CN100466462C - 射频放大器的动态偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种射频放大器的动态偏置电路，包括有源元件，具有与二极管相同的电流电压特性，其阴极是偏置电路的输出端且连接至放大晶体管的控制电极；直流电压源，具有两端且其中一端接地；以及耦合元件，控制泄漏信号的大小，泄漏信号与输入信号耦合，且驱动偏置电路；其中耦合元件的一端连接至有源元件的阳极，另一端连接至直流电压源的未接地端。本发明的动态偏置电路当输入功率增加时自动提高直流偏置点，避免了截止区的输出功率饱和。不仅改善了射频放大器的工作特性，同时其内部电路为零功率耗损。而且，它有简单的电路结构，此电路结构具有极少的电路零件和缩小化的芯片面积。因此能够容易地与放大器整合，减少成本。

Description

射频放大器的动态偏置电路
技术领域
本发明涉及一种放大器(amplifier)的偏置电路(bias circuit)，特别涉及一种射频(radio frequency，RF)放大器的动态偏置电路。
背景技术
射频放大器是无线通信系统中非常重要的构成元件，包括低噪声放大器(low-noise amplifiers，LNAs)和功率放大器(power amplifiers，PA)。在一接收机(receiver)中，从天线(antenna)接收到的射频信号经过滤波器(filter)后，立即进入一低噪声放大器。所以其线性度(linearity)影响接收机的动态范围(dynamic range)。功率放大器用来增强发射机(transmitter)的输出功率(outputpower)，功率放大器必须在有限的功率消耗下，提供高效率工作及高线性度输出功率，以符合系统的要求。
为了节省功率消耗，应用在无线通信系统中的射频放大器通常使用AB类(class AB)的直流偏置点(DC bias point)(静态工作点，quiescent operatingpoint)，这特别适用于功率放大器。在发射机中，功率放大器是最耗电的元件，其功率附加效率(power added efficiency，PAE)直接影响电池能维持的时间。AB类的直流偏置能改善功率放大器的功率附加效率，因为其有较低电平静态偏置电流(quiescent current)，静态偏置电流即输入功率为零时的偏置电流。然而，当放大器的输出功率增加到某一电平(level)时，工作于AB类模式放大器的负载线(load line)可能进入截止区(pinch-off region)，进而产生增益压缩(gain compression)，该增益压缩导致输出功率饱和(saturation)。由于AB类放大器的直流工作点接近截止区，因此，当AB类放大器的输出功率增加至某一电平时，该截止区域的增益压缩机制将限制AB类放大器的功率增益(power gain)及输出功率。
为防止前述的增益压缩现象的发生，可以提高静态偏置电流，以确保放大器工作在所需要的模式下。然而，提高静态偏置电流也会导致在低输出功率电平时，额外的直流功率消耗，因此造成功率附加效率减少。
图1为美国专利第6,300,837号公开的一种传统的功率放大器的动态偏置电路。该动态偏置电路适用于使用双极型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)的功率放大器，例如：GaAs HBT、SiGe HBT或Si BJT，HBT为异质结双极型晶体管(hetero-junction bipolartr ansistor)，其也为BJT的一种类型。该放大器可工作于B类或是AB类。该偏置电路能加强放大器的最大输出功率，并且在低输出功率电平时减少直流功率的消耗。该偏置电路将直流偏置电流提供给放大器晶体管的基极(base electrode)。在该偏置电路里，内建了一组功率感测电路(power sensing circuit)，其工作类似电流控制电流源(currentcontrol current source)或电压控制电流源(voltage control current source)。当输入功率增加时，功率感测电路迫使偏置电路产生更多的偏置电流。所以，由动态偏置电路提供的偏置电流随着输入功率电平上升而增加。
