功率放大器系统的多个段的初级和多匝的次级变压器

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功率放大器系统的多个段的初级和多匝的次级变压器\n技术领域\n[0001] 本发明的示例实施例通常涉及功率放大器，更具体地讲，涉及用于将一个或多个功率放大器结合到负载的升压变压器的系统和方法。\n背景技术\n[0002] 随着移动通信产业的迅猛发展，为了将移动应用功能(例如，低噪声放大器、混合器、电压控制振荡器等)集成到单个半导体技术(例如，单个芯片)中已经做出了许多努力。然而，将功率放大器完全集成在单个芯片区域上存在各种困难。具体地讲，大功率匹配结构需要大的芯片区域，如果所述匹配结构分布在整个芯片区域上，则来自功率放大器的高输出功率会使其它的移动应用功能的性能劣化。因此，在一些应用中，在输出功率的电平足够高的同时，功率放大器的匹配结构应该与其它的移动应用功能隔离开，从而被设置到一个区域中，并且整个匹配结构尺寸应该相当小，从而具有成本效益。因此，需要改善的功率匹配设计以实现完全集成的高功率放大器系统。\n发明内容\n[0003] 根据本发明的一个示例实施例，可以提供一种功率放大器系统，所述功率放大器系统可以包括多个放大器，多个段的初级变压器线圈中的每个段具有第一数量的N1匝，单个的次级变压器线圈具有第二数量的N2匝。初级变压器线圈中的每个段与次级变压器线圈的匝数比可以为N1∶N2，其中，N2＞N1，从而按基本为N2/N1的比率从初级线圈中的每个段到次级线圈提升电压。多个段的初级线圈可以增加磁耦合，因此使被动损失(passive loss)最小化。每个放大器可以包括诸如差分输入的输入，所述输入连接到初级线圈处的系统输入端口，初级线圈可以结合到次级线圈的差分输出。当然，单个的次级变压器线圈可以感应地结合到初级变压器线圈，并可以设置可以结合有负载的系统输出端口。\n[0004] 根据本发明的另一示例实施例，可以提供一种功率放大器系统。所述系统可以包括：功率放大器，可以产生第一差分输出信号和第二差分输出信号；初级线圈，由多个初级段组成，其中，每个初级段的第一端可以连接到第一公共输入端口，每个初级段的第二端可以连接到第二公共输入端口，第一公共输入端口可以用于接收第一差分输出信号，第二公共输入端口用于接收第二差分输出信号；单个的次级线圈，可以感应地结合到所述多个初级段。\n[0005] 根据本发明的另一示例实施例，可以提供一种用于提供功率放大器系统的方法。\n所述方法可以包括如下步骤：提供产生第一差分输出信号和第二差分输出信号的功率放大器；在第一公共输入端口接收第一差分输出信号，在第二公共输入端口接收第二差分输出信号，其中，第一公共输入端口可以连接到形成初级线圈的多个初级段的第一端，第二公共输入端口可以连接到所述多个初级段的第二端；将所述多个初级段感应地结合到单个的次级线圈。\n附图说明\n[0006] 在如此以通用的术语描述了本发明之后，现在将对附图进行参照，附图不需要按尺寸绘制，其中：\n[0007] 图1是根据本发明示例实施例的具有驱动器级(driver stage)和阻抗变换网络(impedance transformation network)的功率放大器的框图；\n[0008] 图2是根据本发明示例实施例的变压器的示例示意图；\n[0009] 图3示出根据本发明示例实施例的变压器的示例示意图，其中，多个段的初级线圈可以连接到多个放大器；\n[0010] 图4示出根据本发明示例实施例的变压器的示例布局结构；\n[0011] 图5示出根据本发明示例实施例的利用一个或多个调谐块的变压器的示例示意图；\n[0012] 图6示出根据本发明示例实施例的利用一个或多个调谐块的示例变压器的示例布局结构；\n[0013] 图7示出根据本发明示例实施例的示例功率放大器系统的变压器的示例布局结构，其中，所述变压器具有与变压器的一部分相邻或基本包封变压器的一部分的辅助线圈；\n[0014] 图8A、图8B和图8C示出根据本发明示例实施例的可以用作变压器的调谐块的谐振电路的示例；\n[0015] 图9示出根据本发明示例实施例的用于实现示例变压器的示例平面基板结构；\n[0016] 图10和图11示出根据本发明示例实施例的用于实现示例变压器的示例堆叠基板结构；\n[0017] 图12示出根据本发明示例实施例的用于实现示例变压器的示例多层基板结构。