專利名稱：層疊的rf功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率放大器。尤其，本發(fā)明涉及層疊的RF功率放大器。
背景技術(shù)：
在功率放大器的一些應(yīng)用中，希望提供固定的外殼(envelope)。例如，諸如GSM/DCS之類的一些蜂窩標(biāo)準(zhǔn)需要固定的外殼。圖1示出了E類功率放大器設(shè)計(jì)的典型現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其提供了具有固定外殼的輸出。圖1示出了功率放大器10，該功率放大器10放大RF輸入信號(hào)(RFIN)以提供輸出信號(hào)給天線16。功率放大器10包括連接在輸入信號(hào)RFIN和開關(guān)設(shè)備Q1之間的預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12，該開關(guān)設(shè)備Q1實(shí)質(zhì)上作為開關(guān)來工作。開關(guān)設(shè)備Q1與電感器L1、電容器C1、和變換網(wǎng)絡(luò)14連接。由電池提供電壓源VBAT。為了實(shí)現(xiàn)高效率，變換網(wǎng)絡(luò)14、電感器L1和電容器C1被調(diào)諧以提供圖2中所示的波形(在節(jié)點(diǎn)VD)。圖2是在節(jié)點(diǎn)VD的電壓與時(shí)間的曲線。在圖2中，所示波形的峰值電壓將大約為電源電壓VBAT的3-4倍。
目前，典型的蜂窩電話電池提供范圍為3.0-3.5伏的電壓，該電壓是基于鋰離子電池或3個(gè)鎳鉻電池的電壓。在電源電壓VBAT為3.5伏時(shí)，E類功率放大器的峰值電壓(例如，圖1中節(jié)點(diǎn)VD上的電壓)將大約為10.5-14.0伏。對(duì)高電壓和高截止頻率fT的需求意味著使用諸如砷化鎵(GaAs)雙極性、FET、LDMOS FET或硅鍺(SiGe)雙極性之類的特殊技術(shù)設(shè)備來滿足這些需求。當(dāng)試圖在CMOS中集成功率放大器時(shí)，上述需求引起巨大的問題，這是因?yàn)槟軌蛞訥Hz頻率運(yùn)行的CMOS晶體管具有小于5伏的最大峰值電壓。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)說明性實(shí)施例的RF功率放大器包括在集成電路中制造的兩個(gè)功率放大器。在這個(gè)例子中，功率放大器以層疊布置被連接。每個(gè)功率放大器都包括開關(guān)設(shè)備，該開關(guān)設(shè)備與另一功率放大器的開關(guān)設(shè)備電隔離。
本發(fā)明的另一說明性實(shí)施例提供了一種制造層疊的RF功率放大器的方法。該層疊的RF功率放大器在CMOS集成電路上制造，同時(shí)使第一功率放大器的開關(guān)設(shè)備與第二功率放大器的開關(guān)設(shè)備電隔離。在一個(gè)例子中，使用深N阱隔離開關(guān)設(shè)備。
從附圖和隨后的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


本發(fā)明通過例子來說明，并且本發(fā)明不限于附圖，在附圖中相似的參考標(biāo)記表示類似的元件，其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)E類的功率放大器。
圖2是圖1中節(jié)點(diǎn)VD的電壓與時(shí)間的曲線。
圖3是非集成層疊的E類功率放大器的圖。
圖4是集成層疊的E類RF功率放大器的圖。
圖5是說明在IC上形成的本發(fā)明的兩個(gè)隔離開關(guān)設(shè)備的圖。
圖6是使用圖5中所示的開關(guān)設(shè)備M1和M2構(gòu)建的集成層疊的功率放大器的圖。
圖7-10說明了使用本發(fā)明的隔離技術(shù)的多個(gè)功率放大器的例子。
圖11-12說明了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中使用N-原材料構(gòu)建集成電路。
具體實(shí)施例方式
為了提供用于理解這個(gè)描述的內(nèi)容，下面的描述說明了本發(fā)明的典型應(yīng)用的一個(gè)例子。使用本發(fā)明的隔離技術(shù)的功率放大器可以用于任何期望的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括諸如移動(dòng)或蜂窩通信設(shè)備或其他無線設(shè)備之類的無線傳輸系統(tǒng)。在無線設(shè)備中，無線設(shè)備包括收發(fā)信機(jī)、天線雙工器和天線。RF功率放大器連接在收發(fā)信機(jī)和天線雙工器之間，用于放大經(jīng)由天線傳輸?shù)男盘?hào)。在無線電話應(yīng)用的情況下，本發(fā)明可以應(yīng)用于GSM、CDMA、PCS、DCS等或任何其他無線系統(tǒng)。這僅僅是使用本發(fā)明的功率放大器的應(yīng)用的一個(gè)例子。本發(fā)明也可以用于需要功率放大器的任何其他應(yīng)用中。
