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TWI462473B - 可變種類特性放大器 - Google Patents

可變種類特性放大器 Download PDF

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TWI462473B
TWI462473B TW100100282A TW100100282A TWI462473B TW I462473 B TWI462473 B TW I462473B TW 100100282 A TW100100282 A TW 100100282A TW 100100282 A TW100100282 A TW 100100282A TW I462473 B TWI462473 B TW I462473B
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power amplifier
signal
module
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transformer
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TW100100282A
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Inventor
Christopher Michael Owen
Yogendra K Chawla
Original Assignee
Mks Instr Inc
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Publication date
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Description

可變種類特性放大器 [相關申請案之對照參考資料]
本申請案主張2010年4月2日所提出美國專利臨時申請案第61/320,541號之益處。在此以提及方式併入上述申請案之整個揭露。
本揭露係有關於功率放大器及具有一類以上放大器之特性的功率放大器。
此段落提供沒有必定是習知技藝的關於本揭露之背景資訊。
各種工業使用射頻(RF)來驅動電漿室，以便製造像積體電路、太陽能板、壓縮光碟(CDs)、多樣化數位光碟(數位視訊光碟)(DVDs)等之各種組件。每一製造程序會依所製造之特定組件而有所不同。該等各種程序常常需要以變動的頻率、功率位準及效率來傳遞RF能量。
傾向於修改本RF功率傳遞系統，以符合特定電漿製造程序之需求。RF功率放大器及產生器通常是不可交換的且不易修改來適應各種應用。更確切地說，每一個應用通常具有它自己的需求，因而一般必需改變該RF功率放大器及/或該RF功率產生器。
在一實例中，某些電漿製造程序需要一以AB類功率放大器之模式特性來操作的功率放大器。在B類操作之操作特性的模式中，藉由一第一開關放大幾乎一半的輸入波週期，以及以一互補方式藉由一第二開關放大該輸入波週期之另一半。通常藉由每一裝置在處於截止(off)時之該週期的部分期間實施小量工作來進一步舉例說明AB類操作。此減少兩個裝置實質上同時處於截止(off)時之死區域或期間，以最小化或去除交越(crossover)。AB類放大器通常以效率來換取線性及較大功率輸出。在傳統功率放中，AB類效率被限制至約70%。
其它製造程序需求一以E類功率放大器之模式特性來操作的功率放大器。通常使用一開關功率放大器來實施E類操作。已知以一相反於AB類放大器之推挽組態(push-pull configuration)的單端組態(single ended configuration)來配置E類放大器。例如，使一開關裝置之輸出連接至一具有串聯之電感器及電容器之電路(一串聯LC電路)，其中該電路連接至負載及經由一大電感連接至一供應電壓。在操作中，當高電流正流經開關元件，橫跨開關之電壓為零或接近零時，發生E類放大器之導通狀態(on state)。當橫跨開關之電壓為高電壓及流經開關之電流為零或接近零時，發生E類放大器之截止狀態(off state)。亦即，該開關在該RF週期之導通部分期間充當一低電阻關閉開關，以及在該RF週期之截止部分期間充當一打開開關。E類放大器通常以功率輸出換取效率及其它益處。E類效率通常是至少85%及可能高達95%之程度。典型E類放大器通常較不穩定而成為高電壓駐波比(VSWR)負載不匹配。
返回至該RF電漿製造程序，製造者可能需要一AB類特性功率放大器，以提供RF功率給用於某些應用之電漿程序。在其它應用中，相同製造者可能需要一E類特性功率放大器，以提供RF功率給不同的電漿程序。該製造者寧願由單一裝置完成AB類或E類特性操作，以便達成彈性及最小化成本。製造者尚未能符合此顧客需求。
傳統功率放大器包括一網路，其中該網路在連接至一負載前之輸出上包括一電容器及一電感器。這些的網路亦可以包括一附加電容器及可以稱為一CLC網路。功率放大器設計者通常已使用該等CLC網路來塑造或調整被施加至該負載前之輸出信號。該等CLC網路亦可以拒絕瞬變脈波(transients)及從該負載所反射回來之頻帶外能量(out of band energy)。然而，這樣的CLC網路之使用已被限制至這些應用，以及尚未考量該CLC網路之其它應用。
此段落提供該揭露之一般概述，以及不是它的整個範圍或所有它的特徵之全面揭露。
一種功率放大器包括一開關模組，其接收一輸入信號及依據該輸入信號產生一開關模組信號。一輸出模組接收該開關模組信號及產生一輸出信號。該功率放大器以複數個功率放大器種類之複數個模式特性操作，以及改變該輸出模組之組態，以針對該輸入信號實現在該等模式間之操作。
