專利名稱：功率放大器保護(hù)的制作方法
功率放大器保護(hù)描述本發(fā)明涉及功率放大器。本發(fā)明尤其適合于，但是非限制于，低擊穿電壓功率放大器。對(duì)于功率放大器，尤其對(duì)具有低擊穿電壓的功率放大器，比如CMOS功率放大器 (PA)，一個(gè)重要的問(wèn)題是存在天線失配時(shí)的可靠性。當(dāng)電壓超過(guò)特定的可靠電壓電平，功率晶體管將經(jīng)歷柵極氧化層擊穿(oxide breakdown) 0尤其是在存在天線失配的問(wèn)題時(shí)， 如果不采取措施減少高電壓，則開(kāi)關(guān)PA在功率晶體管的漏極上具有高電壓，并最終劣化性能。

圖1中示意性示出了關(guān)于功率晶體管漏極上高電壓的這個(gè)方面，其中，對(duì)于E類功率放大器1，漏極電壓位置由附圖標(biāo)記2表示，功率晶體管由附圖標(biāo)記3表示，包括電感器Ltl和電容器Ctl的濾波模塊由附圖標(biāo)記4表示，包括電感器Lm和電容器Cm的匹配網(wǎng)絡(luò)由附圖標(biāo)記6表示，天線位置由附圖標(biāo)記8表示，天線由可變阻抗X和可變電阻R代表。在圖2中，關(guān)于不同的負(fù)載反射相角(VSWR = 0)給出了 E類開(kāi)關(guān)PA的仿真結(jié)果， 示出了功率晶體管漏極上的峰值電壓(由附圖標(biāo)記10表示的曲線)能夠比沒(méi)失配的最好情況下(由附圖標(biāo)記12表示的曲線示出)高出1.5倍還多。如果沒(méi)有采取預(yù)防措施，依據(jù)使用的晶體管技術(shù)和漏極峰值電壓有多高，高峰值電壓會(huì)在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)破壞晶體管。已知的用于解決天線失配問(wèn)題的方法是基于模擬方法。已知方法包括使用二極管限制電壓，例如在"Adaptively preserving power amplifier linearity under antenna mismatch，，，Van Bezooi jen, A. ；Chanlo, C. ；van Roermund, A. H. M. ；Microwave Symposium Digest, 2004 IEEEMTT-SInternational Volume 3，2004 年 6 月 6-11 日，頁(yè)碼1515-1518， Vol3中所描述的；以及調(diào)整偏置條件，例如在“A VSffR-Protected Silicon Bipolar RF Power Amplifier With Soft-Slope Power Control", Angelo Scuderi ^A, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITES, VOL. 40，NO. 3,2005 年 3 月中所描述的。另一個(gè)已知技術(shù)是使用DC-DC轉(zhuǎn)換器改變電源電壓(VDD)以防止擊穿。然而，較大尺寸的DC-DC轉(zhuǎn)換器是這個(gè)技術(shù)的缺點(diǎn)?；诔私鉀Q天線失配問(wèn)題以外的其他目的，已知到的是將功率放大器的晶體管劃分為較小部分來(lái)控制峰值電壓，輸出功率等。在日本JP10-079654的日本專利摘要以及"A New Topology for Power Control of High Efficiency Class-E Switched Mode Power Amplifier，，，Tabrizi, Μ. M. ；Masoumi, N. , Fifth International Workshop on System-on-Chip for Real-Time Applications (IWSOC' 05)，pp92_95 巾歹ij。本發(fā)明人意識(shí)到提供天線失配的記錄對(duì)理解天線失配發(fā)生的條件是有用的(比如手持設(shè)備上用戶對(duì)天線的干擾等)。本發(fā)明人還意識(shí)到在利用已知的通過(guò)使用DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)整電源電壓的方法的情況下希望避免增加電路尺寸。在第一方面，本發(fā)明提供了一種功率放大器，包括多個(gè)功率晶體管，連接以提供分區(qū)功率晶體管；以及電壓感測(cè)模塊，被布置為數(shù)字地感測(cè)分區(qū)功率晶體管的漏極電壓，以及控制多個(gè)功率晶體管中導(dǎo)通或截止的功率晶體管的數(shù)目，從而控制漏極電壓。要被控制的漏極電壓可以由于天線失配而改變。
