用於射頻（rf）發射器的高效輸出級放大的製作方法
2023-10-20 16:47:12
用於射頻（rf）發射器的高效輸出級放大的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於射頻（RF）發射器的高效輸出級放大。提供了高功效發射器輸出級的設計。在實施方式中，輸入信號的概率密度函數（PDF）被分成多個區域，並且根據它們落入了哪個PDF區域來處理該輸入信號的樣本。PDF可以在對應於落入預定振幅範圍內的輸入信號的樣本的內部區域與對應於在預定振幅範圍外的輸入信號的樣本的外部區域之間被劃分。落在內部區域中的輸入信號的樣本由A類偏置放大器來處理，落在外部區域中的輸入信號的樣本由B類偏置放大器來處理。根據實施方式的輸出級設計能夠被實施為功率放大器或者功率數模轉換器（DAC）。
【專利說明】用於射頻(RF)發射器的高效輸出級放大
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本發明要求於2012年12月31日提交的美國專利申請第61/747，534號、於2013年2月15日提交的美國專利申請第13/768，713號的優先權，其全部內容通過引用結合於本文中。
【技術領域】
[0003]本公開主要涉及射頻(RF)發射器。
【背景技術】
[0004]許多現代通信信號包括多個正交載波(例如，0FDM、LTE、MoCA等)，並且因此具有高斯或基本上為高斯的振幅概率密度函數(PDF)和高的峰均功率比(PAPR)。當處理這些信號的峰值事件時，傳統的功率放大器(例如，A類)具有非常低的功效(例如，1%-2%)。用於改善功率放大器的功效的常見解決方案包括改變作為輸入信號振幅的函數提供給放大器的電力供應。然而，這些解決方案受限於輸入振幅跟蹤電路的帶寬，並且因此對於寬帶現代通信信號(例如，LTE、現代有線TV信號等)來說是低效率的。
【發明內容】
[0005]根據本發明的一個方面，提供了一種功率數模轉換器，包括:振幅映射器，被配置為接收輸入信號並且從所述輸入信號中生成多個輸入成分信號；多個數模轉換器，每個均被配置為接收所述多個輸入成分信號中的相應的一個並且生成相應的電流信號；以及組合器，被配置為將所述多個數模轉換器的所述相應的電流信號相組合以生成所述功率數模轉換器的輸出信號。
[0006]其中，所述多個輸入成分信號中的每一個均對應於所述輸入信號相應的部分，並且其中，所述多個輸入成分信號的總和等於所述輸入信號。
[0007]其中，所述振幅映射器被配置為生成對應於所述輸入信號的在預定振幅範圍內的樣本的第一輸入成分信號，以及對應於所述輸入信號的在所述預定振幅範圍外的樣本的第二輸入成分信號。
[0008]其中，所述多個數模轉換器包括:第一數模轉換器，被配置為接收所述第一輸入成分信號並且生成第一電流信號；以及第二數模轉換器，被配置為接收所述第二輸入成分信號並且生成第二電流信號。
[0009]其中，使用第一電源電壓將所述第一數模轉換器偏置。
[0010]其中，當所述第二輸入成分信號非零時，使用高於所述第一電源電壓的第二電源電壓將所述第二數模轉換器偏置，並且當所述第二輸入成分信號為零時，使用低於所述第一電源電壓的第三電源電壓將所述第二數模轉換器偏置。
[0011]所述功率數模轉換器，進一步包括:電流導引級，被配置為將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至所述組合器。[0012]其中，所述組合器包括:第一繞組，使用第一電源電壓偏置；第二繞組，使用高於所述第一電源電壓的第二電源電壓偏置；輸出繞組，耦接至負載，所述輸出繞組被配置為生成所述功率數模轉換器的所述輸出信號。
[0013]其中，所述電流導引級包括:第一電流導引單元，被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第一數模轉換器的所述第一電流信號耦接至所述第一繞組，並且當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第一數模轉換器的所述第一電流信號耦接至所述第二繞組；第二電流導引單元，被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第二數模轉換器的所述第二電流信號耦接至自供電電壓，並且當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第二數模轉換器的所述第二電流信號耦接至所述第二繞組。
[0014]其中，所述自供電電壓低於所述第一電源電壓。
[0015]其中，所述功率數模轉換器被實施在多晶片模塊中。
[0016]其中，所述多晶片模塊包括:第一晶片，包括所述多個數模轉換器，使用第一處理實施所述第一晶片；以及第二晶片，包括所述電流導引級，使用第二處理實施所述第二晶片。
[0017]根據本發明的另一個方面，提供了一種功率數模轉換器，包括:振幅映射器，被配置為接收輸入信號並且生成對應於所述輸入信號的在預定振幅範圍內的樣本的第一輸入成分信號，以及對應於所述輸入信號的在所述預定振幅範圍外的樣本的第二輸入成分信號；第一數模轉換器，被配置為接收所述第一輸入成分信號並且生成第一電流信號；第二數模轉換器，被配置為接收所述第二輸入成分信號並且生成第二電流信號；以及電流導引級，被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第一電流信號耦接至第一電源電壓，並且被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第二電流信號耦接至高於所述第一電源電壓的第二電源電壓。