一種功率放大器包括一開關模組，其接收一輸入信號及依據該輸入信號產生一開關模組信號。一輸出模組接收該開關模組信號及產生一輸出信號。該輸出模組包括至少一電容器及一電感器。該功率放大器以複數個功率放大器種類之複數個模式特性操作。改變該電容器之數值，以針對該輸入信號實現在該等模式間之操作。
一種功率放大器包括一第一開關模組，其回應一輸入信號，以依據該輸入信號產生一第一開關模組信號。一第二開關模組與該第一開關模組配置成一推挽組態(push-pull configuration)。該第二開關模組回應該輸入信號，以依據該輸入信號產生一第二開關模組信號。該第一及第二開關模組信號協同產生一混合開關模組信號。一輸出模組接收該混合開關模組信號及產生一輸出信號。該功率放大器以複數個功率放大器種類之複數個模式特性操作，以及改變該輸出模組之組態，以針對該輸入信號實現在該等模式間之操作。
一種功率放大器包括一第一開關模組，該第一開關模組回應一輸入信號及依據該輸入信號產生一第一開關模組信號。一第二開關模組與該第一開關模組配置成一推挽組態。該第二開關模組回應該輸入信號，以依據該輸入信號產生一第二開關模組信號。該第一及第二開關模組信號協同產生一混合開關模組信號。一輸出模組接收該混合開關模組信號及產生一輸出信號。該輸出模組包括一第一電容元件及一電感元件。該功率放大器以複數個功率放大器種類之複數個模式特性操作，以及改變該電容元件之數值，以實現在該等模式間之操作。
一種功率放大器包括一第一開關裝置，其回應一輸入信號，以產生一第一開關裝置信號。一第二開關裝置與該第一開關裝置配置成一推挽組態。該第二開關裝置回應該輸入信號，以產生一第二開關裝置信號，該第一及第二開關裝置信號協同產生一混合開關裝置信號。一輸出模組接收該混合開關裝置信號及產生一輸出信號。該輸出模組包括一第一電容器及一電感器。該功率放大器以AB類或E類功率放大器之複數個模式特性操作。改變該電容器之數值，以實現在該等模式間之操作。
從在此所提供之敘述將使可應用性之另外領域變得明顯易知。在此概述中之敘述及特定實例只是意欲做為說明用，而不是意欲用以限制本揭露之範圍。
現在將參考所附圖式來更完整描述示範性具體例。
提供示範性具體例，以致於此揭露將是完善的且將範圍完全傳達給熟習該項技藝者。描述像特定組件、裝置及方法之實例的許多特定細節，以提供對本揭露之具體例的完整了解。熟習該項技藝者將明顯易知，不需使用特定細節、可以以這多不同形式來具體化示範性具體例及兩者皆不應該被解讀成用以限制該揭露之範圍。在某些示範性具體例中，不詳細描述熟知程序、熟知裝置結構及熟知技術。
在此所使用之術語係只是為了用以描述特定示範性具體例，而不是意欲做為限定用。如在此所使用，單數形式「一(a,an)」及「該(the)」亦可能意欲包括複數形式，除非上下文有其它不同清楚表示。術語「包括(comprises,comprising,including)」及「具有(having)」係包含性及因此具體指定所陳述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，而不排除一或多個其它特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其組群之存在或附加。在此所述之方法步驟、程序及操作將不被解讀為要求它們必須以所論述及描述之特定順序來實施，除非被特別視為實施之順序。亦將了解到，可以使用額外或替代步驟。
當提及一元件或層是在另一元件或層「上」、「接合至」另一元件或層、「連接至」另一元件或層或者「耦接至」另一元件或層時，它可能直接在另一元件或層上、直接連接至另一元件或層或直接耦接至另一元件或層，或者可能存在介於其間之元件或層。相反地，當提及一元件是「直接」在另一元件或層「上」、「直接接合至」另一元件或層、「直接連接至」另一元件或層或者「直接耦接至」另一元件或層時，可以不存在介於其間之元件或層。其它用以描述元件間之關係的文字應該以相似方式來解釋(例如，「在...之間」對「直接在...之間」、「相鄰」對「直接相鄰」等等)。如在此所使用，術語「及/或」包括相關所列項目之一或多個項目的任何及所有組合。
雖然在此可以使用第一、第二、第三等術語，以描述各種元件、組件、區域、層及/或區段，但是這些元件、組件、區域、層及/或區段不應該被這些術語所限制。這些術語只是用以區分一元件、組件、區域、層或區段與另一區域、層或區段。在此所使用之像「第一」、「第二」的術語或其它數字術語不是表示順序或次序，除非上下文有其它清楚表示。因此，下面所論述之一第一元件、組件、區域、層或區段可稱為一第二元件、組件、區域、層或區段而不脫離該等示範性具體例之教示。
為了容易描述如圖所述之一元件或特徵相對於另一元件或特徵之關係，在此使用像「內部」、「外部」、「在...之下面」、「在...之下」、「下面的」、「在...之上」、「上面的」等之空間相對術語。除了圖式中所述之方位外，空間相對術語可能還意欲包含該裝置在使用或操作中之不同方位。例如，如果翻轉圖式中之裝置，則將被描述成「在」其它元件或特徵之「下」或「下面」的元件定位成「在」其它元件或特徵之「上」。因此，示範術語「在...之下」可能包含在...之上及在...之下的方位。可以以不同方式定位該裝置(旋轉90度或至其它方位)及因而解釋在此所使用之空間相對描述符號。
在此將參考圖式及依據各種具體例，描述可變種類特性放大器。圖1描述一可變種類特性放大器10之方塊圖。將一輸入信號施加至一輸入模組12。該輸入信號可以是一些振盪信號中之任何一者，該等振盪信號包括一在射頻(RF)帶中操作之信號。輸入模組12接收該輸入信號及傳遞該輸入信號至一對開關模組14a、14b。輸入模組12在輸入模組12之輸入與開關模組14a及14b間提供阻抗轉換。
