專利名稱：E/f類開關(guān)功率放大器的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及高效率的功率放大器，尤其是涉及一種新類的開關(guān)功率放大器，該開關(guān)功率放大器是E類和反F(F-1類)類功率放大器的混合。
2.相關(guān)技術(shù)的描述基于與電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理有關(guān)的其基本特性，功率放大器被分類為若干不同的種類，諸如A、AB、B、C、D、E、F、S等等。
每個(gè)類在其工作特性方面，諸如線性度、功效、頻寬、頻率響應(yīng)等等呈現(xiàn)相對(duì)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且根據(jù)應(yīng)用需求選擇。
尤其是，RF功率放大可以使用有源器件(即，晶體管、真空管)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該有源器件起線性放大器、開關(guān)放大器或者作為兩者的組合的作用。由于線性放大器(例如，A和B類)從一個(gè)施加的信號(hào)和直流(DC)電源在產(chǎn)生射頻(RF)輸出方面是相對(duì)效率低的，運(yùn)用一個(gè)有源器件作為線性放大器不是理想的解決需要高效功率放大器應(yīng)用的方法。相反地，優(yōu)選設(shè)計(jì)該有源器件作為一個(gè)開關(guān)，因?yàn)檫@種工作方式使該器件在大部分時(shí)間處于飽和或者截止?fàn)顟B(tài)，因此，通過(guò)保持該器件在多耗散的激活區(qū)以外而消耗相對(duì)少量的功率。在很多的應(yīng)用中，諸如便攜式通信設(shè)備(例如蜂窩電話)和大功率工業(yè)發(fā)生器(例如，等離子體驅(qū)動(dòng)器和廣播發(fā)射機(jī))，這里低功率消耗和低的耗散是至關(guān)緊要的，由于它們?cè)试S的性能和成本優(yōu)勢(shì)，高效的開關(guān)放大器是一個(gè)有吸引力的解決方案。
圖1是設(shè)計(jì)進(jìn)常規(guī)的RF傳輸系統(tǒng)1中的通用開關(guān)功率放大器6簡(jiǎn)化的方框圖。該系統(tǒng)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器4、該功率放大器6和一個(gè)負(fù)載8，該功率放大器6包括一個(gè)開關(guān)5和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)7。要放大的輸入信號(hào)2被輸入給該激勵(lì)級(jí)4，其控制在放大器中的該有源器件5。當(dāng)適當(dāng)?shù)赜稍擈?qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)，該有源器件基本上起一個(gè)開關(guān)的作用，因此被表示為一個(gè)單極、單擲開關(guān)。該有源器件由一個(gè)直流電源3供電，并且具有一個(gè)連接到負(fù)載網(wǎng)絡(luò)7的輸入端的輸出端。該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)7的輸出端連接到負(fù)載8，諸如一個(gè)天線。當(dāng)該開關(guān)5被周期地以期望的輸出頻率或者基頻f0操作之時(shí)，直流能源被以這個(gè)轉(zhuǎn)換頻率和其諧波頻率轉(zhuǎn)換為交流能源。該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)7可以采用一個(gè)或多個(gè)濾波器去控制由轉(zhuǎn)換動(dòng)作所引起的功率損耗(即，該器件的功效)，降低在負(fù)載上諧波的電平，和/或提供阻抗變換。該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)決定在開關(guān)放大器6中電壓和電流的性能，因此該操作類由放大器的操作類表示。
但是，由于在該有源器件中限定開關(guān)次數(shù)和插件寄生阻抗，以高頻率實(shí)現(xiàn)高效率的切換操作具有挑戰(zhàn)。盡管如此，在已知類型的功率放大器之中，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用需要以高操作頻率的高效率功率放大時(shí)，目前最適當(dāng)?shù)囊阎愋褪荅和F類放大器。
E類放大器該E類放大器必須通過(guò)消除出現(xiàn)在其他類型的開關(guān)放大器中的切換功率耗散的主要原因?qū)崿F(xiàn)高效率，即，與容性放電有關(guān)的損耗。實(shí)際上，在每個(gè)開關(guān)方式功率放大器中，一個(gè)電容Cs旁路該電源開關(guān)。至少這個(gè)電容是該電路元件(晶體管)和線路內(nèi)在的寄生電容Cout，該電路設(shè)計(jì)者可以故意地想要去增加額外的電容。在其他類型的開關(guān)放大器(除了E類放大器以外的)中，這個(gè)旁路電容一般是不受歡迎的。原因是，如果該開關(guān)被閉合，屆時(shí)該開關(guān)和其分路電容兩端間的電壓為非零，當(dāng)變熱時(shí)存儲(chǔ)在負(fù)荷電容中的能量作為熱量耗散，該能量是CsV2/2，這里Cs是旁路開關(guān)的電容，V是該開關(guān)接通時(shí)開關(guān)兩端間的電壓(因此是電容兩端電壓)，由此當(dāng)該開關(guān)被閉合時(shí)，并聯(lián)該電容。如果轉(zhuǎn)換頻率是f0，功率損耗是CsV2f0/2。注意到該功率損耗與該轉(zhuǎn)換頻率成正比。因此，對(duì)于一個(gè)高頻功率放大器，這個(gè)功率損耗可能成為一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，常常變成主要功率損耗的原因。此外，當(dāng)該開關(guān)放電這個(gè)電容器時(shí)，該開關(guān)同時(shí)經(jīng)受電容器電壓和放電電流。如果該同時(shí)發(fā)生的電壓和電流是足夠大的，它們可以導(dǎo)致該功率晶體管破壞性的故障和/或性能降低。
通過(guò)確保零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)操作，即，當(dāng)該開關(guān)被閉合時(shí)，要求該開關(guān)兩端間的電壓基本上為零，可以避免這些難點(diǎn)。E類放大器的這個(gè)特點(diǎn)允許這個(gè)類通過(guò)在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中使用這些電容并設(shè)計(jì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)而無(wú)需嚴(yán)重地降低性能容易地適應(yīng)該轉(zhuǎn)換裝置輸出電容，使得恰好在該器件被接通之時(shí)該電容器電壓為零。
除了接通該開關(guān)的難題之外，斷開(打開)一個(gè)電源開關(guān)不可避免地要使其承受高電壓和強(qiáng)電流(因此，進(jìn)一步功率損耗和器件受力)。幸好，與接通損耗不同，通過(guò)選擇更快的器件或者足夠地提高該器件激勵(lì)電平，這個(gè)損耗結(jié)構(gòu)可以被做得任意小的，以便降低該器件的斷開時(shí)間。雖然設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)ZCS(零電流轉(zhuǎn)換)操作的開關(guān)放大器是可能的，其中恰好在該晶體管斷開時(shí)該器件電流是零，從而消除斷路損耗，相信同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS條件是不可能的。雖然該斷路損耗可以用其它方式降低，該接通損耗僅僅是隨轉(zhuǎn)換電壓和電容Cs而定的，作為該有源器件的固有性質(zhì)，其不能任意地被降低。因此，ZVS轉(zhuǎn)換已經(jīng)被認(rèn)為是最適合于使用現(xiàn)代的高速器件的高效率的操作。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇該電路元件(包括開關(guān)電容Cs、負(fù)載電阻RL和負(fù)載電感LL)的相對(duì)值，因此，E類允許ZVS轉(zhuǎn)換以使用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路降低轉(zhuǎn)換損耗。