[0018]其中，所述電流導引級進一步被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第一電流信號耦接至所述第二電源電壓，並且被進一步配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第二電流信號耦接至低於所述第一電源電壓的自供電電壓。
[0019]其中，所述電流導引級包括:A類電流導引單元，用於將所述第一電流信號選擇性地耦接至所述第一電源電壓或者所述第二電源電壓；以及B類電流導弓丨單元，用於將所述第二電流信號選擇性地耦接至所述第二電源電壓或者所述自供電電壓。
[0020]根據本發明的再一個方面更，提供了一種功率放大器，包括:輸入級，被配置為接收輸入信號並且生成第一電流信號和第二電流信號；以及電流導引級，被配置為當所述輸入信號在預定振幅範圍內時，將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至第一電源電壓，並且當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至高於所述第一電源電壓的第二電源電壓。
[0021]所述功率放大器進一步包括:組合器，被配置為將所述第一電流信號與所述第二電流信號相組合以在負載中產生輸出電流信號。
[0022]其中，所述組合器包括:第一繞組，具有中心抽頭，使用所述第一電源電壓偏置所述第一繞組；第二繞組，具有中心抽頭，使用所述第二電源電壓偏置所述第一繞組；以及輸出繞組，耦接至所述負載，所述輸出繞組被配置為生成所述輸出電流信號。
[0023]其中，所述電流導引級被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第一電流和所述第二電流耦接至所述第一繞組，並且當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第一電流和所述第二電流耦接至所述第二繞組。
[0024]其中，所述輸入級包括數模轉換器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]併入本說明書並組成說明書的一部分的附圖，示出了本公開，並與說明書一起進一步用來說明本公開的原理，並使得相關領域的技術人員能夠實施和使用本公開。
[0026]圖1示出了示例性A類放大器。
[0027]圖2示出了具有輸出扼流電路的示例性A類放大器。
[0028]圖3示出了根據實施方式的示例性AB類功率放大器。
[0029]圖4示出了示例性高峰均比(PAR)信號的概率密度函數(PDF)。
[0030]圖5示出了用於為圖3的示例性功率放大器生成控制信號的示例性電路。
[0031]圖6示出了根據實施方式的示例性功率數模轉換器(DAC)。
[0032]圖7示出了根據實施方式的示例性地將信號分解為成分信號。
[0033]圖8示出了根據實施方式的另一示例性功率DAC。
[0034]圖9示出了根據實施方式的示例性地將信號分解為成分信號。
[0035]圖10示出了根據實施方式的示例性A類電流導引單元。
[0036]圖11示出了根據實施方式的示例性B類電流導引單元。
[0037]圖12示出了根據實施方式的圖8的功率DAC的示例性實施。
[0038]圖13示出了根據實施方式的示例性組合器。
[0039]將參考附圖來描述本公開。通常，元件首先出現的示圖一般由相應的參考數字中最左邊的數字表不。
【具體實施方式】
[0040]出於討論的目的，術語「模塊(module)」應當被理解為包括軟體、固件和硬體中的至少一個(諸如一個或多個電路、微晶片或裝置或其任意組合)及其組合。此外，將理解的是，在實際的裝置中，每個模塊能夠包括一個或者一個以上的組件，並且形成所描述的模塊的一部分的每個組件能夠起到與形成該模塊的一部分的任何一個組件合作或相獨立的功能。相反，本文中所描述的多個模塊能夠表示在實際裝置內的單一組件。此外，在模塊內的組件能夠以有線的或無線的方式在單個的裝置中或者分布在多個裝置之間。
[0041]圖1示出了示例性A類放大器100。如在圖1中所示,示例性A類放大器包括:NM0S(N型金屬氧化物半導體)電晶體102 ;上拉電阻器&104，耦接在NMOS電晶體102的漏極端與電源電壓之間；以及下拉電阻器RS106，耦接在NMOS電晶體102的源極端與地之間。
[0042]在圖1的示例中，放大器100在NMOS電晶體102的柵極端接收正弦波輸入信號108，該放大器100在NMOS電晶體的源極端處產生正弦波信號110並且在NMOS電晶體102的漏極端處產生正弦波輸出信號112。如在圖1中所示，輸出信號112可以具有在V4min與Vdd之間的最大電壓擺幅，其對應於電源電壓。假設放大器100具有高增益，輸出信號112能夠具有Vdd/2的最大峰值擺幅並且放大器100能夠具有25%的最大功效。