開關模組14a、14b接收來自輸入模組12所輸出之信號及產生要被施加至組合器模組16之放大信號。組合器模組16組合從個別開關模組14a、14b所輸出之放大信號及產生一信號至輸出模組18。依據其它各種具體例，結合器模組16在開關模組14a、14b與輸出模組18間亦提供阻抗轉換。
輸出模組18從組合器模組16接收該信號，以及依據各種具體例，可提供濾波及/或調節，以從輸出模組18產生一輸出信號。該輸出信號被施加至一負載20，以驅動負載20。在各種具體例中，負載20可以是以一RF信號驅動之一些元件或裝置中之任何一者，其在一非限定用範例中包括一電漿室。
圖2描述構成圖1之模組的各種元件的電路。該輸入信號被施加至輸入模組12，該輸入模組12包括一電感器L1、電容器C1及變壓器T1。電感器L1及電容器C1協同提供一LC電路，其中該LC電路提供阻抗轉換，以匹配一預定輸入阻抗(諸如50歐姆)。變壓器T1在一次繞組接收該輸入信號及將該輸入信號橫越一鐵芯(core)變換至T1之二次繞組。在各種具體例中，變壓器T1係一具有一浮接中心分接頭之單端至平衡變壓器(single ended to balanced transformer)。T1之二次繞組連接至個別開關模組14a、14b。開關模組14a包括一阻隔電容器Ca及一開關元件Q1。同樣地，開關模組14b包括一阻隔電容器Cb及一開關元件Q2。在各種具體例中，可將開關元件Q1及Q2具體化成為一些不同電晶體開關元件中之任何一者，其包括MOSFET裝置。由一電容器C2連接開關元件Q1及Q2之輸出端或汲極。在各種具體例中，可以藉由每一個別開關元件Q1及Q2之汲極-源極輸出電容提供橫跨開關Q1及Q2之電容器C2。在各種其它具體例中，可以以一外部電容器來實施C2。
每一開關元件Q1、Q2之輸出連接至輸出變壓器T2之一次繞組的相對端。組合器模組16包括電感器L3、L4、電壓源Vdd、電容器C3、電感器L2、電阻器R1及變壓器T2。Vdd以與並接之電阻器R1及電感器L2串聯方式來連接至該變壓器T2之一次繞組的中心分接頭。因此，藉由該輸出變壓器T2之一次繞組的中心接腳以大比例提供電源供應饋送RF軛流圈(power supply feed RF choke)且提供該電源供應饋送RF軛流圈給每一個別開關元件Q1、Q2。電容器C3提供該輸入電壓Vdd之濾波。可以以外部電感器實施或者可以以變壓器T2之漏電感提供依據各種具體例之電感器L3及L4。電阻器R1可補償高電壓駐波比(VSWR)瞬變脈波(transient)或頻帶外能量損耗(out of band energy)。
如以上所述，可以以該輸出變壓器T2之漏電感來提供該等電感器L3、L4。輸出變壓器T2可以是一具有用以提供必要的阻抗轉變及漏電感之匝數比的平衡輸出變壓器。在各種具體例中，以該變壓器T2之二次繞組連接至一50Ω負載，變壓器T2將該50Ω阻抗變換至一在一次繞組上之被選阻抗，該被選阻抗係在開關元件Q1、Q2之輸出端間所看到之負載阻抗。從例如開關元件Q1、Q2之輸出端至一次繞組輸入的印刷電路板銅膜走線(tracks)之每一者依據銅膜走線長度及寬度而增加另一電感。
以一推挽組態(push-pull configuration)配置橫跨組合器模組16之開關模組14a、14b。更特別地，開關元件Q1、Q2之輸出端經由電感器L3、L4連接至變壓器T2之一次繞組的末端。此組態提供一橫跨變壓器T2之推挽配置且由變壓器T2之一次繞組的中心接腳提供用於開關元件Q1、Q2之每一個別輸出端的電壓源Vdd。因此，電壓源Vdd經由供應饋送RF軛流圈L2提供一供應電壓至開關元件Q1、Q2之輸出端。
變壓器T2之二次繞組具有一連接至接地之第一端及一連接至輸出模組18之第二端。輸出模組18包括以一CLC網路所配置之電容器C5、C7及一電感器L6。輸出模組18產生一輸出信號至負載20，該負載20在圖2中係顯示為一電漿室。然而，熟習該項技藝者將認知該負載20可以不同於電漿室及可以是回應一振盪功率信號輸入(諸如RF信號輸入)之任何負載。可以以一包括在變壓器T2之二次繞組與電漿室間所連接之串聯輸出電容的等效電路來具體化輸出模組18之CLC電路。
在各種具體例中，從該輸出CLC網路之串聯電容電抗將一串聯輸出電容變換至變壓器T2之一次繞組。在各種具體例中省略在該一次側之串聯輸出電容係有用的，因為不需要DC解耦且峰值電流在該二次側上係較低的。同樣地，由輸出模組18之輸出CLC網路的實部提供一電阻，然後亦藉由變壓比變換該電阻。在各種具體例中，該輸出網路Q=2係低的及提供較寬頻寬及較大穩定性。
依據各種具體例，可以一第一組態之AB類的模式特性、一第二組態之E類的模式特性及在AB類與E類特性中間之模式來操作圖1及2之系統。對於一既定輸入信號，可在一第一組態之AB類的模式特性與一第二組態之E類的模式特性間調整該電路。以非限定範例來說明，藉由改變電容器C5及C7之數值，可針對一既定輸入信號達成在AB類與E類特性間之操作。在各種具體例中，在該輸出CLC網路中之C7及C5之調整允許該可變種類特性功率放大器10之操作在操作之AB類與E類特性間之連續範圍內變動。在各種具體例中，藉由增加電容器C7之數值，可朝E類特性及遠離AB類特性來調整操作。同樣地，藉由減少C7之電容，可從E類特性操作朝AB類特性操作來改變該可變種類放大器10之操作。亦可改變電容器C5之數值，以便能在E類與AB類特性間操作。該等各種具體例因而提供一種具有以一推挽組態操作之E類特性的功率放大器。該等各種具體例亦揭露一種可在AB類操作特性與E類操作特性間調整之放大器。