電壓感測(cè)模塊可以包括多個(gè)分壓器和反相器。功率放大器還可以包括存儲(chǔ)器，耦接至電壓感測(cè)模塊，以存儲(chǔ)漏極電壓的歷史。漏極電壓的歷史可以提供天線失配的歷史。多個(gè)功率晶體管中的功率晶體管的數(shù)目可以為12個(gè)。功率放大器可以為E類開(kāi)關(guān)功率放大器。在另一方面，本發(fā)明提供了一種操作功率放大器的方法，該方法包括數(shù)字地感測(cè)功率放大器的分區(qū)功率晶體管的漏極電壓，其中分區(qū)功率晶體管由多個(gè)并聯(lián)的功率晶體管來(lái)提供；以及依據(jù)感測(cè)的值，控制多個(gè)功率晶體管中導(dǎo)通或截止的功率晶體管的數(shù)目，從而控制漏極電壓。要被控制的漏極電壓可以根據(jù)天線失配而改變。數(shù)字地感測(cè)漏極電壓的步驟可以通過(guò)包括多個(gè)分壓器和反相器的感測(cè)模塊來(lái)執(zhí)行。該方法還可以包括在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)漏極電壓的歷史。漏極電壓的歷史可以提供天線失配的歷史。多個(gè)功率晶體管中的功率晶體管的數(shù)目可以為12個(gè)。功率放大器可以為E類開(kāi)關(guān)功率放大器。在本發(fā)明的方面中，可以執(zhí)行高電壓的數(shù)字感測(cè)來(lái)保護(hù)功率晶體管。在本發(fā)明的方面中，可以提供感測(cè)機(jī)制來(lái)使用電壓信息(數(shù)字信息)以保持對(duì)擊穿歷史的跟蹤。在本發(fā)明的方面中，提供一種數(shù)字方式的簡(jiǎn)單感測(cè)電壓機(jī)制，以及獲得的信息可以用于防止氧化層擊穿，也可以跟蹤天線失配信息。在本發(fā)明的方面中，提供一種方法來(lái)感測(cè)高電壓和防止因于天線失配的功率放大器擊穿。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的方面可以利用數(shù)字概念以允許在CMOS技術(shù)中實(shí)現(xiàn)，允許使用單片集成。在本發(fā)明的方面中，可以提供簡(jiǎn)單的檢測(cè)電路，允許能夠通過(guò)使用數(shù)字電路概念來(lái)防止因天線失配問(wèn)題的功率晶體管擊穿。使用數(shù)字電路概念允許保持天線失配的記錄。參考附圖，現(xiàn)在將以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的功率放大器的電路框圖；圖2是關(guān)于不同負(fù)載反射相角(VSWR = 10)圖1中功率放大器的仿真結(jié)果；圖3是功率放大器的電路框圖；圖如-c是示出了圖3功率放大器的電壓感測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)方式的更多細(xì)節(jié)的電路框圖；圖5示出了針對(duì)不同數(shù)目的導(dǎo)通功率晶體管漏極電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖；圖6示出了漏極效率(DE)和輸出功率(以mW為單位的P。ut)的變量對(duì)導(dǎo)通功率晶體管數(shù)目的曲線圖；圖7示出了針對(duì)天線失配場(chǎng)景下不同數(shù)目的導(dǎo)通功率晶體管漏極電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖；以及圖8是示出了操作圖3中功率放大器的方法的實(shí)施例的特定處理步驟的處理流程圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的功率放大器14的電路框圖。對(duì)應(yīng)于那些參考圖 1描述的元件由相同的附圖標(biāo)記示出。功率放大器14包括濾波模塊4和匹配網(wǎng)絡(luò)6。濾波模塊包括電感器Ltl和電容器Ctl。匹配網(wǎng)絡(luò)6包括電感器1^和電容器Cm。功率放大器14還包括N個(gè)功率晶體管16，這些功率晶體管并聯(lián)并且表示分區(qū)晶體管，例如圖1中示出的傳統(tǒng)功率放大器1的晶體管3。為了方便，在圖3中僅示出了 N個(gè)功率晶體管16中的第一功率晶體管18和第N個(gè)功率晶體管20。功率放大器14還包括電壓感測(cè)模塊22和存儲(chǔ)器24。