而言，GaAs MESFET器件具有 有限的功率密度和有限的漏极电压，这限制着它们能够产出的功率 量。

因此，一直对这样的单级开关模式放大器电路存在着需求：这种 电路能够在1.0GHz以上的频率产生超过10W的输出功率。此外，还需 要这样的开关模式放大器电路：其能够在1.0GHz以上的频率以超过 75％的功率附加效率工作。

发明内容

一种单级开关模式放大器电路包括有源器件开关晶体管，所述有 源器件开关晶体管被配置为根据输入信号的信号电平工作在导通状态 或截止状态。开关晶体管具有连接到负载网络的输出，所述负载网络 对来自开关晶体管的输出进行滤波以向负载阻抗提供窄带宽输出信 号。被负载网络拒绝的能量存储在开关电容器中，在开关晶体管处于 截止状态时该开关电容器继续驱动输出信号。通过漏极电感器向开关 晶体管提供漏极电压，该漏极电感器防止了源电流中的瞬变。在一些 实施例中，该放大器工作在E类模式中。

在一些实施例中，开关模式放大器电路包括输入匹配级、有源级 和输出匹配级。有源级包括与开关电容器并联的有源器件开关晶体 管。该开关晶体管具有连接到负载网络和负载阻抗的输出。该器件的 输出包括负载阻抗两端上的电压，该输出被提供到输出匹配级，该输 出匹配级将有源级的输出阻抗转换成所需的电路输出阻抗。在其他实 施例中，可以使用多个有源晶体管级和匹配网络以提供额外的放大器 增益(例如2级放大器等)。

开关晶体管可以包括在超过1.0GHz的频率工作时能够保持高漏 极电压和/或高电流水平的宽带隙晶体管。在一些实施例中，开关晶 体管包括氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)。在一些实施 例中，开关晶体管包括总的栅极范围约为3.6mm的GaN基HEMT。在一 些实施例中，开关晶体管包括GaN MESFET。在其他实施例中，开关晶 体管包括不同的宽带隙高频晶体管，例如SiC MESFET、SiC LDMOS、SiC 双极晶体管或GaN MOSFET器件。