關於從E類及AB類特性操作之調整，各種具體例可以使用下面程序。C7之數值可以增加約15%。此增加在變壓器二次繞組(及一次繞組)之阻抗的實部有15%，因而減少該等效網路之串聯LC共振的Q值。C7之改變亦具有減少該串聯LC共振之中心頻率的效果，因而使該共振頻率回到中心位置。然後，減少C5之數值有約6%。要從AB類操作特性調整至E類操作特性，則反向實施。在從一AB類操作特性變換至一E類操作特性之各種其它具體例中，如圖7所見，可以減少該輸出阻抗之實部有約33%及可減少該輸出阻抗之虛部有約50%。
在各種具體例中，電晶體傳導角實質上不改變，但是汲極電壓在0V或接近0V處花費之時間量確實改變了。在AB類特性操作中，汲極電壓在全輸出功率時在0V或接近0V處花費少許時間。在E類特性操作中，汲極電壓在0V或接近0V處度過向下週期之延長部分。當電晶體正以一低汲極電壓導電時，電晶體損耗係較低的，且功率放大器效率係較高的。並且，在AB類特性操作中，常常以一具有如所示之常用相關傳導角的直流(DC)加偏壓於該等開關元件Q1、Q2。因此，該可變種類特性放大器10能在各種放大器種類之模式特性(諸如E類與AB類操作特性)間做調整。
圖3A至3C係針對依據各種具體例所配置之一60MHz可變種類特性功率放大器的一示範性具體例顯示在開關模組14a、14b之輸出端(Q1、Q2之汲極)上的電壓及電流波形之示範圖。圖3A至3C說明個別E類、中間及AB類操作特性模式之輸出端電壓及輸出端電流間之示範關係。波形24vE及24iE表示對於E類操作特性之推挽組態的一第一電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。波形26vE及26iE表示對於E類操作特性之推挽組態的一第二電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。同樣地，波形24vI及24iI表示對於在E類與AB類操作特性之中間的操作之推挽組態的一第一電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。波形26vI及26iI表示對於在E類與AB類操作特性之中間的操作之推挽組態的一第二電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。同樣地，波形24vAB及24iAB表示對於AB類操作特性之推挽組態的一第一電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。波形26vAB及26iAB表示對於AB類操作特性之推挽組態的一第二電晶體的汲極上之個別電壓及電流波形。
如藉由比較圖3A與3C可看到，波形24vE及26vE具有比波形24vAB及26vAB高之峰值。亦可看到，波形24iE及26iE在0電流處保留比波形24iAB及26iAB長之期間。圖3A之E類的波形表示相較於圖3C之AB類的波形增加約10%的效率。
在各種具體例中，輸出模組18之輸出CLC網路亦提供濾除功率放大器瞬變脈波(transient)或頻帶外能量(out of band energy)之附加益處。例如，在各種具體例中，將被選瞬變脈波或頻帶外能量從28dB減少至55dB，以及將其它瞬變脈波或頻帶外能量從33dB減少至58dB。輸出模組18之輸出CLC網路亦藉由增加損失使該等開關模組14a、14b脫離負載不匹配及使由一非線性負載所產生之返回瞬變脈波或頻帶外能量衰減。該瞬變脈波及頻帶外能量在高電壓駐波比(VSWR)期間快速地增加。電阻器R1因而允許消除該反射功率之一部分。
圖4顯示依據各種具體例所配置之一可變種類特性放大器10的一示範第一開關元件Q1之輸出端(汲極)的電壓波形30及一示範第二開關元件Q2之輸出端(汲極)的電壓波形32。圖4之波形對應於一E類特性模式之操作，其對於約600瓦之輸出功率及16dB之RF增益顯示約78%之效率。如圖4所見，在零伏特附近之波形形狀表示該輸出變壓器T2在該等個別開關元件之汲極間具有有限隔離(finite isolation)。此有限隔離本身顯示看到信號貫穿(signal breakthrough)之時間接近另一開關元件靠近它的峰值之時間。圖4亦描述波形34，其表示被施加至一50歐姆負載之輸出變壓器T2電壓。
圖5描述在朝AB類特性移動一可變種類特性波形之操作時之一示範波形，其中該示範波形顯示一示範開關元件Q1或Q2之輸出端(汲極)電壓38。波形38表明AB類區域在約450瓦輸出功率時結束。AB類特性因而從約零瓦延伸至約450瓦及在約450瓦處達到最大效率。效率在較高功率時係較高的，以及當可變種類功率放大器10進入E類特性操作時，效率仍然是較高的。最高效率係發生在使該放大器在相依於電源電壓之它的P3dB壓縮點處飽和的時候。
在各種具體例中，輸出變壓器T2(其可以以一平衡-不平衡變壓器來實施)將輸出模組18之CLC輸出網路阻抗變換至一較低實數及虛數阻抗。因此，該CLC網路提供在開關元件Q1、Q2之輸出上調整該等實數及虛數部分之能力。以非限定實例來說明，輸出模組18組件之不同數值能調整在AB類及E類操作特性間之中間位置。在各種具體例中，輸出模組18之CLC網路變換在輸出變壓器T2二次繞組之串聯的50Ω至49Ω-j68Ω(39pF)，其被變換成為在開關元件Q1、Q2之推挽輸出端間的5.2Ω+j3.1Ω(7.9nH)。此包括變壓器漏電感。在各種具體例中之測量增益在600W輸出及78%效率下係約16.1dB。