[0043]圖2示出了具有輸出扼流電路202的示例性A類放大器200，該輸出扼流電路202耦接在上拉電阻器&104兩端。如在圖2中所示，使用相同的正弦波輸入信號108，放大器200產生具有以Vdd為中心並且在V4min與V4max之間變化的電壓擺幅的輸出信號204。假設放大器200具有高增益，則輸出信號204能夠具有為Vdd的最大峰值電壓並且放大器200能夠具有50%的最大功效。因此，放大器200能夠具有放大器100兩倍的功效。
[0044]例如，示例性放大器100和200通常是高線性的並且因此期望用於在射頻(RF)發射器中的輸出級放大。然而，示例性放大器100和200的線性帶來如上所述的低功效的代價。在通常的現代通信信號的情況下，這些功效被進一步降低。例如，許多現代通信信號包括多個正交載波(例如，0FDM、LTE、MoCA等)並且因此具有高斯或者基本上為高斯的振幅概率密度函數(PDF)和高的峰均比(PAPR)，例如大約為25。對於信號的峰值事件，用於這樣的信號的示例性放大器100和200的典型效率分別近似接近於1%和2%。
[0045]用於改善發射器輸出級的功效的常用的解決方案包括改變提供給作為輸入信號的振幅的函數的級的電力供應。例如，現有的解決方案跟蹤輸入信號的包絡並且基於該輸入信號包絡使用開關調節器調整該電力供應。然而，這個解決方案受限於開關調節器(例如，20MHZ)的最大帶寬，並且因此對於現代寬帶通信信號(例如，LTE、現代有線TV信號等)是低效的。
[0046]如下面進一步描述的實施方式提供了高功效的發射器輸出級設計。實施方式基於輸入信號的振幅通過將輸入信號分成多個成分信號來操作，並且然後使用被適當偏置的相應的放大器來處理多個成分信號中的每一個。例如，在實施方式中，輸入信號的PDF被分成多個區域，並且輸入信號的樣本根據它們落入其中的PDF區域來處理。例如，PDF可以在對應於輸入信號的在預定振幅範圍內(例如，其具有高的發生概率)的樣本的內部區域與對應於輸入信號的在預定振幅範圍外(例如，峰值事件，其具有較低的發生概率)的樣本的外部區域之間被劃分。通過A類放大器處理輸入信號的落在內部區域的樣本並且通過B類放大器處理輸入信號的落在外部區域中的樣本。應當注意，如本文中所使用的B類放大並不對應於常規的B類放大，其中，放大器僅工作50%的信號周期時間，相反，本文中所使用的B類放大用於描述放大器/DAC —直進行的但對於信號周期的未使用部分導電電流被耦接至低的電源電壓(而不是放大器自身被關閉)的放大。在實施方式中，使用多個電源電壓將B類放大器偏置，產生ABG類設計。根據實施方式的輸出級設計能夠被實施為如下面進一步描述的功率放大器或者功率數模轉換器(DAC)。
[0047]圖3示出了根據實施方式的示例性AB類功率放大器(PA) 300。提供的示例性PA300僅出於說明的目的而並非限制實施方式。例如，示例性PA300採用差分BJT (雙極結型電晶體)實施。例如，實施方式不限於這個示例性實施並且可擴展至單端和/或MOS實施。
[0048]如圖3中所示，示例性PA300包括輸入級302、電流導引級310和組合器，該組合器具有均耦接至同一鐵芯328的第一繞組324、第二繞組326和輸出繞組330。輸出繞組330被耦接至負載&332。在實施方式中，第一繞組324和第二繞組326可以具有或可以不具有相對於輸出繞組330相同的比率。
[0049]輸入級302包括電晶體304a和304b並且該輸入級302被配置為在電晶體304a和304b相應的基極端接收差分輸入信號306a-306b。例如，在實施方式中，電晶體304a和304b相應的源極端被耦接至相應的下拉電阻器308a和308b，該下拉電阻器308a和308b均被耦接至地線。輸入級302生成第一電流信號334a和第二電流信號334b。
[0050]電流導引級310包括具有電晶體314a和314b的內部部分和具有電晶體312a和312b的外部部分。本文中所使用的術語「內部」和「外部」僅出於示出的目並不具有結構上或功能上的關聯性。通過被耦接至相應的電晶體314a和314b的基極端的控制信號318控制電晶體314a和314b，。通過被耦接至相應的電晶體312a和312b的基極端的控制信號316控制電晶體312a和312b。
[0051]在實施方式中，控制信號318和316是互補的信號，從而使得在任何給定的時間電晶體312a-312b或電晶體314a_314b導通。例如，當輸入信號306a_306b在預定振幅範圍夕卜(例如，輸入信號306a-306b的絕對值在預定的振幅閾值上)時，信號318和信號316可以分別為邏輯低和邏輯高，並且當輸入信號306a-306b在預定振幅範圍內(例如，輸入信號306a-306b的絕對值低於預定振幅閾值)時，信號318和信號316可以分別為邏輯高和邏輯低。這樣，當輸入信號306a-306b在預定的振幅範圍內時，電流導引級310將第一電流334a和第二電流334b耦接至組合器的第一繞組324，並且當輸入信號306a_306b在預定振幅範圍外時，將第一電流334a和第二電流334b耦接至組合器的第二繞組326。電流信號334a-334b通過組合器的輸出繞組330組合以在負載Rl332中產生輸出電流。