因此，以相對(duì)簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，E類操作通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗和小的器件壓力(a)合并該開關(guān)旁路電容作為網(wǎng)絡(luò)的一部分，允許考慮不利的影響，并且最小化，和(b)使用一個(gè)諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，在斷開該開關(guān)后，其瞬時(shí)響應(yīng)使得該開關(guān)電壓回到零(或者接近于零)之后，此時(shí)該開關(guān)將被再次閉合。一個(gè)典型的E類放大器電路的示意圖被在圖2的簡(jiǎn)圖中示出。該功率放大器10包括一個(gè)開關(guān)裝置12和一個(gè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)20。直流電源經(jīng)由扼流圈14提供給該裝置12。該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)簡(jiǎn)易濾波器24，其被串聯(lián)連接至一個(gè)RL負(fù)載，該RL負(fù)載分別由LL26和RL28表示。作為一個(gè)E類器件，該濾波器在基頻上起短接的電路作用，以及在所有的諧波上起斷開電路作用。該有源器件12(例如，在三端晶體管的正極和負(fù)極之間)的內(nèi)在的旁路電容Cout被作為電容器Cs22的全部或者一部分結(jié)合進(jìn)該網(wǎng)絡(luò)，其可以包括由設(shè)計(jì)者增加的額外的電容。因此，觀察該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗Zin是在f0，Zin＝(RL+jω0LL)‖(1/jω0Cs)，其中如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為基本上電感性負(fù)載(即，一個(gè)由電阻和電感兩者組成的負(fù)載)，即Zin＝Reff+jω0Leff′，并且在所有的諧波上，Zin＝1/jωCs。當(dāng)相對(duì)于電容Cs和有效荷載電阻Reff適當(dāng)?shù)卣{(diào)整尺寸時(shí)，該基頻負(fù)載的電感執(zhí)行基頻諧波成分的相位校正，允許實(shí)現(xiàn)ZVS操作。
F和F-1類放大器F類是另一種眾所周知的開關(guān)方式類放大器。該F類放大器通過(guò)使用多個(gè)諧振器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)去控制該有源器件的輸出電壓和/或電流波形的諧波含量以取得其改善的功效。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)F類的電路中，該有源器件主要起一個(gè)開關(guān)作用，并且該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)通常被設(shè)計(jì)成在基頻的偶次諧波輸出短路阻抗，以及在基頻的奇次諧波輸出開路阻抗。
當(dāng)該有源器件(晶體管)的輸出電壓被迅速地從飽和(低電阻)驅(qū)動(dòng)到截止(高電阻)電壓時(shí)，F(xiàn)類放大器的高效率的工作被實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施中，當(dāng)該器件飽和時(shí)，該有源器件和輸出網(wǎng)絡(luò)的組合產(chǎn)生半正弦波電流。用于所有奇次諧波直至第N次諧波的高Q值諧振電路通常由若干并聯(lián)LC濾波器組成，通過(guò)在這些頻率上提供高阻抗給該有源器件，在該輸出電壓中生成可允許的奇次諧波成分。這些奇次諧波電壓與該基頻輸出電壓求和以有效地使該輸出電壓信號(hào)波形變平坦。這導(dǎo)致更高的功效和更高的功率輸出的組合。另外，諧振電路在這些頻率上提供在所有的偶次諧波直至第N次諧波上短路該有源器件，從而允許該電流波形近似于半正弦曲線，無(wú)需絲毫地降低輸出功率進(jìn)一步提高了功效。一個(gè)高Q值濾波電路被調(diào)諧到基頻以便在負(fù)載抑制諧波，并且輸出一個(gè)正弦曲線的輸出信號(hào)。在這種結(jié)構(gòu)中，該器件的內(nèi)在的寄生電容必須保持很小，以免在奇次諧波短路由該諧振電路給出的高阻抗。雖然這個(gè)難題可以通過(guò)以該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)諧振這個(gè)電容在某種程度上減到最小，這種方法進(jìn)一步增加了該網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。另外，如果該有源器件被很艱難地驅(qū)動(dòng)，使得其立即轉(zhuǎn)換，大量的諧波必須被調(diào)諧，以便獲得F類操作的好處。由于這些限制，F(xiàn)類通常僅在與工作頻率相比速度相對(duì)慢的晶體管和使用相對(duì)小的(即低電容)器件的應(yīng)用中使用，以便只有少數(shù)的諧波需要被調(diào)諧，從而該電容的影響很小。
對(duì)傳統(tǒng)的F類放大器的一種變異是在諧波上反轉(zhuǎn)該阻抗。因此，該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被用于在每個(gè)偶次諧波直至第N次諧波上輸出開路阻抗，并且在每個(gè)奇次諧波直至第N次諧波上短路阻抗。這樣的一個(gè)放大器被稱作反F類或者F-1類的放大器，并且一個(gè)實(shí)施例在圖3中大略地示出。尤其是，這個(gè)F-1類放大器40包括一個(gè)開關(guān)裝置42和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)50，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)50包括一個(gè)與開關(guān)的輸出端和該電阻負(fù)載52串聯(lián)的濾波器46，以及一個(gè)與該負(fù)載52并聯(lián)的第二濾波器48。該串聯(lián)濾波器46對(duì)于偶次諧波呈現(xiàn)相對(duì)的開路阻抗，并且對(duì)于所有其他的諧波呈現(xiàn)短路阻抗。該并聯(lián)濾波器48對(duì)于所有的奇次諧波呈現(xiàn)相對(duì)短路阻抗，并且否則呈現(xiàn)開路阻抗。因此，觀察該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗Zin是在f0，Zin＝RL；在所有的偶次諧波上Zin＝∞(開路)；以及在所有的奇次諧波上Zin＝0(短路)。這個(gè)放大器類具有F類許多的好處，并且另外具有近似于ZVS操作的性能，雖然在有大的寄生器件電容Cout的情況下這個(gè)特性難以實(shí)現(xiàn)。雖然F-1類已經(jīng)基本上被忽略了很多年，近來(lái)的一些工作已經(jīng)展示，這種類的操作有利地比得上使用調(diào)制調(diào)解器固態(tài)器件的F類。
當(dāng)E和F類功率放大器性能被比較時(shí)，E放大器比F類放大器的一個(gè)有意義的優(yōu)點(diǎn)是其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)合該開關(guān)裝置輸出寄生電容作為其電路的一部分。因此，由于這個(gè)作為可以出現(xiàn)在諸如F類和F-1類放大器中的寄生電容的充電和放電，E類放大器不消耗功率，其不考慮該電容器的影響，也不需要精心制成諧振電路以降低這個(gè)電容的影響。此外，如在上面所看到的，該E類結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的，僅僅由少許元件(至少一個(gè)比在F類結(jié)構(gòu)中更小的濾波器)組成。與F類和F-1結(jié)構(gòu)不同，該E類結(jié)構(gòu)借助于這個(gè)簡(jiǎn)單的電路接收其操作類的全部約定的好處，然而F類和F-1方法必須結(jié)合越來(lái)越多量的電路元件，以便接近該理想的F類性能。另一方面，由于其正極(即，晶體管漏極或集電極)電壓和電流波形格式化，當(dāng)在相同的電源條件之下它們使用相同的晶體管時(shí)，F(xiàn)類放大器比E類放大器發(fā)出顯著地更高的功率和約定更高的功效。為了獲得這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)和F-1類電路可能是非常復(fù)雜的，并且可能比E類裝置使用更多的元件。
因此，非常希望有一種能夠在高的頻率上非常高效地提供大功率的功率放大器，而且包括E類和F類放大器兩者的某些最好的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了這些需要，本發(fā)明在于一種用于放大具有至少一個(gè)基頻的高頻輸入信號(hào)的高效開關(guān)功率放大器，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載。該放大器包括一個(gè)高速有源器件和一個(gè)混合式的E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。該有源器件包括一個(gè)基本上起一個(gè)開關(guān)作用的轉(zhuǎn)換部件和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout。該混合式的E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接到該有源器件。