參考圖6，圖6描述一史密斯阻抗圖解(Smith Chart)，其在各種具體例中表示輸出模組18之調整的影響。特別地，可改變輸出模組18之電容器C5、C7及電感器L6，以便在AB類操作特性與E類操作特性間實現可變種類特性功率放大器10之操作。如圖6所見，輸出模組18之電容器C7的數值界定一在點42上結束之弧形40。電容器C7之數值在某一範圍的改變界定一組對應於沿著該弧形40之C7的特定數值之點46。同樣地，輸出模組18之電感器L6的數值之選擇沿著一弧形50決定一點48，其中該弧形50開始於點42及結束於點48。一組點52針對電感器L6之一既定數值對應於電容器C7之不同數值。輸出模組18之電容器C5的數值之選擇從終點48開始沿著弧形56通向終點54。點54決定該輸出CLC網路與該輸出負載組合之阻抗。圖6有益地表示電容器C5及C7之改變提供實數與虛數軸之兩個自由度。再者，圖6表示在各種具體例中，主要調整C7及較少調整電容C5，以便在AB類特性與E類特性間改變功率放大器10之操作。
圖7描述該可變種類特性放大器10之一特定調整配置的史密斯阻抗圖解。資料點60表示依據各種具體例之E類操作特性的特定調整之CLC阻抗。資料點62表示依據各種具體例之AB類操作特性的特定調整之CLC阻抗。資料點64表示依據各種具體例之在E類及AB類中間之操作的特定調整之CLC阻抗。
圖8描述依據各種具體例之一可變種類特性放大器70。在此將可變種類放大器描述為一單端放大器。依據各種具體例，可變種類放大器70接收一被施加至輸入模組72之輸入信號，該輸入模組72提供輸入模組72之輸入與開關模組74間之阻抗轉換。將輸入模組72之輸出施加至開關模組74，開關模組74回應該輸入信號，以提供一開關信號至輸出模組76。輸出模組76轉而產生一被施加至一負載78之輸出信號。
圖9描述一對應於圖8之至少部分的電路。輸入模組72接收一輸入信號。輸入模組72包括一具有電容器C10、C11及電感器L14之CLC電路。將CLC電路之輸出(CLC電路構成輸入模組72之一部分)經由一DC阻隔電容器C12施加至開關元件Q10之閘極。開關元件Q10在圖9中顯示為一MOSFET，但是熟習該項技藝者將認知到，可使用不同於MOSFET之其它開關元件。以Vgate及電阻器R10所構成之電壓源施加偏壓至開關元件Q10之閘極。
將可變種類特性放大器70配置成為一單端放大器。於是，開關元件Q10之汲極經由與電感器L12串聯之電感器L11連接至一電壓源Vdd。開關元件Q10之輸出係輸入至輸出模組76，輸出模組76包括一包含電容器C13、電感器L12及電容器C14之CLC輸出電路。將輸出模組76之輸出施加至負載78，其在圖9中顯示成為電阻器RL 。
在操作中，圖8及9之可變種類特性原理係相似於圖1及2之可變種類特性原理，但是可變種類特性放大器70係配置成一單端放大器而不是以推挽組態所配置之一對開關元件。藉由改變輸出模組76之電容器C14及電阻器RL 之數值，可在AB類與E類操作特性間改變可變種類特性放大器70之操作。再者，在操作中，依據各種具體例，要從AB類特性移至E類特性，增加電容器C14之數值及減少RL 之數值，此使該可變種類特性放大器70能針對一既定輸入信號改變。
圖10A至10C係顯示依據各種具體例所配置之一60MHz單端可變種類特性功率放大器的一示範性具體例在該輸出端(Q10之汲極)上之電壓及電流波形的示範圖。圖10A至10C顯示個別E類、中間及AB類特性操作模式之輸出端汲極電壓80v及輸出端汲極電流80i間的示範關係。波形80vE及80iE表示在E類操作特性之單端組態中的一電晶體之汲極上之個別電壓及電流波形。同樣地，波形80vI及80iI表示在E類及AB類操作特性之中間的操作之單端組態中的一電晶體之汲極上之個別電壓及電流波形。同樣地，波形80vAB及80iAB表示在AB類操作特性之單端組態中的一電晶體之汲極上之個別電壓及電流波形。
如藉由比較圖10A與10C可看到，波形80vE具有比波形80vAB高之峰值。亦可看到，波形80iE保持在0電流的期間比波形80iAB及26iAB長。相較於圖10C之AB類的波形，圖10A之E類的波形增加約10%效率。
在此所述之可變種類特性放大器的各種具體例將瞬變脈波及頻帶外能量傾卸至該電源供應饋送電阻器R1中，其在高輸出功率及高VSWR負載之條件期間協助改善電晶體可靠性及電路穩定性。在各種具體例中，藉由不連接輸入變壓器T1(它可能是一平衡-不平衡變壓器)之中心分接頭至接地，增加朝向所有相位之無限VSWR負載的穩定電路操作。藉由讓該連接浮接，從開關模組14a、14b之輸入側移除調諧共振(tuned resonances)，否則當從一不匹配負載將高RF功率反射返回該等電晶體汲極時，該等調諧共振會干擾電路操作。在各種具體例中，該反射RF因Cgd電容及總功率放大器S-參數S12特性而到達電晶體閘極。
在各種具體例中，在高輸出功率期間及具有一高VSWR負載時，瞬變脈波及頻帶外能量會出現在該輸出變壓器T2 之中心分接頭，而基諧波(fundamental)則不會。在各種具體例中，以非限定實例來說明，一5至10Ω間之R1電阻器值將有效地傾卸來自該高VSWR負載之一些反射功率，因而有助於隔離及防止該等推挽電晶體有過高電壓及電流。此改善電路穩定性及有助於防止雜波輸出(spurious outputs)。
在各種具體例中，調整該等輸出模組18、76組件，以產生具有有用效率及負載拉位(load pull)穩定性態樣之期望種類特性操作。通常，在匹配阻抗狀態中開關模組14a、14b、74之傳導角越高及開關模組14a、14b、74之輸出越長，則穩定性裕度越大，因而在高VSWR負載期間之雜波輸出的可能性越低。
各種具體例提供可轉變成較低運轉成本及較佳可靠性之較高效率。再者，在AB類與E類特性間之彈性調整提供更敏感的功率控制。當在E類特性模式中操作時，該等各種具體例在降低該系統輸出功率控制之響應度(此在某些應用中可能是不受期望的)的動態功率範圍之頂端具有較寬鬆限制。再者，各種具體例因具有較少組件之簡約設計而提供一較低成本設計。該較不複雜可變種類特性功率放大器10、70提供縮小的尺寸，其導致改善功率密度。各種具體例亦藉由減小開關模組14a、14b、74電晶體應力及較少的組件來提供較佳可靠性。