[0052]在實施方式中，使用第一電源電壓V1ot將第一繞組324在其中心抽頭處被偏置，使用第二電源電壓Vhigh將第二繞組326在其中心抽頭處被偏置，該第二電源電壓Vhigh高於第一電源電壓。在實施方式中，基於預定振幅範圍選擇第一電源電壓Vlw和第二電源電壓Vhigh以增強輸入信號的放大。因此，當輸入信號在預定振幅範圍內時，電流導引級310將第一電流334a和第二電流334b選擇性地耦接至第一電源電壓VlOT，當輸入信號在預定的振幅範圍外時，將第一電流334a和第二電流334b選擇性地耦接至第二電源電壓Vhigh。因此，在實施方式中，輸入信號306a-306b的低振幅樣本(高斯輸入信號以高概率出現的情況下)接收A類放大並且輸入信號306a-306b的高振幅樣本(高斯輸入信號以低概率出現的情況下)接收B類放大。在另一實施方式中，多個(混合的)電源電壓被用於導致用於這這些樣本的BG類放大的高振幅樣本。
[0053]應當注意，根據實施方式的組合器不限於如在圖3中所示的多繞組通量耦接變壓器。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，組合器可以被以其他方式被實施為傳輸線變壓器(例如，Guanella, Ruthroff等)、微波傳輸帶、帶狀線或橫向電磁(TEM)稱合器。為了高頻率實施，組合器還可以使用中空的波導耦接器來實施。
[0054]例如，組合器可以如在圖13中所示的示例性組合器1300來實施。示例性組合器1300包括外部部分1302、內部部分1304和輸出部分1306。
[0055]外部部分1302被配置為接收輸入1310a和1310b並產生輸出1328。輸入1310a和1310b可以對應於上面所描述的電流導引級310的外部部分的輸出。在實施方式中，夕卜部部分1302包括分別用於接收輸入1310a和1310b的兩個輸入支路以及組合器1308。在實施方式中，扼流或偏置T形電路1312a和1312b被用於將兩個輸入支路分別耦接至高軌道電源電壓(high rail supply voltage) 1316。電容器1314a和1314b被分別稱接在電路1312a與組合器1308的輸入之間和1312b與組合器1308的輸入之間。在實施方式中，組合器1308是反相組合器，其將輸入1310a和輸入1310b的180度反相版本進行組合，以產生輸出1328。
[0056]內部部分1304被配置為接收輸入1320a和1320b並且產生輸出1330。輸入1320a和1320b可對應於上述電流導引級310的內部區域的輸出。在實施方式中，內部區域1304包括分別用於接收輸入1320a和1320b的兩個輸入支路和組合器1318。在實施方式中，扼流或偏置T形電路1322a和1322b被用於將兩個輸入支路分別耦接至低軌道電源電壓(lowrail supply voltage) 1326。電容器1324a和1324b被分別耦接在電路1322a與組合器1318的輸入之間和1322b與組合器1318的輸入之間。在實施方式中，組合器1318是反相組合器，其將輸入1320a和輸入1320b的180度反相版本進行組合以產生輸出1330。
[0057]輸出部分1306包括組合器1332。在實施方式中，組合器1322是同相組合器，其將輸出1328與1330相組合以產生輸出1334。在實施方式中，輸出1334對應於PA輸出。
[0058]根據實施方式，組合器1308、1318和1332可以分別被實施為多繞組通量耦接變壓器、傳輸線變壓器(例如，Guanella, Ruthroff等)、微波傳輸帶、帶狀線或TEM稱接器。為了高頻率實施，組合器還可以使用中空的波導耦接器來實施。
[0059]圖4示出了示例性高峰均比(PAR)信號的概率密度函數(PDF)400。如在圖4中所示，圖4中示出的示例PAR信號通過將H)F400分成內部區域402和外部區域404a_404b使用實施方式來放大，所述內部區域402對應於具有在預定的振幅範圍內的振幅的信號的樣本，所述外部區域404a-404b對應於具有在預定的振幅範圍外的信號的樣本。在實施方式中，基於服從A類放大的最大振幅選擇預定的振幅範圍，使得所述預定振幅範圍涵蓋這個最大振幅。在實施方式中，信號的A類放大被用於內部區域402，並且B類或B/G放大被用於外部區域404a_404b。在其它實施方式中，PDF400可以被分成多於或者少於在圖4中所示的區域。例如，H)F400可以被分為5個或7個區域，其中外部區域404a-404b中的每一個均被進一步分成兩個或更多個子區域。
[0060]圖5示出了用於生成用於圖3的示例PA300的控制信號318和316的示例電路500。提供的示例500僅為了說明而並非用於限制實施方式。如在圖5中所示，電路500包括模數電路504、前置放大器506和比較器508。模數電路504接收輸入信號502並生成輸入信號502的模數(絕對值)。使用前置放大器506將模數電路504的輸出前置放大以生成信號512。然後將信號512連同閾值信號510—起提供給比較器508。閾值信號510表不預定振幅閾值。比較器508將信號512與閾值信號510進行比較以生成控制信號316。在實施方式中，如果信號512大於閾值信號510，則控制信號316為邏輯高，否則為邏輯低。經由反相器514產生作為控制信號316的補數的控制信號318。