在一個(gè)實(shí)施例中，該混合式的E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為以基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率呈現(xiàn)給轉(zhuǎn)換部件，在每個(gè)基頻基本上為電感性負(fù)載，在對(duì)于每個(gè)基頻的偶次諧波的預(yù)先確定的數(shù)字NE直至第N次諧波上基本上為開路，在對(duì)于每個(gè)基頻的奇次諧波的預(yù)先確定的數(shù)字No直至第N次諧波上基本上為短路，以及在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載。在這個(gè)實(shí)施例中，N≥3和1＜NE+No≤N-2。因此，該放大器具有E類和F類放大器兩者的某些特征。在一個(gè)更特殊的例子中，如果NE＝1，那么No＞0。
更具體地說(shuō)，該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)包括具有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的雙端口濾波網(wǎng)絡(luò)，該輸入端口連接到與寄生輸出電容Cout并聯(lián)的該有源器件，以及該輸出端口連接到該負(fù)載。該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)還可以配置為提供具有基頻從f1到f2范圍的輸入信號(hào)的寬頻帶調(diào)諧，這里f2＜3f1。
在另一個(gè)本發(fā)明寬廣的實(shí)施例中，連接到該有源器件的該混合式的E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在工作基頻呈現(xiàn)給該有源器件基本上為電感性負(fù)載，在基頻的預(yù)先確定數(shù)字的偶次諧波上基本上為開路，在基頻的預(yù)先確定數(shù)字的奇次諧波上基本上為短路，和在其余的諧波上基本上為電容性阻抗負(fù)載。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，該混合式的E/F-1類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為以基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率呈現(xiàn)給轉(zhuǎn)換部件，在導(dǎo)致該有源器件基本上為零電壓轉(zhuǎn)換操作的每個(gè)工作基頻上基本上為電感性負(fù)載，在每個(gè)基頻的偶次諧波的預(yù)先確定的數(shù)字NE上阻抗數(shù)值基本上大于1/(2πfCs)，在每個(gè)基頻的奇次諧波的預(yù)先確定的數(shù)字No上阻抗數(shù)值基本上小于1/(2πfCs)，和在每個(gè)基頻其余的諧波上阻抗基本上等于1/jωCs。Cs＝Cout+Cadded，這里Cadded≥0，并且NE≥0，No≥0，并且調(diào)諧的諧波的總數(shù)NE+No至少是一，并且小于基本上存在于該有源器件的至少一個(gè)電壓和電流信號(hào)波形之中諧波頻率的總數(shù)。由于該網(wǎng)絡(luò)不需要對(duì)提供基本上開路和短路起作用，如在先前的例子中，該網(wǎng)絡(luò)可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)有意義的程度。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，公開了一種多個(gè)有源器件高效開關(guān)功率放大器，用于放大具有至少一個(gè)基頻的高頻輸入信號(hào)，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載。在這種情況下，與混合式三個(gè)端口E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)一起提供一個(gè)第一高速有源器件和一個(gè)第二高速有源器件，第一高速有源器件具有一個(gè)寄生輸出電容Cout1，并且適合于基本上起一個(gè)開關(guān)作用，第二高速有源器件具有一個(gè)寄生輸出電容Cout2，并且適合于基本上起一個(gè)開關(guān)作用。該網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)連接到第一有源器件的第一端口，一個(gè)連接到第二有源器件的第二端口；和一個(gè)連接到該負(fù)載的第三端口，使得當(dāng)?shù)谝缓偷诙性雌骷灰酝仆旖Y(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件一個(gè)有效的輸入阻抗，其提供在所有的基頻上一個(gè)與該基本上的電阻負(fù)載串聯(lián)的基本上為電感性負(fù)載；在對(duì)于每個(gè)基頻的一個(gè)或多個(gè)偶次諧波直至第N次諧波基本上為開路；在對(duì)于每個(gè)基頻的一個(gè)或多個(gè)奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載。
在這種推挽式放大器的一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施例中，該放大器進(jìn)一步包括一個(gè)連接到二個(gè)有源器件的輸出端和負(fù)載的變壓器，使得經(jīng)由該變壓器該負(fù)載從該二個(gè)有源器件的輸出端被直流隔離。
在本發(fā)明一個(gè)方面的詳細(xì)實(shí)施例中，公開了一種準(zhǔn)E/F3類的高效放大器，用于放大具有至少一個(gè)基頻的輸入信號(hào)，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載。這個(gè)放大器包括一個(gè)高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout；和一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，其在基頻的二次諧波上諧振。該有源器件經(jīng)由該LC并聯(lián)諧振電路被串聯(lián)連接至負(fù)載。
還公開了一種利用一個(gè)有源器件轉(zhuǎn)換放大RF信號(hào)的方法。該方法包括利用一個(gè)有源器件放大該信號(hào)，該有源器件包括一個(gè)基本上起一個(gè)開關(guān)作用的轉(zhuǎn)換部件和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout。該方法包括調(diào)諧該放大的信號(hào)，以在該基頻給該轉(zhuǎn)換部件提供基本上為電感性負(fù)載，調(diào)諧該放大的信號(hào)以在選擇的偶次諧波上給該有源器件提供基本上為開路，調(diào)諧該放大的信號(hào)以在選擇的奇次諧波上給該有源器件提供基本上為短路；和對(duì)于沒(méi)有選擇的諧波給該有源器件提供基本上為電容性負(fù)載。
公開了本發(fā)明放大器的混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的若干詳細(xì)的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上呈現(xiàn)給轉(zhuǎn)換部件，在每個(gè)基頻基本上為電感性負(fù)載，在第二諧波基本上為開路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥3。
在一個(gè)替換的實(shí)施例中，該網(wǎng)絡(luò)被配置在每個(gè)基頻上呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載；在第三諧波基本上為短路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥3。
在第三個(gè)詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在第三諧波基本上為短路；在第二諧波基本上為開路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
在第四個(gè)詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在第四諧波基本上為開路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
在第五個(gè)詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在第二和第四諧波基本上為開路；和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