\n具体实施方式\n[0018] 现在将在下文中参照示出了本发明的一些而非全部的实施例的附图更充分地描述本发明的实施例。当然，本发明可以以许多不同形式来实施，且不应该解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律规定。相同的标号始终表示相同的元件。\n[0019] 图1示出开关功率放大器(PA)系统100，根据本发明的示例实施例，开关功率放大器(PA)系统100可以包括输入端口101、可选驱动器放大级102、一个或多个开关功率放大器103和阻抗变换网络104。根据本发明的示例实施例，驱动器放大级102可以接收来自输入端口101的诸如基带信号或RF信号的输入，并可以产生驱动开关功率放大器103的输出。如图1中所示，可以经提供电压端口106(Vdd)为开关功率放大器103供电。然后，开关功率放大器103可以将放大的输出信号提供到阻抗变换网络104，阻抗变换网络104将功率放大器103的输出阻抗匹配为输出端口105处的负载阻抗。根据本发明的示例实施例，负载可以为开关、多路复用器、滤波器、天线或其它类型的负载。根据本发明的示例实施例，负载阻抗可以为50欧姆。根据本发明的示例实施例，在负载阻抗为50欧姆的情况下，阻抗变换网络104可以将开关功率放大器103的输出阻抗变换为50欧姆。根据本发明的示例实施例，可以通过作为阻抗变换网络的N1∶N2变压器来实现阻抗变换，从而实现更高的输出功率。\n[0020] 图2示出根据本发明示例实施例的变压器的示例示意图。如图2中所示，变压器可以包括初级线圈206和单个的次级线圈207，初级线圈206具有多个段M，多个段M中的每个具有N1匝，单个的次级线圈207具有N2匝。多个段的初级线圈206可以感应性地结合到单个的多匝次级线圈207。根据本发明的示例实施例，可以在次级线圈207处以相同的相位对从多个段的初级线圈206中的每个段感应的电流进行求和。次级线圈207可以设置可结合有负载209(Rload)的系统输出端口208(Vout)。在本发明的示例实施例中，负载209可以为开关、多路复用器、滤波器、天线或其它的负载。根据示例实施例，多个段的初级线圈\n206中的每个段与次级线圈207的匝数比可以为N1∶N2，其中，N1＜N2，从而按基本为N2/N1的比率从多个段的初级线圈206中的每个段到次级线圈207提升电压。\n[0021] 仍然参照图2，多个段的初级线圈206可以连接到一个或多个功率放大器\n203(AMP1)。根据本发明的示例实施例，功率放大器203可以为差分功率放大器。差分功率放大器AMP 1可以包括诸如差分输入201(Vin1+)和202(Vin1-)的一个或多个输入，其中，输入201可以为正信号输入，输入202可以为负信号输入。此外，放大器AMP1可以包括诸如输出204和205的输出，其中，输出204可以为正输出，输出205可以为负输出，其中，输出204和205可以包括差分输出。根据本发明的示例实施例，输出204和205可以连接到变压器的初级线圈206。\n[0022] 根据本发明的示例实施例，从功率放大器203在次级线圈207处提供的电流可以基本为i1＝(N/M)×i2，其中，i2是次级线圈207中的电流，M为多个段的初级线圈206内的段的数量，N是次级线圈115的匝数与多个段的初级线圈206中的每个段的匝数的匝数比。\n同样，从放大器203提供到次级线圈207的电压可以基本为v1＝(1/N)×v2，其中，v2是次级线圈207中的电压，N是次级线圈115的匝数与多个段的初级线圈206中的每个段的匝数的匝数比。