[0061]不例電路500也可以被用於生成用於稍後描述的實施方式(例如,包括在圖6、圖8和圖12中所示的實施方式)的等效控制信號。在這些和其它的實施方式中，示例電路500可以被用於使用模擬或數字形式的輸入信號502來生成控制信號。此外，輸入信號502可以表示至下面將描述的功率DAC的實施中的振幅映射器或者DAC的輸入。
[0062]圖6示出了根據實施方式的示例功率DAC600。提供的示例功率DAC600僅為了說明而並非用於限制實施方式。如在圖6中所示，示例功率DAC600包括振幅映射器(在圖6中未示出)；多個DAC (608a、608b和610);組合器，具有鐵芯626和全部耦接至該鐵芯626的第一繞組622、第二繞組620和第三繞組624 ；以及電源調節器618，用於生成第一電源電壓(VDD_1 ow )616、第二電源電壓(VDD_h igh)614 和第三電源電壓(VDD_dump ) 612。
[0063]振幅映射器被配置成接收輸入信號並且被配置為從輸入信號產生多個成分信號。例如，如在圖6中所示，振幅映射器接收具有振幅PDF的輸入信號630並且生成輸入成分信號602、604和606。在實施方式中，輸入成分信號602、604和606中的每一個均對應於輸入信號的相應的部分，並且輸入成分信號的總和等於輸入信號。在其它實施方式中，振幅映射器將輸入信號分成3個以上的輸入成分信號,每個信號均對應於輸入信號的相應的部分。
[0064]圖7不出了根據實施方式的不例性地將信號702分解成輸入成分信號604、602和606。僅為了說明將信號702示出為正弦曲線。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，任何信號均可以被分解為如在本文中的圖7中示出的輸入成分信號，並且將信號分解成任意數量的成分信號可以無數的方式來完成。
[0065]如在圖7中所不,輸入成分信號604對應於信號702在預定振幅範圍內時的信號702，否則輸入成分信號604為零。，輸入成分信號602對應於信號702為正並且在預定振幅範圍外時的信號702,否則輸入成分信號602為零。輸入成分信號606對應於信號702為負並且在預定的振幅範圍外時的信號702，否則輸入成分信號606為零。如從圖7中可明顯看出，輸入成分信號602、604和606的總和為信號702。在另一實施方式中，信號702可以被分解為信號604和第二信號，所述第二信號對應於信號702在預定的振幅範圍外時的信號702，否則該第二信號為零(信號602和606的和)。
[0066]返回到圖6，DAC608a、608b和610均被配置為接收輸入成分信號602、604和606中的相應的一個並且生成相應的電流輸出信號。在實施方式中，DAC610是A類DAC，其被配置(例如，適當地偏置)為接收輸入成分信號604，以及DAC608a和608b是B類DAC，被配置為(例如，適當地偏置)分別接收輸入成分信號602和606。
[0067]在實施方式中，振幅映射器根據上述在圖7中所示的方式分解輸入信號，從而產生具有在圖7中所描述的相同特性的輸入成分信號602、604和606。由DAC608a、608b和610所產生的電流輸出信號分別與輸入成分信號602、606和604成比例。在實施方式中，因為DAC608a、608b和610從未關閉，故由DAC608a、608b和610所產生的電流輸出信號總是
非零的。
[0068]在實施方式中，當輸入成分信號602和606中任一個是零並因此未對功率DAC600的輸出信號有貢獻時，使用相應的DAC輸出信號632b和/或636b將由DAC608a和/或608b所產生的電流輸出信號路由至第三電源電壓612。第三電源電壓612低於第二電源電壓614(並且可以低於第一電源電壓616)，並且因此可以降低DAC608a和/或608b的功率無效性(當它未對輸出沒有貢獻時)。可選地，當輸入成分信號602或606是非零並且因此對功率DAC600的輸出信號有貢獻時，使用相應的DAC輸出信號632a或636a將由DAC608a或608b所產生的電流輸出信號路由至第二繞組620。使用第二電源電壓614將第二繞組620在其中心抽頭處偏置，所述第二電源電壓提供了需要輸入信號的高振幅樣本的高電壓偏置。上面描述的DAC608a和608b的切換的電力供應偏置導致用於輸入信號的高的振幅樣本的BG類放大。
[0069]由DAC610所產生的電流輸出信號一直被I禹接至第一繞組622,使用第一電源電壓616將第一繞組622在其中心抽頭處偏置。在實施方式中，第一電源電壓616被選擇用於為輸入信號提供A類放大。在實施方式中，使用DAC輸出信號634a和634b (差分輸出)將由DAC610所產生的電流輸出信號耦接至第一繞組622。
[0070]組合器將耦接至第一繞組622和第二繞組620的相應的電流信號進行組合以在第三繞組624中產生輸出電流信號。輸出電流信號在負載1^628兩端產生輸出電壓信號。應當注意，根據實施方式的組合器不限於如在圖6中示出的多繞組通量耦接變壓器。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，組合器可以以其他方式被實施為傳輸線變壓器(例如，Guanella, Ruthroff等)、微波傳輸帶、帶狀線或橫向電磁(TEM)稱接器。為了高頻率的實施，組合器還可以使用中空的波導耦接器來實施。此外，在其它實施方式中，組合器可以被實施為通過示例組合器1300示出的。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，對於使用示例功率DAC600，示例組合器1300能夠被擴展至具有三個(例如，兩個外部部分和一個內部部分)而不是兩個輸入部分。