在第六個(gè)實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在第三諧波基本上為短路，在第四諧波基本上為開路，和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
在第七個(gè)詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在第三諧波基本上為短路，在第二和第四諧波基本上為開路，和在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5。
在第八個(gè)詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換部件基本上為電感性負(fù)載；在所有的奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路；在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5。
在第九個(gè)公開的詳細(xì)的實(shí)施例中，該混合式E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為在每個(gè)基頻呈現(xiàn)給該轉(zhuǎn)換元件基本上為電感性負(fù)載，在所有的奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路；在對(duì)于每個(gè)基頻的偶次諧波的預(yù)先確定的數(shù)字Nx直至第N次諧波上基本上為開路，在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，這里N≥5，并且0＜NE≤(N-2)/2。
從下面結(jié)合伴隨的附圖通過(guò)例子舉例說(shuō)明本發(fā)明的原理的詳細(xì)說(shuō)明中，本發(fā)明其他的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


圖1是一個(gè)常規(guī)的RF功率傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖，其包括一個(gè)連接到負(fù)載的開關(guān)功率放大器；圖2是一個(gè)常規(guī)的E類功率放大器電路理論方框圖；圖3是一個(gè)常規(guī)的F-1類功率放大器電路理論方框圖；圖4是一個(gè)示出本發(fā)明新穎的E/F類功率放大器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論方框圖；圖4B是一個(gè)使用二個(gè)諧振器以實(shí)現(xiàn)諧波調(diào)諧的新穎的E/F3類放大器優(yōu)選實(shí)施的示意圖；圖4C是一個(gè)使用二個(gè)諧振器以實(shí)現(xiàn)諧波調(diào)諧的新穎的E/F2，3類放大器優(yōu)選實(shí)施的示意圖；
圖4D是一個(gè)使用雙諧振濾波器以實(shí)現(xiàn)諧波調(diào)諧的新穎的E/F2，3類放大器優(yōu)選實(shí)施的示意圖；圖5是一個(gè)使用推挽式放大器配置實(shí)施本發(fā)明新穎的E/Fodd類放大器優(yōu)選的理論示意圖；圖6是對(duì)于在圖5示出的E/Fodd類推挽放大電路另一種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)理論示意圖，其中該負(fù)載經(jīng)由一個(gè)變壓器耦合到該電路；圖7是一個(gè)E/Fx，odd類推挽式放大器理論示意圖，其是一個(gè)對(duì)在圖5示出電路的改進(jìn)，其中包括調(diào)諧偶次諧波；圖8是一個(gè)對(duì)于E/F2，odd類放大器理論示意圖，其是在圖5示出的推挽放大電路又一個(gè)改進(jìn)，其中包括調(diào)諧二次諧波；和圖9是一個(gè)按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的新穎的準(zhǔn)E/F類放大器電路理論示意圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明通過(guò)在一個(gè)結(jié)構(gòu)中合并某些較好的特點(diǎn)，本發(fā)明與常規(guī)的E類或者F-1類的放大器相比較允許達(dá)到更高的性能。
通常，在有有效的有源器件輸出電容的情況下，本發(fā)明采用E類放大器的電感負(fù)載相位校正技術(shù)以實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)條件，同時(shí)允許某些F-1類放大器的諧波調(diào)諧好處。本發(fā)明通過(guò)調(diào)諧某些類似F-1類的放大器(即，對(duì)于偶次諧波開路，對(duì)于奇次諧波短路)的諧波、同時(shí)允許其余的未調(diào)諧的諧波象在E類放大器中一樣為電容性的而改善有源器件的功效和輸出功率。由于未調(diào)諧的諧波是電容性的，這個(gè)調(diào)諧策略允許該器件電容被容易地結(jié)合進(jìn)E類電路中，并且由于調(diào)諧電路僅需要對(duì)于那些調(diào)諧的諧波調(diào)諧開路或者短路，該電路可以保持相對(duì)地簡(jiǎn)單。象E類放大器一樣，本發(fā)明的放大器可以利用由有限數(shù)量的單元組成的簡(jiǎn)單電路而達(dá)到接近于100％的效率，而隨著調(diào)諧的諧波的數(shù)目接近于無(wú)限，F(xiàn)類和F-1類結(jié)構(gòu)充其量不過(guò)趨近100％。另外，本發(fā)明通過(guò)調(diào)諧基頻以對(duì)器件呈現(xiàn)一個(gè)感性負(fù)載(即，一個(gè)由電感和電阻兩者組成的負(fù)載)允許ZVS操作，這里相對(duì)于電容Cs，該電感和電阻被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整大小，以便偏移未調(diào)諧的諧波的電容影響，并且只是在該開關(guān)關(guān)閉每個(gè)周期之前使得該電壓為零。這個(gè)電感可以通過(guò)放置一個(gè)與負(fù)載串聯(lián)的適當(dāng)大小的電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是也可以使用其他的解決方案，諸如一個(gè)旁路電感器或者傳輸線分段，并且因此是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
一個(gè)上述的優(yōu)選實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在圖4中參見。該開關(guān)功率放大器100包括一個(gè)有源器件。該有源設(shè)備包括一個(gè)基本上起開關(guān)作用的轉(zhuǎn)換部件102(在下文中該術(shù)語(yǔ)“開關(guān)”將與術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)換部件”可互換地使用，以表示基本上起開關(guān)作用的有源設(shè)備部分)和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout。應(yīng)該明白，在下列所有的本發(fā)明的實(shí)施中，該阻抗是相對(duì)于有源設(shè)備的轉(zhuǎn)換部件給出的，因此包括該器件的內(nèi)在的寄生電容。此外，該術(shù)語(yǔ)有源器件要在廣義上理解，包括任何適當(dāng)?shù)娜擞性雌骷?，諸如FET或者CMOS晶體管。
該器件連接到一個(gè)輸出電路負(fù)載網(wǎng)絡(luò)110。該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)與“負(fù)電容”濾波器107串聯(lián)的偶次諧波濾波器108，其是與開關(guān)102和表示為Cs的旁路電容106(其可以等于Cout，開關(guān)的固有電容或者可以是Cout+增加的電容)并聯(lián)的，一個(gè)也與該開關(guān)并聯(lián)的奇次諧波濾波器111，一個(gè)與開關(guān)的輸出端和負(fù)載串聯(lián)的基頻濾波器112，以及增加的電感LL114與該主要電阻負(fù)載116串聯(lián)。在選擇的偶次諧波上該偶次諧波濾波器108基本上呈現(xiàn)短路，并且在其它諧波上呈現(xiàn)開路。因此，在這些諧波上，該“負(fù)電容”濾波器107是與該旁路電容Cs106并聯(lián)的，該“負(fù)電容”濾波器107在這些諧波上具有-1/jωCs的阻抗，該旁路電容Csl06具有1/jωCs的阻抗，從而這二個(gè)單元合成的阻抗基本上等于開路。在選擇的奇次諧波上該奇次諧波濾波器111呈現(xiàn)短路，并且在其它諧波上呈現(xiàn)開路，在這些諧波時(shí)短路該有源器件。該系列基頻濾波器112在基頻時(shí)向該開關(guān)呈現(xiàn)短路，否則呈現(xiàn)開路。表示為電感LL114的相位控制電感被設(shè)置與表示為電阻RL116的電阻負(fù)載串聯(lián)。合起來(lái)，如圖4所示，因此，在基頻(Zin＝(RL+jω0LL)‖(1/jω0Cs)＝Reff+jω0Leff)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)基本上呈現(xiàn)感性負(fù)載，在任意數(shù)量的預(yù)先選擇的偶次諧波(overtone)(Zin＝∞)上基本上呈現(xiàn)開路，在任意數(shù)量的預(yù)先選擇的奇次諧波(Zin＝0)上基本上呈現(xiàn)對(duì)地短路，以及在其余的諧波(Zin＝1/jωCs)上呈現(xiàn)對(duì)地電容性阻抗。