各種具體例亦改善穩定性成為開放纜線負載(open cable loads)(無限VSWR)，只產生非常低位準之雜波輸出。以實例來說明，將瞬變脈波及頻帶外能量吸收於一10歐姆負載及一浮接輸入變壓器中。各種具體例亦因輸出模組18、76調整之低通特性而實質限制這樣的瞬變脈波及頻帶外能量。在一相似於隔離器(isolator)之方式中，使高反射功率消失於一電阻負載中。因為使基頻在該變壓器T2中心分接頭衰減，所以在正常操作期間對效率的影響係最小的。
在各種具體例中，當針對AB類特性操作調整時，為了最大功率轉移及增益而最佳化開關模組14a、14b之輸出間所呈現之負載線(load line)。結果之波形約是該電源電壓Vdd之兩倍，因為它在AB類特性操作下是受期望的。在各種具體例中，當針對E類特性操作調整時，將該電阻負載調整至一較低阻抗，以及因而，該串聯共振器之Q值係較高的。此具有較高Q值之不匹配負載線導致一較高峰對峰輸出電壓，其意味著該等開關元件Q1、Q2、Q10正在導通，而該輸出電壓接近0V。此導致改良的效率，但是是在稍微較低增益及輸出功率下。
在各種具體例中，輸出變壓器T2具有下面作用：將在它的二次輸出上之以非限定實例說明的49歐姆及39pF之串聯電阻及電容(由輸出模組18之CLC及50歐姆負載20所產生)變換至在該兩個電晶體汲極間之它的一次輸入上的5.2歐姆及7.9nH之串聯阻抗。藉由調整此串聯阻抗，可在一AB類共軛匹配與一E類輸出共振器間做調整。
在各種具體例中，開關模組14a、14b之輸出波形在形式上相似於AB類放大器，直到飽和前該動態範圍之最後端部為止其中它則進入E類放大器之區域特性。依需求而定，為了最大輸出功率及負載拉位穩定性使E類操作特性區域的該等輸出模組18、76朝AB類操作特性更多調整，或者為了峰效率(peak efficiency)朝E類更多調整。
各種具體例提供一推挽功率放大器拓撲電路設計及輸出網路調整，其允許使用相同印刷電路板設計在AB類與E類操作特性間之連續範圍內調整或調節該等可變種類特性功率放大器10、70。在各種具體例中，此允許該等可變種類特性功率放大器10、70被調節至最大效率，其亦滿足朝向所有相位之無限VSWR的穩定操作。在各種具體例中，由該變壓器T2漏磁提供一串聯電感及由一CLC阻抗轉換網路提供一被移至該變壓器二次側的串聯電容。可以在任何RF功率放大器或RF產生器之輸出級上使用該等各種具體例。可針對從低MHz至GHz之任何頻率帶來合成等效輸出網路設計。
功率放大器10、70以一較低輸出功率操作，但是仍然具有較佳效率。在各種具體例中，可以個別或經由模組18與該匹配網路之組合實現該功率放大器之輸出調節。在各種具體例中，該電路設計藉由提供一用於瞬變脈波及頻帶外能量之耗散負載從該等開關模組14a、14b輸出限制無限VSWR負載，因而對一無法在低RF頻率下實施之RF隔離器提供一部分替代。其它各種具體例為了E類特性操作提供具有一串聯電容匹配之阻抗轉換。輸出模組18、76之輸出CLC阻抗轉換網路亦提供直接組合兩個推挽功率放大器輸出而沒有隔離。
為了說明及敘述已提供上述具體例。沒有意欲要詳盡無疑的或限制本發明。即使沒有被特別顯示或描述，一特定具體例之個別元件或特徵通常並非侷限於那個特定具體例，而是在任何可應用之處，它們是可交換的及可使用於一被選具體例中。亦可以以許多方式來改變它們。這樣的變動將不被視為脫離本發明，以及所有這樣的修改意欲被包含在本發明之範圍內。
10．．．可變種類特性放大器
12．．．輸入模組
14a．．．開關模組
14b．．．開關模組
16．．．組合器模組
18．．．輸出模組
20．．．負載
24vAB．．．電壓波形
24iAB．．．電流波形
24vE．．．電壓波形
24iE．．．電流波形
24vI．．．電壓波形
24iI．．．電流波形
26vAB．．．電壓波形
26iAB．．．電流波形
26vE．．．電壓波形
26iE．．．電流波形
26iI．．．電流波形
26vI．．．電壓波形
30．．．電壓波形
32．．．電壓波形
38．．．輸出(汲極)電壓
40．．．弧形
42．．．點
46．．．點
48．．．點
50．．．弧形
52．．．點
54．．．終點
56．．．弧形
60．．．資料點
62．．．資料點
64．．．資料點
70．．．可變種類特性放大器
72．．．輸入模組
74．．．開關模組
76．．．輸出模組
78．．．負載
80i．．．輸出端汲極電流
80iAB．．．電流波形
80iE．．．電流波形
80iI．．．電流波形
80v．．．輸出端汲極電壓
80vAB．．．電壓波形
80vE．．．電壓波形
80vI．．．電壓波形
C1．．．電容器
C2．．．電容器
C3．．．電容器
C5．．．電容器
C7．．．電容器
C10．．．電容器
C11．．．電容器
C12．．．阻隔電容器
C13．．．電容器
C14．．．電容器
Ca．．．阻隔電容器
Cb．．．阻隔電容器
L1．．．電感器
L2．．．電感器
L3．．．電感器
L4．．．電感器
L6．．．電感器
L11．．．電感器
L12．．．電感器
L14．．．電感器
Q1．．．開關元件
Q2．．．開關元件
Q10．．．開關元件
R1．．．電阻器
R10．．．電阻器
RL ．．．電阻器
T1．．．變壓器
T2．．．變壓器
Vdd．．．電壓源
在此所述之圖式僅用於所選之具體例的說明用，而非所有可能實施之說明用，以及不是意欲用以限制本揭露之範圍。
圖1係依據本揭露之原理所配置之一可變種類特性放大器的方塊圖；