\n[0023] 仍然参照图2，多个段的初级线圈206中的每个段可以包括与Vdd1-VddM对应的各自的中心分接头端口210a-210m。当由用于多个段的初级线圈206的差分功率放大器产生差分信号时，中心分接头端口210a-210m可以为虚AC地(virtual AC ground)。可以通过中心分接头端口210a-210m提供差分放大器的提供电压。根据本发明的示例实施例，中心接头端口210a-210m可以与多个段的初级线圈206的各个段的中间或对称位置对应。然而，在本发明的另一示例实施例中，根据由差分放大器产生的差分信号的幅值，中心分接头端口210a-210m的位置可以不同于中间或对称位置。\n[0024] 图3示出根据本发明示例实施例的变压器的示例示意图，其中，多个段的初级线圈可以连接到多个放大器。具体地讲，在图3中，示出了初级线圈312和单个的次级线圈\n313，初级线圈312具有M个段，M个段中的每个具有N1匝，单个的次级线圈313具有N2匝。\n根据本发明的示例实施例，M个段可以感应地结合到单个的次级线圈313。根据本发明的示例实施例，放大器307a-307l(例如，差分放大器)的输出310和311可以作为输入连接到多个段的初级线圈312。特别地，正信号输出310和对应的负信号输出311可以作为输入连接到多个段的初级线圈312，其中，正信号输出310和对应的负信号输出311可以包括差分输出。正信号输入301a-301l和对应的负信号输入301a-301l可以作为输入提供到对应的功率放大器307a-307l。根据本发明的示例实施例，可以在次级线圈313处以相同的相位对从多个段的初级线圈312中的每个段感应的连接电流(connected current)中的每个进行求和。次级线圈313可以提供可结合有负载315(Rload)的系统输出端口314(Vout)。在本发明的示例实施例中，负载315可以为开关、多路复用器、滤波器、天线或其它的负载。根据示例实施例，多个段的初级线圈312中的每个段与次级线圈313的匝数比可以为N1∶N2，其中，N1＜N2，从而按基本为N2/N1的比率从多个段的初级线圈312中的每个段到次级线圈\n313提升电压。\n[0025] 仍然参照图3，多个段的初级线圈312中的每个段可以包括与Vdd1-VddM对应的各自的中心分接头端口316a-316m。当由用于多个段的初级线圈312的差分功率放大器产生差分信号时，中心分接头端口316a-316m可以为虚AC地。可以通过中心分接头端口316a-316m提供差分放大器的提供电压。根据本发明的示例实施例，中心接头端口316a-316m可以与多个段的初级线圈312的各个段的中间或对称位置对应。然而，在本发明的另一示例实施例中，根据由差分放大器产生的差分信号的幅值，中心分接头端口\n316a-316m的位置可以不同于中间或对称位置。\n[0026] 图4示出根据本发明的示例实施例的变压器的示例布局结构。如图4中所示，根据本发明的示例实施例，变压器可以包括两个段的初级线圈和单个的两匝次级线圈409，两个段的初级线圈包括段407和408。根据本发明的示例实施例，段407和408的第一端可以连接到公共正输入端口420，段407和408的第二端可以连接到负输入端口421。根据本发明的示例实施例，公共输入端口420和负输入端口421可以制造为焊盘或其它导电连接件。\n[0027] 仍然参照图4，根据本发明的示例实施例，包括段407和408的两个段的初级线圈可以接收来自功率放大器的输入，所述功率放大器可以是差分放大器。例如，所述功率放大器可以包括晶体管402和403，晶体管402和403可以为均包括各自的源极、栅极和漏极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在图4中，晶体管402和403的源极均可以接地。晶体管402的栅极可以连接到正信号输入401(Vin 1+)，同时，晶体管403的栅极可以连接到负信号输入404(Vin 1-)。