電壓感測(cè)模塊22包括耦接至漏極電壓2的輸入。電壓感測(cè)模塊22還包括N個(gè)輸出，每個(gè)輸出均耦接至N個(gè)功率晶體管16之一的柵極上。電壓感測(cè)模塊22還包括耦接至存儲(chǔ)器M的附加輸出。存儲(chǔ)器對(duì)用于存儲(chǔ)失配歷史。同樣在圖3中示出了耦接的天線的可變阻抗X和可變電阻R，耦接天線的位置通過(guò)箭頭以附圖標(biāo)記8示出。在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器和反相器以數(shù)字方式來(lái)感測(cè)峰值電壓，感測(cè)的峰值電壓的信息用于保護(hù)功率晶體管和保持對(duì)高壓歷史的跟蹤。峰值漏極電壓2 通過(guò)電壓感測(cè)模塊22感測(cè)，以及根據(jù)峰值漏極電壓有多高，來(lái)截止所需數(shù)目的功率晶體管 16，從而保護(hù)功率放大器14。電壓感測(cè)模塊22可以任何合適的提供漏極電壓2的數(shù)字感測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)施例中，電壓感測(cè)模塊22使用分壓器和反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖如-c為示出了本實(shí)施例中電壓感測(cè)模塊22實(shí)現(xiàn)的更多細(xì)節(jié)的電路框圖。如圖如-c中每個(gè)所示，電壓感測(cè)模塊22包括多個(gè)串聯(lián)的電阻器以提供電阻式分壓器。每個(gè)分壓器耦接至作為反相器而布置的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。在圖如-c中，分別給出了三種失配情況(因此三個(gè)不同的漏極電壓)，一個(gè)在圖如中， 一個(gè)在圖4b中，一個(gè)在圖如中。在圖如-c中的每個(gè)中，示出了漏極電壓2的高峰值電壓 e。在圖如中，首先通過(guò)使用電阻分壓器將高峰值電壓m降低到低可靠電壓電平(IV)。 每個(gè)電壓電平均連接到驅(qū)動(dòng)器以獲得數(shù)字輸出(0，1)。用于反相器反相的閾值電平假設(shè)為 0. 5V。如圖如所示，盡管前三個(gè)反相器的輸出在0至1之間改變，但是第四個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出始終保持在邏輯1電平。在圖如-c描述的每種情況下，不同數(shù)目的反相器恒定的輸出邏輯1。在圖如中具有恒定輸出邏輯1的反相器的數(shù)目為一個(gè)。在圖4b中(其中高峰值電壓為1.5V)具有恒定輸出邏輯1的反相器的數(shù)目為兩個(gè)。在圖如中(其中高峰值電壓為 IV)具有恒定輸出邏輯1的反相器的數(shù)目為三個(gè)。這用于檢測(cè)峰值漏極電壓的電平(如上所述，在其它實(shí)施例中，也可使用其它電壓感測(cè)技術(shù)，比如，A/D轉(zhuǎn)換器，峰值檢測(cè)器等等)。 所產(chǎn)生的數(shù)字信息用于截止所需數(shù)目的晶體管。將高電壓電平記錄到存儲(chǔ)器24，以保持天線失配的記錄。對(duì)于CMOS 技術(shù)，已經(jīng)示出了(例如在 “Oxide Breakdown After RF Stress Experimental Analysis And Effects On Power Amplifier Operation，，,L. Larcher等人， IEEE IRPS，San Jose, 2006)在RF條件下(> 1GHz)的氧化層的擊穿時(shí)間要更長(zhǎng)于DC條件下。因此，通過(guò)實(shí)現(xiàn)在少數(shù)RF周期時(shí)間中降低高峰值電壓的能力，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了節(jié)省功率放大器的功率晶體管16的能力。特別地，本實(shí)施例傾向于提供少數(shù)RF周期中高峰值電壓的降低。本實(shí)施例通過(guò)將圖1中示出的傳統(tǒng)功率放大器1的功率晶體管3劃分為N個(gè)圖3中示出的較小功率晶體管16來(lái)利用擊穿保護(hù)。圖5示意性的示出了，通過(guò)截止特定數(shù)目的功率晶體管以及依據(jù)峰值漏極電壓2有多高，來(lái)降低峰值漏極電壓2。圖5示出了針對(duì)不同數(shù)目的導(dǎo)通功率晶體管漏極電壓與時(shí)間的曲線圖。