[0071]圖8示出了根據實施方式的另一示例性功率DAC800。提供的示例性功率DAC800僅為了說明而並非用於限制實施方式。如在圖8中所示，示例功率DAC800包括:輸入級802，其包括振幅映射器806和多個DAC (608a、608b和610);電流導引級808，其包括第一電流導引單元810、第二電流導引單元818和第三電流導引單元824 ；以及組合器，包括鐵芯626和均耦接至該鐵芯626的第一繞組622、第二繞組620和第三繞組624。
[0072]振幅映射器806被配置為接收輸入信號804並且生成輸入成分信號602、604和606。在實施方式中，輸入信號成分602、604和606中的每一個均對應於輸入信號804相應的部分，並且輸入成分信號602、604和606的總和等於輸入信號804。在其它的實施方式中，振幅映射器將輸入信號804分成多於3個的輸入成分信號,每一個均對應於輸入信號相應的部分。
[0073]在實施方式中，振幅映射器806根據下述在圖9中所示的方式來分解輸入信號804。具體地,輸入成分信號604對應於信號804在預定振幅範圍內時的信號804,當信號804是在預定的振幅範圍的最大正振幅的上方時，輸入成分信號604是對應於預定振幅範圍的最大正振幅的常數，並且當信號804是在預定振幅範圍的最大負振幅下方時，輸入成分信號604是對應於預定振幅範圍的最大負振幅的常數。輸入成分信號602對應於信號804與信號804在預定振幅範圍的最大正振幅上方時的預定振幅範圍的最大正振幅之間的差值，否則輸入成分信號602為零。輸入成分信號606對應於在信號804與信號804在預定振幅範圍的最大負振幅下方時的預定振幅範圍的最大負振幅差值，否則輸入成分信號606為零。
[0074]返回到圖8，DAC608a、608b和610的每一個均被配置為接收輸入成分信號602、604和606中相應的一個。在實施方式中，DAC610是A類DAC，其被配置(例如，適當地偏置)為接收輸入成分信號604，以及DAC608a和608b是B類DAC，被配置(例如，適當地偏置)為分別接收輸入成分信號602和606。DAC608a、608b和610分別生成輸出電流信號，該輸出電流信號分別與輸入成分信號602、606和604成比例。在實施方式中，因為DAC608a、608b和610從未被關閉，故由DAC608a、608b和610所產生的輸出電流信號總是非零的。
[0075] 在實施方式中，當輸入成分信號602和606中任一個是零並且因此對功率DAC800的輸出信號有貢獻時(例如，輸入信號804在預定振幅範圍內),使用相應的DAC輸出信號632b和/或636b將由DAC608a和/或608b所產生的電流輸出信號路由至第三電源電壓612。第三電源電壓612低於第二電源電壓614 (並且可以低於第一電源電壓616)，並且因此可以降低DAC608a和/或608b的功率無效(當它對輸出無貢獻時)。在實施方式中，通過使用於接通第二電流導引單元818的電晶體820b (和/或第三電流導引單元824的電晶體826b)的控制信號822b (和/或828b)來進行DAC輸出信號632b (和/或636b)至第三電源電壓612的耦接。在實施方式中，由控制電路(在圖8中未示出)來提供控制信號822b和828b，所述控制電路被耦接至映射器，根據輸入成分信號602、606和604提供控制信號。相同的控制電路也提供下面所描述的其他控制信號(例如，814a、814b、822a和828a)。
[0076]可選地，當輸入信號成分602或606是非零的並且因此對功率DAC800的輸出信號有貢獻時(例如，輸入信號804在預定的振幅範圍之外)，使用相應的DAC輸出信號632a或者636a將由DAC608a或608b所產生的電流輸出信號路由至第二繞組620。使用第二電源電壓614將第二繞組620在其中心抽頭處偏置，該第二電源電壓614提供了需要輸入信號(在實施方式中，輸入信號為B類放大)的高的振幅樣本的高的電壓偏置。在實施方式中，通過使用於接通第二電流導引單元818的電晶體820a (或第三電流導引單元824的電晶體826)的控制信號822a (或828b)來進行DAC輸出632a (或636a)至第二繞組620的耦接。[0077]在實施方式中，由DAC610所產生的電流輸出信號一直被耦接至第一繞組622，使用第一電源電壓616將該第一繞組622在其中心抽頭處被偏置。在實施方式中，選擇第一電源電壓616以提供用於輸入信號的A類放大。在實施方式中，通過分別使用第一電流導引單元810的電晶體812a和812b將DAC輸出信號634a和634b分別耦接至第一繞組622來將由DAC610所產生的電流輸出信號耦接至第一繞組622。通過控制信號814a控制電晶體812a和812b，該控制信號用來接通電晶體812a和812b。