同样，晶体管402的漏极可以提供差分放大器的正输出\n405，正输出405可以连接到公共正输入端口420，公共正输入端口420将第一输入提供到第一段407和第二段408二者。类似地，晶体管403的漏极可以提供差分放大器的负输出\n406，负输出406可以连接到公共负输入端口421，公共负输入端口421将第二输入提供到第一段407和第二段408二者。应该理解的是，虽然在一些实施例中，晶体管402和403可以示出为MOSFET，但是晶体管402和403还可以为双极结晶体管(BJT)或其它类型的晶体管。\n[0028] 根据本发明的示例实施例，可以以相同的相位在次级线圈409处将通过初级线圈中的两个段407和408的励磁而磁感应的电流加在一起。根据本发明的示例实施例，变压器可以被设计或构造为使得初级段407和408的电流沿相同的方向以防止自抵消(self-cancellation)。根据本发明的示例实施例，负载可以连接到次级线圈409的输出端口410和411。根据本发明的示例实施例，初级线圈中的段的匝和次级线圈的匝可以利用一个或多个通孔连接件(viaconnection)在叠置部分上方走线。\n[0029] 图5示出根据本发明的示例实施例的利用一个或多个调谐块的变压器的示例示意图。根据本发明的示例实施例，调谐块可以用作调节或改变变压器的运行参数。如图5中所示，变压器可以包括初级线圈506和单个的次级线圈507，初级线圈506具有两段，每个段具有N1匝，单个的次级线圈507具有N2匝。多个段的初级线圈506可以感应地结合到单个的多匝次级线圈507。根据本发明的示例实施例，可以在次级线圈507处以相同的相位对从多个段的初级线圈506中的每个段感应的电流进行求和。次级线圈507可以设置可结合有负载509(Rload)的系统输出端口508(Vout)。在本发明的示例实施例中，负载可以为开关、多路复用器、滤波器、天线或其它负载。根据示例实施例，多个段的初级线圈506中的每个段与次级线圈507的匝数比可以为N1∶N2，其中，N1＜N2，从而按基本为N2/N1的比率从多个段的初级线圈506中的每个段到次级线圈507进行电压提升。\n[0030] 仍然参照图5，多个段的初级线圈506可以连接到一个或多个功率放大器503(AMP \n1)。根据本发明的示例实施例，功率放大器503可以为差分功率放大器。差分功率放大器AMP 1可以包括诸如差分输入501(Vin 1+)和502(Vin1-)的一个或多个输入，其中，输入\n501可以为正信号输入，输入502可以为负信号输入。因此，放大器AMP 1可以包括诸如输出504和505的差分输出，其中，输出504可以为正输出，输出505可以为负输出。根据本发明的示例实施例，输出504和505可以连接到变压器的初级线圈506。\n[0031] 仍然参照图5，差分放大器的使用会使得多个段的初级线圈506中的每个段具有各自的中心分接头端口510和511。当由多个段的初级线圈506的差分功率放大器产生差分信号时，中心分接头端口510和511可以为虚AC地。可以通过中心分接头端口510和\n511提供差分放大器的提供电压。根据本发明的示例实施例，第一调谐块512可以设置在多个段的初级线圈506的第一段的中心分接头端口510处。同样，第二调谐块513可以设置在多个段的初级线圈506的第二段的中心分接头端口511处。根据本发明的示例实施例，调谐块512和513可以用于对耦合的频带进行控制、调节、滤波或进行其它方面的调谐。例如，根据本发明的示例实施例，调谐块512和513可以为用于选择性增强或抑制一个或多个频率分量的谐振电路。\n[0032] 图6示出根据本发明示例实施例的利用一个或多个调谐块的示例变压器的示例布局结构。根据本发明的示例实施例，变压器可以包括多个段的初级线圈中的多个段，多个段感应地结合到次级线圈。如图6中所示，(多个段的初级线圈中的)两个初级段607和\n608均可以具有单匝(N1＝1)，次级线圈609可以具有两匝(N2＝2)。