曲線101示出了當(dāng)僅一個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線102示出了當(dāng)僅兩個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線103示出了當(dāng)僅三個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，以及曲線112示出了當(dāng)十二個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓。圖6示出了漏極效率(DE)和輸出功率(以mW為單位的P。ut)的變化對(duì)導(dǎo)通功率晶體管數(shù)目的曲線。由于功率晶體管截止，漏極效率和輸出功率均降低。例如在圖6中，考慮10個(gè)功率晶體管導(dǎo)通到3個(gè)功率晶體管導(dǎo)通的范圍，P。ut從1. SmW下降到0. 9mW，而效率從80%下降到了 60%。因此，在僅以相對(duì)較小的漏極效率劣化為代價(jià)，將功率晶體管劃分為N個(gè)較小可導(dǎo)通/截止的晶體管對(duì)于控制峰值漏極電壓和輸出功率是有用的。考慮到本實(shí)施例中多個(gè)功率晶體管總共為12個(gè)晶體管，以及與圖2中曲線10所示的峰值電壓相對(duì)應(yīng)的天線失配，通過(guò)僅導(dǎo)通三個(gè)功率晶體管(即9個(gè)截止)，高峰值漏極電壓就減少到大約 IV。這在圖7中示出，圖7示出了對(duì)于該天線失配情況下不同數(shù)目導(dǎo)通功率晶體管的漏極電壓對(duì)時(shí)間的曲線。曲線201示出了當(dāng)僅一個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線202示出了當(dāng)僅兩個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線203示出了當(dāng)僅三個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線204示出了當(dāng)僅三個(gè)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓，曲線212示出了十二個(gè)功率晶體管均導(dǎo)通時(shí)的漏極電壓。圖8示出了操作上述功率放大器的方法的實(shí)施例的特定處理步驟的處理流程圖。在步驟S2，電壓感測(cè)模塊22數(shù)字地感測(cè)漏極電壓2，如上所述，使用上述電阻分壓器和反相器。在步驟S4，感測(cè)的漏極電壓值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器M中，經(jīng)過(guò)一定段時(shí)間，感測(cè)的漏極電壓值提供存儲(chǔ)的漏極電壓歷史，當(dāng)漏極電壓的變化是由于天線失配時(shí)，該歷史為天線失配歷史。在步驟S6，依據(jù)感測(cè)的漏極電壓值控制導(dǎo)通或截止的晶體管的數(shù)目，從而中反饋過(guò)程中的漏極電壓。在以上實(shí)施例中，數(shù)字感測(cè)的漏極電壓值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器M中。這提供了對(duì)數(shù)字感測(cè)的值的特別有利的使用，例如，在對(duì)天線阻抗變化的外部影響(比如手持設(shè)備天線上的人為因素等)的實(shí)驗(yàn)上是有用的。然而，在其它實(shí)施例中的存儲(chǔ)步驟以及存儲(chǔ)器自身是可省略的，同時(shí)仍然保留使用數(shù)字感測(cè)值的其它優(yōu)點(diǎn)，比如方便直接對(duì)應(yīng)到需導(dǎo)通或截止的晶體管的數(shù)目。本發(fā)明可以應(yīng)用在任何功率放大器中，以及尤其適用于E類開(kāi)關(guān)功率放大器。本發(fā)明尤其有利于應(yīng)用到以下應(yīng)用中天線阻抗根據(jù)不期望的外部影響(比如無(wú)線通信的手持設(shè)備)而改變，即響應(yīng)于由天線失配而引起的不期望漏極電壓電平，來(lái)控制功率放大器的漏極電壓。然而，這不要求是這種情況，以及本發(fā)明也可以應(yīng)用于在漏極電壓由于天線失配以外的其他原因而不期望地改變時(shí)控制功率放大器的漏極電壓。