[0078]在另一實施方式中，當輸入信號804在預定振幅範圍內時，由DAC610所產生的電流輸出信號被耦接至第一繞組622，當輸入信號804在預定振幅範圍外時(例如，峰值事件)，由DAC610所產生的電流輸出信號被耦接至第二繞組620。僅如上述進行由DAC610所產生的電流輸出信號至第一繞組622的耦接。通過經由相應的第一電流導引單元810的電晶體816a和816b將DAC輸出信號634a和634b耦接至第二繞組620來進行由DAC610所產生的電流輸出信號至第二繞組620的耦接。通過控制信號814b控制電晶體816a和816b，該控制信號用來導通電晶體816a和816b。在實施方式中，控制信號814b是控制信號814a的補數，從而DAC610的電流輸出信號在任意給定的時間被耦接至第一繞組622或者被耦接至第二繞組620。當輸入信號804在預定振幅範圍外時(例如，峰值事件)的DAC610的電流輸出信號至第二繞組620的耦接能夠使當在範圍外時輸入信號有更多的線性放大。
[0079]如上面參照圖6的描述，組合器將分別耦接至第一繞組622和第二繞組620的電流信號進行組合以在第三繞組624中產生輸出電流信號。輸出電流信號在負載1^628兩端產生輸出電壓信號。應當注意，根據實施方式的組合器不限於如在圖8中示出的多繞組通量耦接變壓器。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，組合器可以以其他方式被實施為傳輸線變壓器(例如，Guanella, Ruthroff等)、微波傳輸帶、帶狀線或橫向電磁(TEM)耦接器。為了高頻率實施，組合器還可以使用中空的波導耦接器來實施。此外，在其它的實施方式中，組合器可以被實施為通過實例1300所示出的。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，為了與示例功率DAC800 —起使用，示例組合器1300可以被擴展具有三個(例如，兩個外部部分和一個內部部分)而不是兩個部分。
[0080]圖10示出了根據實施方式的示例性A類電流導引單元1000。提供的示例電流導引單元1000僅為了說明而並非用於限制本公開的實施方式。示例電流導引單元1000可以替代在上面的圖8中所描述的示例功率DAC800中的第一電流導引單元810。
[0081 ] 如在圖10中所示，電流導引單元1000包括:主支路，包括輸入電晶體對1004a-1004b、偏置電晶體對1006a_1006b和二極體對1008a_1008b;以及輔助支路，包括輸入電晶體對1014a-1014b和偏置電晶體對1018a_1018b。主支路提供被耦接至低電源電壓的輸出1012a和1012b。輔助支路提供被耦接至高電源電壓的輸出1020a和1020b。主支路和輔助支路兩者均被耦接至電流源，該電流源在示例單元1000中被實施為NMOS電晶體1010。在另一實施方式中，電流源由DAC (例如，610)提供。
[0082]在操作中，NMOS電晶體1010的輸出電流通過電流導引單元1000被導引至低的電源電壓，並且在一些情況下，還被導引至高的電源電壓。具體地，當輸入信號(例如，輸入信號804)為正時，NMOS電晶體1010的輸出電流被導引至主支路的輸出1012a。此外，當輸入信號也在預定振幅範圍外時(例如，峰值事件)，NMOS電晶體1010的輸出電流中的一些也被導引至輔助支路的輸出1020a。當輸入信號為負時，NMOS電晶體1010的輸出電流被導引至主支路的輸出1012b。此外，當輸出信號也在預定振幅範圍外時(例如，峰值事件)，NMOS電晶體1010的輸出電流中的一些也被導引至輔助支路的輸出1020b。使用互補信號1002a-1002b和1014a_1014b進行如上面所描述的NMOS電晶體1010的輸出電流的導引。
[0083]對於A類放大，偏置電晶體對1006a_1006b和1018a_1018b確保輸入信號1004a-1004b和1016a_1016b被適當地偏置。當輔助支路被用於將電流導引至高的電源電壓時，二極體1008a-1008b分別阻止輸入電晶體1004a_1004b的基極集電極結的前向偏置。
[0084]圖11示出了根據實施方式的示例B類電流導引單元1100。提供的示例電流導引單元1100僅為了說明而並非用於限制本公開的實施方式。示例電流導引單元1100能夠替代在上述的圖8中的示例功率DAC800。應當注意，本文中所使用的B類放大並不對應於常規的B類放大，其中，放大器僅工作50%的信號周期時間。相反，本文中所使用的B類放大用於描述放大器/DAC —直進行的但對於信號周期的未使用部分導電電流被耦接至低的電源電壓(而不是放大器自身被關閉)的放大。
[0085]如在圖11中所示，電流導引單元1100包括輸入電晶體對1104a_1104b和偏置電晶體對1106a-1106b，並且提供輸出1108a和1108b。在實施方式中，對於B類放大，偏置電晶體對1106a-1106b確保了輸入電晶體1104a_1104b被適當地偏置。
[0086]輸出1108被耦接至高的電源電壓，並且輸出1108b被耦接至低的電源電壓(自供電電壓)。在實例1100中被實施為NMOS電晶體1110 (在另一實施方式中，通過DAC (例如，608a)提供該電流源)的電流源從單元的高電源電壓或自供電電壓支路中的任一個吸收電流。具體地，當輸入信號(例如，輸入信號804)為正並且在預定振幅範圍外(例如，正振幅峰值事件)時，NMOS電晶體1110的輸出電流被導引至輸出1108a以用於耦接至高電源電壓。當輸入信號在預定振幅範圍內時，NMOS電晶體1010的輸出電流被導引至輸出1108b以用於耦接至自供電電壓。