使用這種新穎的技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率放大器將被分類為E/F類放大器。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋了很多放大器族，特定的實(shí)施例可以表示為E/Fn1，n2，n3，etc，類等等，其中不同的腳注表示該放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)具有F-1類阻抗適合于的諧波的編號(hào)。例如，E/F2，3，5類將說(shuō)明一個(gè)具有負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的放大器在基頻呈現(xiàn)給有源器件一個(gè)電感性負(fù)載，在二次諧波呈現(xiàn)開路，在三次和五次諧波呈現(xiàn)短路，以及對(duì)于其余的諧波呈現(xiàn)一個(gè)電容性負(fù)載。
這種新類的放大器的優(yōu)點(diǎn)是很多的，并且可以包括(a)當(dāng)與類似的E類放大器相比時(shí)具有更高的效率和/或輸出功率；(b)當(dāng)與類似的F類或者F-1類放大器相比時(shí)，以可匹敵的或者最佳效率和/或輸出功率降低電路復(fù)雜性；(c)當(dāng)與類似的E類放大器相比時(shí)，降低相對(duì)于直流電壓的峰值電壓；(d)當(dāng)與類似的E類放大器相比時(shí)，降低相對(duì)于直流電流的峰值電流；(e)與F類或者F-1類放大器不同，當(dāng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)時(shí)，允許合并的開關(guān)的寄生電容進(jìn)入該電路。
此外，受控的偶次和奇次諧波的數(shù)目是可以調(diào)整的。與低階諧波相比較，認(rèn)識(shí)到高階諧波傾向于對(duì)功效具有更少的影響，而且該有限的有源器件開關(guān)速度實(shí)際上將降低產(chǎn)生更高頻率的諧波成分，本發(fā)明的E/F類開關(guān)功率放大器可以包括一個(gè)連接到輸出電路的開關(guān)設(shè)備，該輸出電路在基頻上呈現(xiàn)一個(gè)電感性負(fù)載，在選擇的偶次諧波直至第N次諧波上呈現(xiàn)開路，在選擇的奇次諧波直至第N次諧波上呈現(xiàn)對(duì)地短路，以及在其余的諧波直至第N次諧波上呈現(xiàn)電容性負(fù)載。在第N次諧波之上該輸出電路的阻抗可以是任何的阻抗，其中N是一個(gè)等于或者大于3的數(shù)字。
應(yīng)該明白，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)的E類和F類(和/或F-1)功率放大器的性能特征進(jìn)行估量的。雖然當(dāng)調(diào)諧的諧波已經(jīng)完全地短路或者開路時(shí)，該性能通常是最好的，這種狀態(tài)在實(shí)踐中通常是不可能達(dá)到的，設(shè)計(jì)者必須滿足于分別盡可能地降低或者提高阻抗的數(shù)值。因此，除了那些結(jié)合圖4描述的以外，本發(fā)明考慮呈現(xiàn)阻抗的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。因此，例如，圖4的濾波器108、110和112可以設(shè)計(jì)成呈現(xiàn)(a)在選擇的偶次諧波(Zin＞1/jωCs)(但是不一定是無(wú)限的)上阻抗大于由E類放大器給出的阻抗，(b)在選擇的奇次諧波(Zin)上阻抗小于由E類放大器(Zin＜1/jωCs)給出的阻抗，并且在其余的諧波上類似E類電容性的阻抗(Zin≈1/jωCs)。同樣，在基頻上選擇該電感性負(fù)載的電阻和電感，以便達(dá)到ZVS開關(guān)條件。上述的放大器可以被分類為“準(zhǔn)E/F類”功率放大器。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，與在圖4示出的類似的E/F類放大器相似之物相比較，由于他們可以使用更少的元件和更低質(zhì)量的元件，這些放大器可以被更容易地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。與‘實(shí)際的’E/F類放大器相比較，對(duì)于某些應(yīng)用，諸如，除了該有源器件功效和輸出功率以外，當(dāng)設(shè)計(jì)因素(例如，可利用元件的尺寸，低的元件品質(zhì)因數(shù)等等)激發(fā)該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的需求時(shí)，它們甚至可以提供更好的性能。
特定的實(shí)施例本發(fā)明新穎的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以以各種各樣的電路實(shí)現(xiàn)。諸如在圖4示出的單一的有源器件結(jié)構(gòu)可用于以非常直接了當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)E/F結(jié)構(gòu)。例如，可以采用諸如在圖4B示出的電路去構(gòu)成一個(gè)E/F3放大器。該電路由有源器件102′和一個(gè)電感性負(fù)載組成，其中該有源器件102′與一個(gè)旁路電容Cs106′并聯(lián)，同時(shí)一個(gè)串行LC諧振器111′與其連接，該串行LC諧振器111′在三次諧波調(diào)諧為短路，該電感性負(fù)載經(jīng)由在基頻調(diào)諧為諧振的第二個(gè)串行LC諧振器112′。該電感性負(fù)載由要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載RL116′和相位校正電感LL114′組成。扼流圈104′提供到直流電源的連接。因此，通過(guò)在三次諧波提供給該開關(guān)短路，在基頻提供給該開關(guān)一個(gè)電感性負(fù)載，以及在其余諧波提供給該開關(guān)電容性阻抗，該電路滿足該E/F3條件。應(yīng)該理解，該電容Cs可能不是一個(gè)由設(shè)計(jì)者增加的明確的元件，而是可能由該有源器件的寄生輸出電容的部分或者全部而組成。當(dāng)然，這個(gè)電路很多的變化容易地由一個(gè)本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計(jì)，諸如合成基頻諧振器112′的電感和該相位校正電感LL114′為一個(gè)元件，從而減少了元件的數(shù)量。
圖4C示出另一個(gè)單一的有源器件設(shè)計(jì)的例子，在這種情況下，是一個(gè)E/F2，3實(shí)施例。這個(gè)電路由連接到電容Cs的有源器件102″和三個(gè)諧振電路組成。第一個(gè)諧振電路是一個(gè)調(diào)諧到第三次諧波的串行LC濾波器111″，使得在這個(gè)頻率使該有源器件短路。第二個(gè)也是一個(gè)串行LC諧振器113″，調(diào)諧到二次諧波，其連接到與電感115串聯(lián)的該有源器件，該電感115具有值1/4ω02Cs。這個(gè)電路將通過(guò)利用電容Cs在這個(gè)頻率諧振，在二次諧波提供給該有源器件開路。第三個(gè)電路是一個(gè)調(diào)諧到基頻的串行LC諧振器112″，其被連接到一個(gè)由電感LL114″和要驅(qū)動(dòng)的電阻負(fù)載RL116″組成的電感性負(fù)載。扼流圈104″提供到直流電源的連接。因此，通過(guò)在二次諧波開路該有源器件，在三次諧波短路該有源器件，在基頻提供一個(gè)電感性負(fù)載，以及在其余諧波提供電容性阻抗，該電路滿足該E/F2，3條件。同樣，應(yīng)該理解，該電容Cs可能不是一個(gè)由設(shè)計(jì)者增加的明確的元件，而是可能由該有源器件的寄生輸出電容的部分或者全部組成。
如在先前所示的二個(gè)例子中提出的這樣的實(shí)施例不是實(shí)現(xiàn)E/F類放大器唯一的方法。例如，圖4D示出一個(gè)用于E/F2，3替換的實(shí)施例，其使用雙諧振濾波器網(wǎng)絡(luò)118以既實(shí)現(xiàn)二次諧波調(diào)諧又實(shí)現(xiàn)三次諧波調(diào)諧。這樣的一個(gè)濾波器可以僅使用二個(gè)電感L1和L2和一個(gè)電容器C1如圖所示實(shí)現(xiàn)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)也傳送直流電，從而通過(guò)設(shè)置其在有源器件和直流電源之間，其還可以替換該扼流圈。該基頻濾波器、旁路電容和負(fù)載電感與在圖4B和4C中同類的元件相似。