通常，本發(fā)明提供用于電隔離在層疊的RF功率放大器中的開關(guān)設(shè)備的技術(shù)，這防止開關(guān)設(shè)備遭受高的擊穿電壓。在一個(gè)例子中，一個(gè)或多個(gè)開關(guān)設(shè)備形成在深N阱中，該深N-阱將開關(guān)設(shè)備與在該深N阱之外的開關(guān)設(shè)備隔離。下面是本發(fā)明示例的詳細(xì)描述。
圖3是非集成層疊的E類功率放大器的圖，該E類功率放大器例如可以用于非常高的功率基站應(yīng)用。圖3示出了功率放大器10，該功率放大器10放大RF輸入信號(hào)(RF IN)以提供輸出信號(hào)給天線16。該功率放大器10包括在RF IN和第一變壓器T1之間連接的預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12，該第一變壓器T1還與第二變壓器T2連接。每個(gè)變壓器T1和T2與層疊的功率放大器10的并聯(lián)放大器之一連接。變壓器T2與開關(guān)設(shè)備Q1和變壓器T3連接。變壓器T1與開關(guān)設(shè)備Q2和變壓器T4連接。變壓器(或平衡-不平衡變壓器)被用于輸入耦合和輸出耦合，因?yàn)閷?duì)于非常高的功率應(yīng)用來說這個(gè)功率放大器的尺寸和成本不是主要關(guān)心的問題。這些類型的應(yīng)用能夠利用非常高的電源電壓(例如，20-50伏)和多個(gè)層疊的并聯(lián)功率放大器來工作，這將電壓量限制到每個(gè)單獨(dú)晶體管所經(jīng)受的數(shù)量。然而，圖3所示的技術(shù)可能在集成的CMOS功率放大器中不工作，這是因?yàn)樵摷呻娐穼⒕哂信c地連接的公共襯底。下面更加詳細(xì)地討論這個(gè)問題。
如上所述，如果非集成層疊的E類功率放大器(例如，圖3)被集成在CMOS半導(dǎo)體設(shè)備中，則在最終功率放大器中的開關(guān)設(shè)備將具有擊穿電壓的問題。圖4是集成層疊的E類RF功率放大器的圖，該功率放大器被用于說明將層疊的功率放大器集成到集成電路所遇到的問題。圖4示出了具有兩個(gè)并聯(lián)放大器的差分E類功率放大器10，每個(gè)放大器具有開關(guān)設(shè)備M1，M2和電感器L1，L2。為了清楚起見，圖4省略了任一預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路。取決于功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)14如何執(zhí)行，對(duì)功率放大器10的輸入可以是同相或異相。差分輸出VD1和VD2與功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)14連接，該功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)14與天線16連接。在電池電壓(VBAT)為3.5伏的圖4中所示的示例中，節(jié)點(diǎn)18的電壓將大約為VBAT的一半或者為1.75伏。節(jié)點(diǎn)VD2的峰值電壓將小于5.2伏，這允許圖4的電路在CMOS中執(zhí)行。然而，圖4所示的示例的一個(gè)問題是節(jié)點(diǎn)VD1的峰值電壓升高到大約7伏，這將引起開關(guān)設(shè)備M2的漏極-襯底或柵極-襯底的擊穿問題。如圖4的連接20所說明的，如果圖4的電路被形成在集成電路上，則開關(guān)設(shè)備M1和M2的晶體管主體被彼此隔離。
如上所述，本發(fā)明通過電隔離在層疊的功率放大器中的兩個(gè)或多個(gè)開關(guān)設(shè)備解決了上面討論的問題。在CMOS的最新一代和其他技術(shù)中，“深N阱”或“三阱”是可得到的。通常，當(dāng)使用深N阱時(shí)，存在三個(gè)阱N阱、P阱和深N阱。深N阱被研發(fā)以解決RF隔離問題，但是用于本發(fā)明以允許層疊的CMOS功率放大器的集成。圖5是說明在集成電路(IC)上形成的本發(fā)明的兩個(gè)隔離開關(guān)設(shè)備的圖。在圖5中，深N阱26形成在P-襯底24中。P阱28形成在深N阱26中。圖5示出了在IC22上形成的兩個(gè)NMOS開關(guān)設(shè)備M1和M2。開關(guān)設(shè)備M1被埋入在P-襯底24中，以便IC22的P-襯底24用作開關(guān)設(shè)備M1的晶體管主體。開關(guān)設(shè)備M2被埋入在深N阱26內(nèi)，該深N阱26將P-襯底24與P阱或P-襯底28隔離。由于開關(guān)設(shè)備M2被形成在深N阱26中，所以開關(guān)設(shè)備M2的晶體管主體(P-襯底28)與開關(guān)設(shè)備M1的晶體管主體(P-襯底26)電隔離。圖5還示出了例如與開關(guān)設(shè)備M2的源極或與VBAT連接的深N阱偏壓(NW BIAS)。