[0087]圖12示出了根據實施方式的如在上面圖8中所描述的示例功率DAC800的示例性實施方式。具體地，在這個實施方式中，使用在單個的印刷電路板(PCB)上的多晶片模塊(MCM)來實施功率DAC800。使用第一處理將包括振幅映射器806和DAC608a、608b和610的輸入級802實施在第一晶片中，例如，該第一處理可以是CMOS處理。通常，CMOS工藝能夠經受高的電流但只能經受很低的電壓。使用第二處理將電流導引級808實施在第二晶片中，例如該第二處理可以是SiGe或GaAs處理。SiGe或GaAs處理通常可以經受高的電壓，並且因此在這個示例性實施方式中保護CMOS處理。該組合器被實施在相同的PCB上。基於本文所教的內容本領域技術人員將會理解，出於說明的目的提供了這個示例性實施方式但並不限於該實施方式。
[0088]已經藉助於示出了特定功能和相應關係的實施的功能構架模塊描述了實施方式。為了便於描述，可任意地限定這些功能構架模塊的邊界。只要特定的功能和相應關係被適當地執行，可限定可選的邊界。
[0089]前述特定實施方式的描述將充分地披露了本公開的一般特徵，其他人能夠通過應用本領域技術人員的知識來修改和/或改變該【具體實施方式】各種應用，而不用進行過度的實驗，不用脫離本公開的一般概念。因此，基於本文中所述的啟示和教導，這樣的改變和修改意在處於所披露的實施方式的含義和等同替換的範圍內。應理解的是，本文中的措辭或術語是為了描述而非限制，因此，本說明書的術語或措辭應由本領域的技術人員根據本文中的啟示和教導進行解釋。
[0090]本公開的實施方式的寬度和範圍不應受任何上述示例性實施方式的限制，而僅受權利要求及等同替換的限定。
【權利要求】
1.一種功率數模轉換器，包括: 振幅映射器，被配置為接收輸入信號並且從所述輸入信號中生成多個輸入成分信號；多個數模轉換器，每個均被配置為接收所述多個輸入成分信號中的相應一個並且生成相應的電流信號；以及 組合器，被配置為將所述多個數模轉換器的所述相應的電流信號相組合以生成所述功率數模轉換器的輸出信號。
2.根據權利要求1所述的功率數模轉換器，其中，所述多個輸入成分信號中的每一個均對應於所述輸入信號的相應部分,並且其中，所述多個輸入成分信號的總和等於所述輸入信號。
3.根據權利要求1所述的功率數模轉換器，其中，所述振幅映射器被配置為生成對應於所述輸入信號的在預定振幅範圍內的樣本的第一輸入成分信號，以及對應於所述輸入信號的在所述預定振幅範圍外的樣本的第二輸入成分信號。
4.根據權利要求3所述的功率數模轉換器，其中，所述多個數模轉換器包括: 第一數模轉換器，被配置為接收所述第一輸入成分信號並且生成第一電流信號；以及 第二數模轉換器 ，被配置為接收所述第二輸入成分信號並且生成第二電流信號。
5.根據權利要求4所述的功率數模轉換器，其中，使用第一電源電壓將所述第一數模轉換器偏置。
6.根據權利要求5所述的功率數模轉換器，其中，當所述第二輸入成分信號非零時，使用高於所述第一電源電壓的第二電源電壓將所述第二數模轉換器偏置，並且當所述第二輸入成分信號為零時，使用低於所述第一電源電壓的第三電源電壓將所述第二數模轉換器偏置。
7.根據權利要求4所述的功率數模轉換器，進一步包括: 電流導引級，被配置為將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至所述組合器。
8.根據權利要求7所述的功率數模轉換器，其中，所述組合器包括: 第一繞組，使用第一電源電壓偏置； 第二繞組，使用高於所述第一電源電壓的第二電源電壓偏置； 輸出繞組，耦接至負載，所述輸出繞組被配置為生成所述功率數模轉換器的所述輸出信號。
9.一種功率數模轉換器,包括: 振幅映射器，被配置為接收輸入信號並且生成對應於所述輸入信號的在預定振幅範圍內的樣本的第一輸入成分信號，以及對應於所述輸入信號的在所述預定振幅範圍外的樣本的第二輸入成分信號； 第一數模轉換器，被配置為接收所述第一輸入成分信號並且生成第一電流信號； 第二數模轉換器，被配置為接收所述第二輸入成分信號並且生成第二電流信號；以及電流導引級，被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍內時，將所述第一電流信號耦接至第一電源電壓，並且被配置為當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第二電流信號耦接至高於所述第一電源電壓的第二電源電壓。
10.一種功率放大器,包括:輸入級，被配置為接收輸入信號並且生成第一電流信號和第二電流信號；以及電流導引級，被配置為當所述輸入信號在預定振幅範圍內時，將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至第一電源電壓，並且當所述輸入信號在所述預定振幅範圍外時，將所述第一電流信號和所述第二電流信號選擇性地耦接至高於所述第一電源電壓的第二電源電壓。
【文檔編號】H04B1/04GK103916096SQ201310753048
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2012年12月31日
【發明者】拉蒙·戈麥斯, 馬西莫·布蘭多利尼, 吳江楓 申請人:美國博通公司