圖2係依據本揭露之原理所配置之可變種類特性放大器的電路圖；
圖3A至3C描述依據本揭露之原理以一推挽組態所配置之一可變種類特性放大器的操作之各種特性中的輸出端電壓及輸出端電流之示範波形；
圖4描述依據本揭露之原理所配置之一可變種類特性放大器的開關元件及主輸出的輸出端電壓之示範波形；
圖5描述依據本揭露之原理以一AB類特性操作之一可變種類特性放大器的汲極電壓之示範波形；
圖6係關於用以說明CLC網路之可變性以改變一可變種類特性放大器之操作的種類特性之示範史密斯阻抗圖解；
圖7係關於說明用以微調配置之CLC網路的可變性之示範史密斯阻抗圖解；
圖8描述依據本揭露之原理的各種具體例所配置之一可變種類特性放大器的方塊圖；
圖9係依據本揭露之各種具體例所配置之一可變種類特性放大器的電路圖；以及
圖10A至10C描述依據本揭露之原理以一單端組態所配置之一可變種類特性放大器的操作之各種特性中的輸出端電壓及電流之示範波形。
在該等圖式之數個視圖中對應元件符號表示對應零件。
10．．．可變種類特性放大器
12．．．輸入模組
14a．．．開關模組
14b．．．開關模組
16．．．組合器模組
18．．．輸出模組
20．．．負載

Claims (46)

  1. 一種功率放大器，包括：一開關模組，該開關模組接收一輸入信號及依據該輸入信號產生一開關模組信號；一變壓器模組，該變壓器模組接收該開關模組信號及產生一變壓器信號，以及一輸出模組，該輸出模組接收該變壓器信號及基於該變壓器信號產生一輸出信號，其中該功率放大器以複數個模式操作，該複數個模式之每一者表示複數個功率放大器種類中個別一者之特性，以及其中基於該輸入信號改變位於該輸出模組內之一電路組件的值，以在該功率放大器之該複數個模式間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項之功率放大器，其中，該開關模組包括一開關元件，該開關元件回應該輸出信號，以產生橫跨該開關元件之一電壓及一電流。
  3. 如申請專利範圍第2項之功率放大器，其中，該輸出模組包括至少一電容元件及一電感元件，其中該電容元件之數值可以是增加或減少中之一，以促使在一第一模式中操作。
  4. 如申請專利範圍第3項之功率放大器，其中，該電容元件之數值可以是增加或減少中之另一者，以促使在一第二模式中操作。
  5. 如申請專利範圍第1項之功率放大器，其中，該複數個 模式中之一係AB類及該複數個模式中之另一者係E類。
  6. 如申請專利範圍第1項之功率放大器，其中，該開關模組包括一電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項之功率放大器，其中，該電晶體係一MOSFET裝置。
  8. 一種功率放大器，包括：一開關模組，該開關模組接收一輸入信號及依據該輸入信號產生一開關模組信號；一變壓器模組，該變壓器模組接收該開關模組信號及產生一變壓器信號，以及一輸出模組，該輸出模組接收該變壓器信號及產生一輸出信號，該輸出模組包括至少一電容器及一電感器，其中該功率放大器以複數個模式操作，該複數個模式之每一者表示複數個功率放大器種類中個別一者之特性，以及其中基於該輸入信號改變該電容器之數值，以在該功率放大器之該複數個模式間切換。
  9. 如申請專利範圍第8項之功率放大器，其中，該電容器之數值可以是增加或減少中之一，以促使在一第一模式中操作。
  10. 如申請專利範圍第9項之功率放大器，其中，該電容器之數值可以是增加或減少中之另一者，以促使在一第二模式中操作。
  11. 如申請專利範圍第8項之功率放大器，其中，該複數個模式中之一係AB類及該複數個模式中之另一者係E類。
  12. 如申請專利範圍第11項之功率放大器，其中，該開關模組包括一電晶體。
  13. 如申請專利範圍第12項之功率放大器，其中，該電晶體係一MOSFET裝置。
  14. 一種功率放大器，包括：一第一開關模組，該第一開關模組回應一輸入信號及依據該輸入信號產生一第一開關模組信號；一第二開關模組，其與該第一開關模組配置成一推挽組態(push-pull configuration)，該第二開關模組回應該輸入信號及依據該輸入信號產生一第二開關模組信號，該第一及第二開關模組信號協同產生一混合開關模組信號；一變壓器模組，該變壓器模組接收該混合開關模組信號及產生一變壓器信號，以及一輸出模組，該輸出模組接收該變壓器信號及產生一輸出信號，其中該功率放大器以複數個模式操作，該複數個模式之每一者表示複數個功率放大器種類中個別一者之特性，以及其中基於該輸入信號改變位於該輸出模組內之一電路組件的值，以在該功率放大器之該複數個模式間切換。
  15. 如申請專利範圍第14項之功率放大器，其中，該輸出 模組包括至少一電感元件及一第一電容元件。
  16. 如申請專利範圍第15項之功率放大器，進一步包括一第二電容元件。
  17. 如申請專利範圍第14項之功率放大器，其中，該第一開關模組包括一第一開關元件，以及該第二開關模組包括一第二開關元件。
  18. 如申請專利範圍第17項之功率放大器，其中，該第一開關元件包括一第一電晶體裝置及該第二開關元件包括一第二電晶體裝置，以及其中使該第一及第二電晶體之輸出端透過該變壓器模組連接，以構成該推挽配置。
  19. 如申請專利範圍第18項之功率放大器，其中，該變壓器模組包括一次及二次繞組，以及其中使該第一及第二電晶體之輸出端連接至該一次繞組之個別第一及第二端。
  20. 如申請專利範圍第19項之功率放大器，進一步包括一電壓源，其經由該一次繞組之至少一部分與該第一及第二電晶體之輸出端的至少一者電連接。
  21. 如申請專利範圍第20項之功率放大器，進一步包括一電感器，其介於該電壓源與該一次繞組之至少一部分之間。