此外，使用推/挽技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常寬域的E/F結(jié)構(gòu)。由于推/挽放大器的偶和奇次諧波的不同的對(duì)稱性，該推/挽方法可以大大地簡(jiǎn)化偶和奇次諧波的調(diào)諧選擇性。在這樣的一個(gè)概念上的在圖5中示出的電路中，該E/F類放大器包括二個(gè)以推挽式結(jié)構(gòu)連接的開關(guān)設(shè)備122、126，每個(gè)分別具有一個(gè)旁路電容器124、128。由電阻132和電感134表示的電感性負(fù)載130和諧振電路140兩者被連接在開關(guān)之間。該濾波器140起以下的作用(a)對(duì)于所有的奇次諧波一同地短路該二個(gè)開關(guān)；(b)在基頻作為一個(gè)開路；和(c)在其余的諧波具有任意的阻抗。為了提供直流電源，一個(gè)或多個(gè)扼流圈142、144可以以這樣的一種方式放置，即使得允許直流進(jìn)入兩個(gè)開關(guān)。
在圖5示出的電路的結(jié)構(gòu)、操作和性能遵循以推挽結(jié)構(gòu)連接的兩級(jí)E/F放大器原理，每個(gè)輔助另一個(gè)以提供適當(dāng)?shù)闹C波調(diào)諧。兩個(gè)開關(guān)被在基頻以經(jīng)典的推挽式方式連接到電感性負(fù)載130，使在這個(gè)頻率上在每個(gè)開關(guān)上的阻抗等于這個(gè)電感性負(fù)載阻抗的一半。該奇次諧波經(jīng)由濾波器彼此被短路，因此由于該推挽式放大器的對(duì)稱特性，每個(gè)實(shí)際上被對(duì)虛擬地短路。這可以容易地看到，由于推/挽放大器的有源器件的奇次諧波電壓必須是相位錯(cuò)開180°，因此如果每個(gè)被短路到另一個(gè)，那么兩個(gè)必須都是零。類似地，由于差動(dòng)對(duì)稱性考慮，負(fù)載和諧振器實(shí)際上在偶次諧波上是從電路上去掉的，在這些頻率上留下每個(gè)有源器件具有僅由其旁路電容Cs組成的電容性負(fù)載。這是因?yàn)橥?挽放大器的偶次諧波電壓是同相的，因此，在這些頻率上經(jīng)由差動(dòng)負(fù)載的電流必須是零，并且對(duì)于這些諧波該差動(dòng)負(fù)載將對(duì)該電路沒(méi)有影響。因此，通過(guò)對(duì)該開關(guān)在所有的奇次諧波提供短路，在所有的偶次諧波提供電容性負(fù)載，以及在基頻提供電感性負(fù)載，該電路滿足E/F類放大的條件。為了表示該放大器在所有的奇次諧波上具有一個(gè)提供對(duì)地短路的F-1阻抗的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，提出E/Fodd類指示，這里odd腳注表示所有的奇次諧波已經(jīng)短路。
這些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提供若干優(yōu)點(diǎn)。僅使用相對(duì)少數(shù)的電路元件，這個(gè)放大器可以以類似于需要很多的元件的單端E/F類放大器的性能構(gòu)成。元件的數(shù)目與要調(diào)諧的奇次諧波階的數(shù)目無(wú)關(guān)。傳統(tǒng)的單端實(shí)施例(即，單個(gè)器件開關(guān)放大器)需要與要控制的諧波的總數(shù)成正比的更多數(shù)量的調(diào)諧元件。
此外，在窄帶應(yīng)用中，該諧振器可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單并行連接的LC諧振器構(gòu)成。使用這種簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)提供了若干優(yōu)點(diǎn)。第一，在這種情況下，僅有一個(gè)元件需要調(diào)諧以短路所有的奇次諧波。對(duì)于單端的解決方案，這將需要調(diào)諧許多的元件，其數(shù)目與要短路的諧波的數(shù)目成正比。
第二，該LC并聯(lián)諧振電路的負(fù)載的Q可以相對(duì)地低，甚至低到一(雖然在非常低的Q情況下，三次諧波不能很好地短路，使這種情況為準(zhǔn)E/F類結(jié)構(gòu))。這允許使用非常低的無(wú)載Q電感，允許使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于類似基于Si(硅)的襯底集成電路應(yīng)用，這里所有的典型電感呈現(xiàn)大約5的非常低的無(wú)載Q值，使得有必要使用低負(fù)載Q濾波器。使用E類或者F類放大器的常規(guī)的方法通常需要具有至少3的負(fù)載Q的濾波器。
第三，在負(fù)載中的串行電感可以表示為一個(gè)等效的并聯(lián)電感并且結(jié)合進(jìn)該LC諧振電路(tank)中，進(jìn)一步降低元件的數(shù)目。
在一個(gè)對(duì)于圖5示出的電路的變異中，圖6示出又一個(gè)功率放大器電路150的新穎的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其利用以推挽結(jié)構(gòu)連接的二個(gè)開關(guān)設(shè)備152、156實(shí)現(xiàn)該E/F類放大器，每個(gè)分別具有一個(gè)旁路電容器154、158。尤其是，連接在開關(guān)之間的是變壓器的初級(jí)170和諧振電路160兩者，其對(duì)于所有的奇次諧波一起短路該二個(gè)開關(guān)，在基頻呈現(xiàn)一個(gè)開路，以及在其余的諧波具有任意的阻抗。連接到變壓器次級(jí)繞組172的是一個(gè)RL負(fù)載162。為了提供直流電勢(shì)，一個(gè)扼流圈174(或者一個(gè)以上)被以這樣的一種方式放置，使得允許直流進(jìn)入兩個(gè)開關(guān)。由于在恰當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q之后，負(fù)載電感164和諧振電路160可以被連接在該變壓器初級(jí)170或者次級(jí)繞組172電路的任一側(cè)上，這個(gè)電路的若干變異將由那些本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)可。另外，該負(fù)載電感也可以被結(jié)合進(jìn)該諧振器電感。如果需要的話，該變壓器的寄生電感可以被用作在諧振電路170和用于該負(fù)載電感164的單元，降低部件數(shù)量，并且允許將結(jié)合變壓器的寄生考慮進(jìn)該結(jié)構(gòu)。
這樣的放大器的結(jié)構(gòu)、操作以及性能完全遵循如上所述的E/Fodd類推挽式放大器的原理。除了在圖5示出的結(jié)構(gòu)中描述的優(yōu)點(diǎn)之外，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中(a)該輸出負(fù)載是與該開關(guān)電路和電源DC隔離的；(b)該輸出負(fù)載可以以不均衡方式連接；和(c)該變壓器的匝數(shù)比可用于幫助該開關(guān)的輸出阻抗和該負(fù)載阻抗相配。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可以使用與在圖5和6示出的每個(gè)開關(guān)電路并聯(lián)的附加調(diào)諧電路，以便有選擇地開路許多的偶次諧波。圖7示出一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的電路180的示意圖，以及可允許的實(shí)施策略。通過(guò)分別在不同的偶次諧波上設(shè)置附加的電路210/212和220/222，其提供與開關(guān)設(shè)備182和186以及并聯(lián)電容184和188并聯(lián)的的適當(dāng)電感性阻抗，該E/Fodd類放大器概念上可以擴(kuò)展為也允許用于許多偶次諧波的開路，提供電勢(shì)額外的性能好處。對(duì)于這樣的放大器提出E/Fn1，n2，…，odd類指示，這里該數(shù)字腳注標(biāo)識(shí)要開路的偶次諧波。除了相對(duì)于在圖5和6示出的電路描述的好處之外，這個(gè)改進(jìn)對(duì)于E/Fodd類提供增加的效率。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，作為新的放大器類，本發(fā)明擁有基本上無(wú)限數(shù)量的特定的E/F類網(wǎng)絡(luò)。但是，出于實(shí)際的設(shè)計(jì)考慮，本發(fā)明具體地公開了若干低階諧波調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。具體地說(shuō)，這些網(wǎng)絡(luò)包括介紹的那些(a)在二次諧波基本上為開路；(b)在三次諧波基本上為短路；(c)在三次諧波基本上為短路并且在二次諧波基本上為開路；(d)在四次諧波基本上為開路；(e)在第二和第四諧波基本上為開路；(e)在第三諧波基本上為短路并且在第四諧波基本上為開路；(f)在第三諧波基本上為短路并且在第二和第四諧波基本上為開路；(g)在所有的奇次諧波直至第N次諧波上基本上為短路，其中N大于或等于5；和(h)在所有的奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路，在每個(gè)基頻的預(yù)定數(shù)量NE的偶次諧波直至第N次諧波上基本上為開路，在其余的諧波直至第N次諧波上基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5并且0＜NE≤(N-2)/2。因此，應(yīng)該理解，調(diào)諧其他數(shù)量的偶次和/或奇次諧波的很多的其他網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的電路在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
