[发明专利]实现用于毫米波应用的功率放大器的电路和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及实现用于毫米波应用的功率放大器的电路和方法。具 体而言，本发明涉及在毫米波频率下将双极型结型晶体管用作有源开关器 件实现高效率RF(无线电频率)开关型功率放大器的电路和方法。

背景技术

一般而言，RF功率放大器是根据多种通常称作A类、B类、C类、D 类、F类或其混合(例如A/B类、E/F类等等)中的一种设计的。这些不 同类别的功率放大器在运行方法(线性型、开关型)、效率、输出阻抗以 及功率输出能力方面不同。对于需要高效率功率放大器设计的应用，典型 地实施开关型D、E或F类功率放大器，而不是线性型A、B或AB类功 率放大器设计。事实上，在开关型功率放大器设计的情况下，通过将有源 器件运行为开关而不是受控电流源，获得高效率，其中，可实现多种调谐 方法以便最小化或消除开关器件的电压和电流波形之间的重叠，由此降低 功率耗散(称作“零电压开关(zero voltage switching)”)。高效率功率 放大器典型地用在例如电源转换器以及电源调节器电路等应用中，其中， 为降低功耗，需要零电压开关。

对于高效率开关型功率放大器，最高可获得的运行频率受到多种因素 的限制，例如所实施的开关器件的类型。在高频下提供E类运行的功率放 大器典型地使用MESFET、HEMT或MOSFET开关器件。例如，已经知 道，在10GHz下运行的E类放大器使用GaAs MESFET开关器件，而尚 不知道高于10GHz的E类放大器频率的存在。事实上，使用例如双极型 晶体管的E类放大器常常限于较低的运行频率，在毫米波频率下运行的双 极型功率放大器典型地被设计为使用A类或A/B类运行模式。

发明内容

本发明的典型实施例一般包括在毫米波频率下将BJT(双极型结型晶 体管)用作有源开关器件实现高效率开关型功率放大器的电路和方法。具 体而言，本发明的典型实施例包括在毫米波频率(例如60GHz)下驱动具 有BJT开关器件的功率放大器以实现高效率开关型(例如E类)运行的电 路和方法。

在本发明的一个典型实施例中，功率放大器电路包含有源开关器件和 输入网络，该有源开关器件包含BJT(双极型结型晶体管)，该输入网络 被耦合到BJT的基极以驱动有源开关，得到开关型运行。输入网络可包含 无源或有源驱动器网络，其被设计为根据本发明的优选实施例提供最优驱 动条件。

例如，在一个典型实施例中，输入网络被设计为呈现从有源开关器件 基极看上去的大约7欧姆到大约15欧姆范围内的实输入阻抗。在另一典型 实施例中，最优驱动条件包含被设计为向有源开关器件基极提供不对称驱 动电流的输入网络，其中，负的峰值基极电流超过正的峰值基极电流。

在又一典型实施例中，最优驱动条件包含被设计为向有源开关器件提 供这样的不对称驱动基极电流的输入网络：该电流使得基极电压具有不超 过大约400mVpp的振荡(swing)(峰峰值，毫伏)。不对称基极电流具 有大于正峰值电压幅值的负峰值电压幅值。

根据本发明的典型放大器设计提供这样的功率放大器：其能以大约 10GHz或更大的基波频率运行，同时，以15％或更大的附加功率效率 (power added efficiency)提供+10dBm或更大的输出功率。

结合附图，通过阅读下面对典型实施例的详细介绍，将明了本发明的 这些以及其他的典型实施例、特征和优点。

附图说明

图1原理性地示出了E类功率放大器的一般结构，其能被设计为使用 本发明的典型电路和方法为在毫米波频率下提供高效率开关型运行；

图2A与2B为示例性的时序图，其分别示出了图1中为提供零电压开 关的E类功率放大器的最优电流和电压波形；

图3为对于E类功率放大器作为晶体管关断时间的函数的集电极效率 的示例性视图；

图4为假设+10dBm的输出功率和10dB的总(驱动器加E类核心) 功率增益的情况下对于放大器核心中的三个不同效率值(70％到50％)作 为前置放大器(驱动器)功耗的函数的E类功率放大器附加功率效率(PAE) 的示例性视图；