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器，包括-多個(gè)功率晶體管，連接以提供分區(qū)功率晶體管；以及-電壓感測(cè)模塊，被布置為數(shù)字地感測(cè)分區(qū)功率晶體管的漏極電壓，并且控制多個(gè)功率晶體管中導(dǎo)通或截止的功率晶體管的數(shù)目，從而控制漏極電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中，要被控制的漏極電壓由于天線失配而改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率放大器，其中，電壓感測(cè)模塊包括多個(gè)分壓器和反相
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的功率放大器，其中，功率放大器還包括存儲(chǔ)器，耦接至電壓感測(cè)模塊，以存儲(chǔ)漏極電壓的歷史。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率放大器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求2時(shí)，其中，漏極電壓的歷史提供天線失配的歷史。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的功率放大器，其中，多個(gè)功率晶體管中功率晶體管的數(shù)目是12個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的功率放大器，其中，功率放大器是E類開(kāi)關(guān)功率放大
8.一種操作功率放大器的方法，所述方法包括-數(shù)字地感測(cè)功率放大器的分區(qū)功率晶體管的漏極電壓，其中，分區(qū)功率晶體管由多個(gè)并聯(lián)的功率晶體管來(lái)提供，并且依據(jù)感測(cè)到的值，來(lái)控制多個(gè)功率晶體管中導(dǎo)通或截止的功率晶體管的數(shù)目，從而控制漏極電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，要被控制的漏極電壓由于天線失配而改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，數(shù)字地感測(cè)漏極電壓的步驟通過(guò)包括多個(gè)分壓器和反相器的感測(cè)模塊來(lái)執(zhí)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10之一所述的方法，還包括在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)漏極電壓的歷史。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求9時(shí)，其中，漏極電壓的歷史提供天線失配的歷史。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12之一所述的方法，其中，多個(gè)功率晶體管中功率晶體管的數(shù)目是12個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13之一所述的方法，其中，功率放大器是E類開(kāi)關(guān)功率放大器。
全文摘要
一種功率放大器，例如E類功率放大器，以及對(duì)應(yīng)的方法，包括多個(gè)功率晶體管(16)，例如12個(gè)功率晶體管，提供分區(qū)功率晶體管；以及電壓感測(cè)模塊(22)，包括，例如分壓器和反相器，數(shù)字地感測(cè)分區(qū)功率晶體管的漏極電壓(2)來(lái)控制多個(gè)功率晶體管(16)中導(dǎo)通或截止的功率晶體管數(shù)目，從而控制由于天線失配而改變的漏極電壓(2)。功率放大器可以進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器(24)，耦接至電壓感測(cè)模塊(22)，用于存儲(chǔ)漏極電壓(2)的歷史，比如天線失配的歷史。
文檔編號(hào)H03F1/02GK102265509SQ200980152984
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者慕斯塔法·阿卡, 梅麗娜·阿波斯托李杜, 馬克·皮特·范德海登 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司