在又一個(gè)改進(jìn)中，在圖5示出的電路尺寸和放大器的損耗可以通過(guò)從供電電壓到相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備以二個(gè)電感替換DC饋送扼流圈而減小。如圖8所示，如果每個(gè)電感230，232分別做成隨開關(guān)設(shè)備的并聯(lián)電容器Cs124′和128′在二次諧波諧振，由于該扼流圈的串聯(lián)電阻，所得的E/F2，odd類放大器得益于減小的開關(guān)損耗和可能降低的損耗。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)寬帶E/Fodd類開關(guān)放大器可以以這樣的一種方式構(gòu)成，即相對(duì)于該開關(guān)在從f1到f2的切換頻率范圍內(nèi)具有E/Fodd類阻抗，這里f2＜3f1。如圖5所示，該電路由二個(gè)以推挽結(jié)構(gòu)連接的開關(guān)設(shè)備組成，每個(gè)具有一個(gè)旁路電容器。在該開關(guān)之間連接有電阻負(fù)載和諧振電路兩者，其對(duì)于所有大于或等于3f1的頻率一同地短路該二個(gè)開關(guān)，并接近需要的電感以滿足從f1到f2的該ZVS要求。為了提供直流電勢(shì)，一個(gè)或多個(gè)扼流圈可以以這樣的一種方式設(shè)置，使得允許直流進(jìn)入兩個(gè)開關(guān)。以這種方法構(gòu)成的電路如結(jié)合圖5描述的那樣在從f1到f2切換頻率范圍上工作。
圖9示出一種新穎的準(zhǔn)E/F3類放大器的實(shí)施例，該放大器由一個(gè)具有并聯(lián)電容器302的開關(guān)或者晶體管300組成。經(jīng)由一個(gè)扼流圈304它們被連接到電源。該開關(guān)或者晶體管經(jīng)由一個(gè)在二次諧波上的LC并聯(lián)諧振電路306被串聯(lián)連接到負(fù)載310。如果應(yīng)用需要其的話，可以增加一個(gè)濾波電路以避免高階諧波干擾至該負(fù)載。在該元件參數(shù)被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整之后，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在基頻提供給開關(guān)或者晶體管一個(gè)電感性負(fù)載，在二次諧波提供電容性負(fù)載，在三次諧波提供低阻抗，以及在更高次諧波提供不受控制的低阻抗。這符合準(zhǔn)E/F類放大器的需求并且提供若干優(yōu)點(diǎn)。第一，這種改變的準(zhǔn)E/F類電路可以實(shí)現(xiàn)使用相對(duì)少數(shù)量的元件。第二，與傳統(tǒng)的ZVS F類放大器相比在該電路中僅有一個(gè)調(diào)諧元件。第三，該LC并聯(lián)諧振電路的負(fù)載Q可以非常地低，并且可以低到一。這允許使用非常低的無(wú)載Q電感，允許使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于類似基于Si(硅)的襯底集成電路應(yīng)用，這里所有的典型電感呈現(xiàn)大約5的非常低的Q。使用E類或者F類放大器的常規(guī)的方法需要具有至少3的負(fù)載Q的電感。此外，由于該調(diào)諧回路是一個(gè)并聯(lián)LC，而不是在E類放大器中的典型的串聯(lián)LC，需要的電感被大大地降低。當(dāng)該電感的尺寸是限制減少放大器尺寸和重量的因素時(shí)，這是有吸引力的。
在本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的又一個(gè)變異中，本發(fā)明的E/F類放大器可以調(diào)諧去以線性模式在低的輸出功率電平上工作，諸如A類、A/B類或者B類，以及在更高的輸出功率電平上以E/F開關(guān)方式工作。通過(guò)改變輸入功率和/或偏置條件可以改變輸出功率和工作方式。以這種方法，可以在較高的功率電平上構(gòu)成一個(gè)具有高效率優(yōu)點(diǎn)的E/F類的放大器，同時(shí)通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)條件允許調(diào)制或者改變?cè)撦敵龉β省?br> 已經(jīng)就此描述了本發(fā)明示范的實(shí)施例，很明顯，對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)同樣想到進(jìn)一步的改變、修改和改進(jìn)。此外，顯然是，目前描述的電路和器件不局限于任何特定類型的轉(zhuǎn)換有源開關(guān)技術(shù)、物質(zhì)系統(tǒng)或者對(duì)于所有的特別速度、頻率范圍或者工作的功率電平。相反地，已經(jīng)描述了一個(gè)寬廣類的放大器和相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電路和元件類型和值的實(shí)際實(shí)施對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，本發(fā)明僅僅由以下的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種高效率開關(guān)功率放大器，用于放大具有至少一個(gè)基頻的高頻輸入信號(hào)，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，包括(a)一個(gè)高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout；和(b)一個(gè)連接到該有源器件的混合E/F類的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中的所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性的負(fù)載；(ii)在每個(gè)基頻的預(yù)定數(shù)目NE的偶次諧波、直至第N次諧波上的基本開路；(iii)對(duì)于每個(gè)基頻在預(yù)定數(shù)目No的奇次諧波、直至第N次諧波上的基本短路；和(iv)在其余的諧波直至第N次諧波上基本上為電容性的阻抗負(fù)載，其中N≥3和1≤NE+No≤N-2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的放大器，其中如果NE＝1，那么No＞0。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的放大器，其中該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)包括具有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的雙端口濾波網(wǎng)絡(luò)，該輸入端口連接到該有源器件，以及該輸出端口連接到該負(fù)載。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)功率放大器，其中該混合式的E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在工作基頻上基本上為電感性的負(fù)載；(ii)在基頻的預(yù)先確定數(shù)目的偶次諧波上基本開路；(iii)在基頻的預(yù)先確定數(shù)目的奇次諧波上基本短路；和(iv)在其余的諧波上基本上為電容性的阻抗。