  22. 如申請專利範圍第14項之功率放大器，其中，該輸出模組進一步包括一包括有一電感器及一第一電容器之網路。
  23. 如申請專利範圍第22項之功率放大器，其中，該輸出模組進一步包括一第二電容器、該第一及第二電容器以及該 電感器配置成一CLC網路。
  24. 一種功率放大器，包括：一第一開關模組，該第一開關模組回應一輸入信號及依據該輸入信號產生一第一開關模組信號；一第二開關模組，其與該第一開關模組配置成一推挽組態，該第二開關模組回應該輸入信號及依據該輸入信號產生一第二開關模組信號，該第一及第二開關模組信號協同產生一混合開關模組信號；一變壓器模組，該變壓器模組接收該混合開關模組信號及產生一變壓器信號，以及一輸出模組，該輸出模組接收該變壓器信號及產生一輸出信號，該輸出模組包括一第一電容元件及一電感元件，其中該功率放大器以複數個模式操作，該複數個模式之每一者表示複數個功率放大器種類中個別一者之特性，以及其中基於該輸入信號改變該電容元件之數值，以在該功率放大器之該複數個模式間切換。
  25. 如申請專利範圍第24項之功率放大器，其中，該第一開關模組包括一第一開關元件及該第二開關模組包括一第二開關元件，該等開關元件回應該輸入信號，以產生橫跨該開關元件之電壓及電流。
  26. 如申請專利範圍第24項之功率放大器，其中，該電容元件係增加或減少中之一，以促使在一第一模式中操作。
  27. 如申請專利範圍第26項之功率放大器，其中，該電容元件可以是增加或減少中之另一者，以促使在一第二模式中操作。
  28. 如申請專利範圍第26項之功率放大器，進一步包括一第二電容元件，其中該第一電容元件、該第二電容元件及該電感元件配置成PI網路。
  29. 如申請專利範圍第24項之功率放大器，其中，該複數個模式中之一係AB類及該複數個模式中之另一者係E類。
  30. 如申請專利範圍第24項之功率放大器，其中，該第一開關模組包括一第一開關元件，以及該第二開關模組包括一第二開關元件。
  31. 如申請專利範圍第30項之功率放大器，其中，該第一及第二開關元件包括電晶體。
  32. 如申請專利範圍第24項之功率放大器，其中，該變壓器模組包括一次及二次繞組，以及其中該第一及第二開關模組包括個別第一及第二輸出端，其中該第一及第二輸出端連接至該一次繞組之個別第一及第二端。
  33. 如申請專利範圍第32項之功率放大器，進一步包括一電壓源，其經由該一次繞組之至少一部分與該第一及第二開關模組之輸出端的至少一者電連接。
  34. 如申請專利範圍第33項之功率放大器，進一步包括一電感元件，其介於該電壓源與該一次繞組之至少一部分之 間。
  35. 一種功率放大器，包括：一第一開關裝置，該第一開關裝置回應一輸入信號，以產生一第一開關裝置信號；一第二開關裝置，其與該第一開關裝置配置成一推挽組態，該第二開關裝置回應該輸入信號，以產生一第二開關裝置信號，該第一及第二開關裝置信號協同產生一混合開關裝置信號；一變壓器模組，該變壓器模組接收該混合開關裝置信號及產生一變壓器信號，以及一輸出模組，該輸出模組接收該變壓器信號及產生一輸出信號，該輸出模組包括一第一電容器及一電感器，其中該功率放大器以複數個模式操作，該複數個模式之每一者表示AB類或E類功率放大器種類之個別一者的特性，以及其中基於該輸入信號改變該電容器之數值，以在該功率放大器之該複數個模式間切換。
  36. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，其中，該第一開關裝置及該第二開關裝置回應該輸入信號，以產生橫跨該等個別開關元件之電壓及電流。
  37. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，其中，該第一電容器之數值係增加或減少中之一，以促使在一第一模式中操作。
  38. 如申請專利範圍第37項之功率放大器，其中，該第一電容器之數值係增加或減少中之另一者，以促使在一第二模式中操作。
  39. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，其中，該第一電容器之數值的增加促使在一E類模式中操作及該第一電容器之數值的減少促使在一AB類模式中操作。
  40. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，進一步包括一第二電容器，其中該第一電容器、該第二電容器及該電感器配置成PI網路，以及該第一電容器與該電感器之一相對於用以接收該混合開關裝置信號之端子的端子電連接。
  41. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，其中，該第一及第二開關裝置包括個別第一及第二電晶體。
  42. 如申請專利範圍第41項之功率放大器，其中，該第一及第二電晶體裝置係MOSFET裝置。
  43. 如申請專利範圍第35項之功率放大器，其中，該變壓器模組包括一次及二次繞組，以及其中該第一及第二開關裝置包括個別第一及第二輸出端，其中該第一及第二輸出端連接至該一次繞組之個別第一及第二端。
  44. 如申請專利範圍第43項之功率放大器，進一步包括一電壓源，其經由該一次繞組之至少一部分與該第一及第二開關裝置之輸出端的至少一者電連接。
  45. 如申請專利範圍第43項之功率放大器，進一步包括一 電壓供應電感器，其介於該電壓源與該一次繞組之至少一部分間。
  46. 如申請專利範圍第45項之功率放大器，進一步包括一電阻元件，其與該電壓供應電感器並聯。
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