段607和608均可以通过公共正输入端口620和公共负输入端口621连接到一个或多个放大器603(AMP 1)。\n具体地讲，放大器可以接收正输入信号601(Vin 1+)和负输入信号602(Vin 1-)，并将正输出604和负输出605分别提供到公共正输入端口620和公共负输入端口621。\n[0033] 根据本发明的示例实施例，功率放大器603可以为差分放大器。根据本发明的示例实施例，差分放大器产生差分输出604和605，这可以导致在分别的第一段607和第二段\n608中的中心分接头端口612和613处存在虚AC地。根据本发明的示例实施例，可以通过中心分接头端口612和613来提供差分放大器的提供电压。根据本发明的示例实施例，第一调谐块614可以连接到第一中心分接头端口612，同时，第二调谐块615可以连接到第二中心分接头端口613。应该理解的是，根据本发明的示例实施例，第一调谐块614和第二调谐块615可以制造为与变压器结构的基板相同的基板的一部分，或者与变压器布局结构联通的离散模块。此外，根据本发明的示例实施例，调谐块614和615可以为用于选择性地增强或抑制一个或多个频率分量的谐振电路。\n[0034] 图7示出根据本发明示例实施例的示例功率放大器系统的变压器的示例布局结构，所述变压器具有与变压器的一部分相邻或基本包封变压器的一部分的辅助线圈。具体地讲，图7示出具有额外的辅助线圈702的图6的变压器的示例布局结构。根据本发明的示例实施例，辅助线圈702可以结合到变压器，从而感测初级段607和608与次级线圈609之间的耦合的量。应该理解的是，虽然图7中示出了辅助线圈702，但是根据本发明的示例实施例，辅助线圈702可以变化。例如，用于功率感测的辅助线圈可以被放置为与变压器的一侧相邻，从而感测耦合的量。根据另一示例，用于功率感测的辅助线圈可以被放置为与变压器的一侧或多个侧部相邻，从而感测耦合的量。此外，虽然已经参照图7的示例变压器示出了辅助线圈，但是根据本发明的示例实施例，所述辅助线圈同样适用与其它的变压器(包括这里描述的其它的变压器)。\n[0035] 图5至图7中示出的调谐块可以以与本发明示例实施例一致的多种方式来实现。\n根据本发明的示例实施例，调谐块可以包括谐振电路。图8A、图8B和图8C示出了根据本发明示例实施例的可以用作变压器的调谐块的谐振电路的一些示例。\n[0036] 图8A是根据本发明示例实施例的示例调谐块的示意图。如图8A中所示，根据本发明的示例实施例，调谐块可以为包括串联连接的电容组件801和电感组件802的谐振电路。根据本发明的示例实施例，谐振电路的端口800可以连接到初级线圈中的段的中心分接头端口。根据本发明的示例实施例，图8A的谐振电路可以具有相关的谐振频率fn803。\n[0037] 图8B示出根据本发明示例实施例的示例调谐块的另一示意图。如图8B中所示，调谐块可以为包括并联的电容组件811和电感组件812的谐振电路。根据本发明的示例实施例，谐振电路的端口810可以连接到初级线圈中的段的中心分接头端口。根据本发明的示例实施例，谐振电路可以具有谐振频率fn813。\n[0038] 图8C示出根据本发明示例实施例的示例调谐块的另一示意图。如图8C中所示，谐振电路可以具有多个谐振频率，诸如谐振频率fn1827、fn2828和fn3829。例如，电容组件821和电感组件822可以串联连接，从而提供谐振频率fn1827。同样，电容组件823和电感组件\n824可以串联连接，从而提供谐振频率fn2828。此外，电容组件825和电感组件826可以串联连接，从而提供谐振频率fn3829。根据本发明的示例实施例，谐振电路的端口820可以连接到初级线圈中的段的中心分接头端口。应该理解的是，虽然图8C示出了谐振电路的特定构造，但是在不脱离本发明的示例实施例的情况下，本发明的其它实施例可以包括各种类型的串联/并联谐振电路。