注意，還可以使用其他技術(shù)來隔離開關(guān)設(shè)備M1和M2。除了深阱之外，可以通過任何其他襯底隔離技術(shù)或電分離開關(guān)設(shè)備的晶體管主體的任何技術(shù)來提供隔離。在另一示例中，可以通過使用利用N-原材料而不是P-原材料制造的半導(dǎo)體形成P阱(下面詳細(xì)描述)。在另一示例中，使用絕緣體上硅(SOI)技術(shù)(使用用于IC的結(jié)晶硅和氧化硅的半導(dǎo)體制造技術(shù))提供隔離。而且，還提供另外的隔離。例如，可以使用第二深N阱以便兩個(gè)開關(guān)設(shè)備與主襯底隔離。而且，對(duì)于具有多個(gè)層疊放大器的功率放大器，可以隔離任何期望數(shù)目的開關(guān)設(shè)備。
圖6是使用圖5所示的開關(guān)設(shè)備M1和M2構(gòu)建的集成層疊的E類功率放大器的圖。圖6示出了類似圖4所示的功率放大器的功率放大器，除了如上所述使用深N阱來彼此電隔離開關(guān)設(shè)備M1和M2之外。由于開關(guān)設(shè)備M1和M2被隔離，所以沒有擊穿電壓的問題。
圖7-圖10使用本發(fā)明的隔離技術(shù)說明了多個(gè)功率放大器設(shè)計(jì)的示例。圖7和圖8說明了單端功率放大器設(shè)計(jì)的示例。圖9和圖10說明差分功率放大器設(shè)計(jì)的示例。
圖7示出了類似圖6所示的功率放大器的功率放大器10，而且說明示例性的功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)以及輸入網(wǎng)絡(luò)。圖7的功率放大器10包括兩個(gè)層疊的功率放大器，每個(gè)功率放大器具有開關(guān)設(shè)備M1，M2以及電感器L1，L2。RF輸入信號(hào)RF IN被提供給預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12，該預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12具有彼此相位差為180度的兩個(gè)輸出。包括開關(guān)設(shè)備M3，M4和電感器L3和L4的預(yù)放大器耦合在層疊的功率放大器和預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12之間。預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12的一個(gè)輸出與開關(guān)設(shè)備M3的柵極耦合。預(yù)驅(qū)動(dòng)器電路12的另一輸出經(jīng)由電容器C4和電阻器R1與開關(guān)設(shè)備M4的柵極耦合。輸出節(jié)點(diǎn)VD1和VD2經(jīng)由功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)14與天線16耦合。功率組合和變換網(wǎng)絡(luò)14包括電感器L5和L6以及電容器C5和C8。圖7還示出了串聯(lián)電壓調(diào)整器，該串聯(lián)電壓調(diào)整器包括與電壓源VBAT耦合的開關(guān)設(shè)備M5。
圖8示出了本發(fā)明的單端功率放大器設(shè)計(jì)的第二示例。圖8所示的功率放大器類似于圖7所示的功率放大器，具有與輸出網(wǎng)絡(luò)耦合的變壓器。在圖8中，用變壓器T6和T5代替電感器L1和L2。變壓器T6和T5的次級(jí)側(cè)經(jīng)由包括電感器L7和電容器C11和C12的變換網(wǎng)絡(luò)14與天線16耦合。
圖9示出了本發(fā)明的差分功率放大器的示例。在圖9中，第一功率放大器10和第二功率放大器10’被不同地連接，如圖所示的。圖9的功率放大器10和10’彼此相同，盡管它們由彼此相位差為180度的RF輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)功率放大器10和10’與圖7和圖8所示的功率放大器相同，除了輸出網(wǎng)絡(luò)之外。功率放大器10的輸出節(jié)點(diǎn)VD1和VD2與電感器L8和L9連接。功率放大器10’的輸出節(jié)點(diǎn)VD1’和VD2’與電容器C15和C16連接。電感器L8和電感器L9以及電容器C15和C16經(jīng)由電容器C17和C18和電感器L10與天線16耦合。