6.一種用于放大高頻輸入信號(hào)并且適合于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的高效開關(guān)功率放大器，該高頻輸入信號(hào)具有至少一個(gè)基頻f0，包括(a)一個(gè)高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout；和(b)一個(gè)連接到該有源器件的混合式E/F類的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中的所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換元件提供(i)在每個(gè)工作基頻上基本上為電感性的負(fù)載，其導(dǎo)致該有源器件基本上為零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)操作；(ii)在每個(gè)基頻的預(yù)先確定數(shù)目NE的偶次諧波上、阻抗值基本上大于1/(2πfCs)的阻抗；(iii)在每個(gè)基頻的預(yù)先確定數(shù)目No的奇次諧波上、阻抗值基本上小于1/(2πfCs)的阻抗；和(iv)在每個(gè)基頻的其余的諧波上、阻抗值基本上等于1/jωCs的阻抗；其中Cs＝Cout+Cadded，這里Cadded≥0，并且NE≥0，No≥0，并且調(diào)諧的諧波的總數(shù)NE+No至少是1，并且小于基本上存在于該有源器件的至少一個(gè)電壓和電流信號(hào)波形之中諧波頻率的總數(shù)。
7.一種高效率開關(guān)功率放大器，用于放大具有至少一個(gè)基頻的高頻輸入信號(hào)，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，包括(a)第一高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout1；(b)第二高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout2；和(c)一個(gè)混合式的三個(gè)端口E/F類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，其具有(i)連接到該第一有源器件的第一端口；(ii)連接到該第二有源器件的第二端口；和(iii)連接到該負(fù)載的第三端口；當(dāng)該第一和第二有源器件被以推挽結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)向這些有源器件的轉(zhuǎn)換部件提供一個(gè)有效的輸入阻抗，其提供(i)在所有的基頻上與該基本電阻性的負(fù)載串聯(lián)的基本上為電感性的負(fù)載；(ii)在對(duì)于每個(gè)基頻的一個(gè)或多個(gè)偶次諧波直至第N次諧波上的基本開路；(iii)在對(duì)于每個(gè)基頻的一個(gè)或多個(gè)奇次諧波直至第N次諧波上基本短路；和(iv)在其余的諧波直至第N次諧波上的基本容性阻抗負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的放大器，進(jìn)一步包括一個(gè)連接到該二個(gè)有源器件的輸出端和負(fù)載的變壓器，使得經(jīng)由該變壓器該負(fù)載從該二個(gè)有源器件的輸出端被直流隔離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該負(fù)載網(wǎng)絡(luò)配置成為具有基頻范圍為從f1到f2的輸入信號(hào)提供寬頻帶調(diào)諧，使得f2≥f≥f1，這里f2＜3f1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中的所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性負(fù)載；(ii)在第二諧波基本上為開路；和(iii)在其余的諧波直至第N次諧波上基本上為電容性阻抗負(fù)載，這里N≥3。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中的所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性的負(fù)載；(ii)在第三諧波基本上為短路；和(iii)在其余的諧波直至第N次諧波上基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥3。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中的所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性負(fù)載；(ii)在第三諧波基本上為短路；(iii)在第二諧波基本上為開路；和(iv)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性負(fù)載；(ii)在第四諧波基本上為開路；和(iii)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換部件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性負(fù)載；(ii)在第二和第四諧波基本上為開路；和(iii)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換元件提供(i)在每個(gè)基頻上基本上為電感性負(fù)載；(ii)在第三諧波基本上為短路；(iii)在第四諧波基本上為開路；和(iv)在其余的諧波直至第N次諧波上基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥4。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換元件提供(i)在每個(gè)基頻上基本為電感性負(fù)載；(ii)在第三諧波基本上為短路；(iii)在第二和第四諧波基本上為開路；和(iv)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換元件提供(i)在每個(gè)基頻上基本為電感性負(fù)載；(ii)在所有的奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路；(iii)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的放大器，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置為在基本上存在于該有源器件的電壓和電流信號(hào)波形的至少一個(gè)之中所有的諧波頻率上向該轉(zhuǎn)換元件提供(i)在每個(gè)基頻上基本為電感性負(fù)載；(ii)在所有的奇次諧波直至第N次諧波基本上為短路；(iii)在對(duì)于每個(gè)基頻的預(yù)定數(shù)目NE的偶次諧波直至第N次諧波上基本上為開路；(iv)在其余的諧波直至第N次諧波基本上為電容性阻抗負(fù)載，其中N≥5，并且0＜NE＜(N-2)/2。
19.一種準(zhǔn)E/F3類的高效放大器，用于放大具有至少一個(gè)基頻的輸入信號(hào)，并且適合于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，包括(a)一個(gè)高速有源器件，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)換部件，其基本上起一個(gè)開關(guān)作用，和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout；和(b)一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，其在基頻的二次諧波上諧振；該有源器件經(jīng)由該LC并聯(lián)諧振電路被串聯(lián)連接至該負(fù)載。
20.一種以高速有源器件放大一個(gè)RF信號(hào)的方法，該高速有源器件包括一個(gè)基本上起作為開關(guān)作用的轉(zhuǎn)換部件和一個(gè)與該轉(zhuǎn)換部件并聯(lián)的寄生電容Cout，包括以一個(gè)高速有源器件放大該信號(hào)；調(diào)諧該放大的信號(hào)以在基頻提供基本上為電感性負(fù)載給該有源器件；調(diào)諧該放大的信號(hào)以在選擇的偶次諧波上向該有源器件提供基本開路；調(diào)諧該放大的信號(hào)以在選擇的奇次諧波上向該有源器件提供基本短路；和對(duì)于沒(méi)有選擇的諧波向該有源器件提供基本為電容性的負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一個(gè)新的開關(guān)放大器類族，稱作“E/F類放大器”。這些放大器通常其特征在于它們使用零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)相位校正技術(shù)，以消除通常與作為在E類放大器中使用的開關(guān)設(shè)備的固有電容有關(guān)的損耗，通過(guò)在選擇的諧波給出F
文檔編號(hào)H03F3/217GK1479969SQ01820339
公開日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月10日
發(fā)明者斯科特·戴維·基, 青木一朗, 賽德－阿里·赫杰米里, 戴維·拉特利奇, ⒗鎩ず戰(zhàn)苊桌, 拉特利奇, 斯科特 戴維 基, 朗 申請(qǐng)人:加利福尼亞技術(shù)協(xié)會(huì)