此外，虽然调谐块可以示出为连接在中心分接头端口处，但是本发明的其它实施例还可以将调谐块以其它位置连接到初级线圈。\n[0039] 应该理解的是，可以选择图8A至图8C的电容组件和电感组件的值和参数，从而具有一个或多个期望的谐振频率。根据本发明的示例实施例，调谐块的一个或多个调谐频率可以用于过滤一个或多个谐振频率的不期望的谐波或增强其它的谐波，从而控制耦合的频率。\n[0040] 根据本发明的示例实施例，这里描述的变压器的布局可以利用平面结构、堆叠结构或多层结构来实现。在平面结构的情况下，初级线圈中的所有段基本上可以放置在同一金属层中。具有多匝的次级线圈可以放置在初级线圈中的一个段和初级线圈中的另一段之间，使得初级线圈中的一个段与初级线圈中的另一段直接相邻。例如，如图9的示例平面基板结构中所示，可以在第一金属层902上制造整个初级线圈中的第一段，同时，基本上还可以在相同的第一金属层902上制造初级线圈中的第二段。同样，基本上还可以在初级线圈中的段之间在表面层上制造多匝次级线圈。根据本发明的示例实施例，初级段或次级线圈的剖面可经过一个或多个通孔连接件904走线。\n[0041] 根据本发明的另一示例实施例，变压器的布局还可以利用堆叠结构来实现。在示例堆叠结构的情况下，在一个金属层上，初级线圈中的所有段可以放置为彼此平行并相邻，次级线圈可以放置在另一金属层中。例如，根据本发明的示例实施例，在图10的堆叠基板结构中，初级线圈中的段可以形成在金属层1002上，同时，次级线圈可以形成在金属层\n1004上。\n[0042] 根据本发明的另一示例实施例，变压器可以以另一堆叠结构来实现，其中，多个段的初级线圈中的每个段可以平行地设置在每个不同的层中，但是初级线圈的层彼此可以不垂直，其中，具有多匝的次级线圈可以放置在初级线圈中的一个段的一个金属层和初级线圈中的另一段的另一金属层之间，其中，次级线圈的多匝可以占据利用通孔连接的多层。例如，在图11的示例堆叠基板结构中，初级线圈中的第一段可以形成在金属层1102上，同时，初级线圈中的第二段可以形成在另一金属层1106上。根据本发明的示例实施例，具有多匝的单个的次级线圈可以利用金属层1104和1108的结合来形成，并利用至少一个通孔来连接。因此，虽然在图11中没有示出，但是初级线圈中的每个段可以利用一个或多个通孔类似地连接到公共正输入端口和公共负输入端口。\n[0043] 根据本发明的另一示例实施例，变压器可以以多层结构来实现。在多层结构的情况下，初级线圈中的每个段可以在两个或更多的金属层上制造，并通过通孔连接。同样，次级线圈可以利用两个或更多的层来制造，并通过通孔连接。例如，如图12中所示，初级线圈中的第一段可以在第一金属层1202的第一部分和第三金属层1206的第一部分上制造，并通过至少一个第一通孔1210连接。类似地，初级线圈中的第二段可以在第一金属层1202的第二部分和第三金属层1206的第二部分上制造，并通过至少一个第二通孔1212连接。根据本发明的示例实施例，单个的次级线圈可以在第二金属层1204和第四金属层1208上制造，并通过至少一个第三通孔1214连接。\n[0044] 根据本发明的示例实施例，功率放大器的核心和变压器线圈在空间上可以彼此分开，从而减小了从变压器到功率放大器的核心的磁耦合，因此减小了不稳定的可能性。根据本发明的另一实施例，与功率放大器的核心空间上分开的变压器可以在由不同的工艺提供的单独的基板上实现。因此，变压器和功率放大器不需要限制于单个的制造工艺。根据本发明的又一实施例，空间上混杂的变压器可以为尺寸紧凑的。在不脱离本发明的实施例的情况下，变压器和功率放大器的许多其它的变化是可用的。\n[0045] 通过得益于前面的描述和相关的附图中表现的教导，本发明所属领域技术人员将会获知这里阐述的本发明的许多修改和其它的实施例。因此，应该理解的是，本发明不意在限于公开的特定实施例，修改和其它的实施例意在被包括在权利要求的范围内。这里虽然采用了特定术语，但是仅在一般描述性的意义上而非出于限制性的目的来使用这些特定术语。