圖10示出了本發(fā)明的差分功率放大器設(shè)計(jì)的第二示例。在圖10中，第一功率放大器10和第二功率放大器10’被不同地連接，如圖所示的。功率放大器10和10，與圖9所示的功率放大器相同，除了輸出網(wǎng)絡(luò)之外。另外，為了清楚起見，在圖10中沒有示出預(yù)驅(qū)動(dòng)器和前置放大器。在圖10中，功率放大器10的輸出節(jié)點(diǎn)VD1和VD2與電容器C22和電感器L11連接。功率放大器10’的輸出節(jié)點(diǎn)VD1’和VD2’與電感器L12和電容器C21連接。電感器L11和電感器L12以及電容器C21和C22經(jīng)由電容器C19和C20和電感器L13與天線16耦合。注意，圖9-圖10所示的功率放大器除了附圖所示的示例之外，還使用其他的輸出變換網(wǎng)絡(luò)。
圖11-圖12說明了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中使用N-原材料構(gòu)建集成電路。圖11示出了類似于上述放大器的層疊的功率放大器10。功率放大器10具有包括開關(guān)設(shè)備M1和電感器L1的第一放大器；以及包括開關(guān)設(shè)備M2和電感器L2的第二放大器。圖12是說明在IC30中實(shí)現(xiàn)圖11的功率放大器的圖。使用N-原材料而不是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的P-原材料(例如，圖5)構(gòu)建IC30。在這個(gè)示例中，開關(guān)設(shè)備M1和M2是NMOS晶體管，并且形成在IC30的兩個(gè)P阱32和34內(nèi)。N-原材料構(gòu)建的IC30允許晶體管彼此隔離，這允許構(gòu)造上述的層疊功率放大器設(shè)計(jì)。
在前面的詳細(xì)描述中，參考其特定典型實(shí)施例描述本發(fā)明。在不偏離權(quán)利要求所列出的本發(fā)明的較寬精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種修改和改變。因此，說明書和附圖是說明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種RF功率放大器，包括集成電路；在集成電路上形成的第一功率放大器，該第一功率放大器具有第一開關(guān)設(shè)備；在集成電路上形成的第二功率放大器，該第二功率放大器具有第二開關(guān)設(shè)備，其中在電壓源和地之間以層疊布置的方式連接第一和第二功率放大器；以及其中第一和第二開關(guān)設(shè)備彼此電隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的RF功率放大器，其中通過隔離第一和第二開關(guān)設(shè)備的主體來電隔離第一和第二開關(guān)設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的RF功率放大器，其中通過在深N阱中形成開關(guān)設(shè)備之一來隔離第一和第二開關(guān)設(shè)備的主體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的RF功率放大器，其中偏置電壓被施加到深N阱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的RF功率放大器，其中通過使用N-原材料形成集成電路來隔離第一和第二開關(guān)設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的RF功率放大器，其中使用絕緣體上硅技術(shù)來隔離第一和第二開關(guān)設(shè)備的主體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的RF功率放大器，還包括在集成電路上形成的第三功率放大器，該第三功率放大器具有第三開關(guān)設(shè)備，其中第一、第二和第三開關(guān)設(shè)備彼此電隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的RF功率放大器，其中使用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成電路。
9.一種制造層疊的RF功率放大器的方法，包括提供CMOS集成電路；在CMOS集成電路上形成第一和第二層疊的功率放大器，其中第一和第二層疊的功率放大器的每一個(gè)都包括至少一個(gè)開關(guān)設(shè)備；以及電隔離第一功率放大器的開關(guān)設(shè)備與第二功率放大器的開關(guān)設(shè)備。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中電隔離第一功率放大器的開關(guān)設(shè)備與第二功率放大器的開關(guān)設(shè)備的步驟包括隔離第一開關(guān)設(shè)備的主體與第二開關(guān)設(shè)備的主體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括在集成電路中形成深N阱。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中使用深N阱形成第二功率放大器的開關(guān)設(shè)備以提供與第一功率放大器的開關(guān)設(shè)備的隔離。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括施加偏置電壓給深N阱。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括使用絕緣體上硅技術(shù)以隔離第一開關(guān)設(shè)備的主體與第二開關(guān)設(shè)備的主體。
15.一種層疊的RF功率放大器，包括集成電路；第一和第二層疊的功率放大器，其中每個(gè)功率放大器都包括具有襯底的至少一個(gè)開關(guān)設(shè)備；以及其中在第一功率放大器中的開關(guān)設(shè)備的主體與第二功率放大器的開關(guān)設(shè)備的主體電隔離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的層疊的RF功率放大器，其中通過在深N阱中形成開關(guān)設(shè)備之一來提供隔離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的層疊的RF功率放大器，其中施加偏置電壓給深N阱。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的層疊的RF功率放大器，其中通過使用N-原材料形成集成電路和在P阱中形成開關(guān)設(shè)備來提供隔離。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的層疊的RF功率放大器，其中使用絕緣體上硅技術(shù)提供隔離。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的層疊的RF功率放大器，其中使用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成電路。
21.一種在集成電路上形成的層疊的RF功率放大器，包括在集成電路上形成的第一晶體管，所述第一晶體管具有晶體管主體；在集成電路上形成的第二晶體管，所述第一晶體管具有晶體管主體；以及其中第一晶體管的晶體管主體與第二晶體管的晶體管主體隔離。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的層疊的RF功率放大器，其中通過在深N阱中形成多個(gè)晶體管之一來隔離第一和第二晶體管的晶體管主體。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的層疊的RF功率放大器，還包括以下步驟使用N-原材料形成集成電路；以及在集成電路的P阱中形成第一和第二晶體管。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的層疊的RF功率放大器，其中使用絕緣體上硅技術(shù)隔離第一和第二晶體管的晶體管主體。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的層疊的RF功率放大器，其中使用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成電路。
全文摘要
本發(fā)明的方法和裝置提供了一種用于在層疊的RF功率放大器中電隔離開關(guān)設(shè)備M1，M2的技術(shù)，這防止開關(guān)設(shè)備M1，M2遭受高的擊穿電壓。所提供的隔離允許功率放大器在集成電路上實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H03F3/24GK1898860SQ200480034839
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者T·J·迪皮斯, S·A·保羅 申請(qǐng)人:硅實(shí)驗(yàn)室公司