参考图1，动态偏置电路的工作原理说明如下。晶体管(transistor)142和100分别为第一与第二放大晶体管。两者都工作于AB类模式。晶体管148为一个功率感测晶体管，也工作于AB类模式。功率感测晶体管148的集电极(collector)电流I1来自于一电流镜(current mirror)150，晶体管148受到输入功率驱动并使I1随着输入功率增加而增加。集电极电流I1的增加使得电流镜150的输出电流I2也跟着增加，所以流经一偏置电路120的电流增加。这使得晶体管123的基极电流I3增加。I4是第二放大晶体管100的基极电流，大约等于(1+β)×I3，其中β是晶体管123的电流增益(current gain)。如图1所示，当输入功率不为零时，I4为控制第二放大晶体管100的静态偏置电流和功率感测晶体管148所提供电流两者的总合。所以，当输入功率增加时，第二放大晶体管100的大信号(large signal)输出功率跟着增加。
虽然前述公知技术在低输出功率电平时，能同时改善输出功率和直流功率耗损，但仍因功率放大器中使用双极型晶体管，使得偏置电路消耗了部分直流功率。由于双极型晶体管放大器在使用时必须将非零(non-zero)的静态偏置电流提供给基极，而该基极静态偏置电流必须由偏置电路提供，因此，偏置电路就产生无法避免的非零的偏置电流。结果导致额外的功率消耗。而且因为其偏置电路复杂，所以制造成本高。美国专利第6,414,553号、第6,492,875号和第6,791,418号公开了传统功率放大器的动态偏置提升电路(boosting circuit)。所有这些动态偏置提升电路都使用至少一个以上的双极型晶体管，但同样存在由非零静态电流造成的功率消耗问题。
传统放大器的偏置电路通常提供一固定直流偏置电压。以一个使用场效应晶体管的放大器为例，偏置电路将一固定直流偏置电压提供给场效应晶体管的栅极(gate)。该直流偏置电压并不随着输入或输出的功率而改变。由偏置电路提供的直流静态偏置决定该放大器工作于A类或是AB类。在美国专利第6,819,180的文献中，公开了一种射频功率放大器的适应性(adaptive)偏置控制电路，该偏置控制电路用于偏置横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(lateral double-diffused metal-oxide semiconductor field effect transistor，LDMOS)的放大晶体管。该偏置控制电路包含一第二场效应晶体管，其栅极与漏极(drain)相连接，而源极(source)与一固定电压耦合。该电路连接关系使得偏置电路里的第二场效应晶体管不可避免地汲取(draw)直流电流，进而导致额外的功率消耗。此外，放大晶体管栅极的直流偏置电压随着上升的输入功率而下降，从而减小了功率增益。
所以，为了改善放大器转换特性的线性度和减少直流功率消耗，有必要提供一种能动态控制射频放大器的偏置点，且具有高功率效率和成本效益的偏置电路。
发明内容
为了克服前述传统偏置电路的缺点，本发明提供一种射频放大器的动态偏置控制电路。这种动态偏置电路不仅改善了射频放大器的工作特性，例如高工作效率和高线性度输出功率，在其内部电路里也实现了零直流功率消耗。而且，它具有简单的电路结构，该电路结构具有极少的电路零件，且具有缩小化的面积。因此能容易地与放大器整合，以减少成本。
该动态偏置电路适用于使用场效应晶体管的射频放大器。为了克服传统偏置电路只能提供固定偏置点的缺点(即偏置点不随着输入功率改变)，本发明的动态偏置电路设计为当输入功率增加时，能自动提升直流偏置点。当输入功率增加时，该设计可防止负载线进入截止区。从而避免了负载线进入截止区而引起的增益压缩(gain compression)。当输入功率减弱时，偏置电路保持低直流偏置点，以减少直流功率消耗。
由此，本发明的动态偏置电路主要包含一个具有与二极管(diode)相同电流电压特性(I-V characteristic)的有源元件(active device)、一具有两端且其中一端接地(grounded)的直流电压源(DC voltage source)和一耦合元件。该耦合元件控制泄漏信号(leaked signal)的大小，泄漏信号与该射频放大器接收的输入信号耦合。该动态偏置电路可由泄漏信号驱动，该动态偏置电路调整相对该输入信号电平的直流电压。
在本发明的第一实施例里，该动态偏置电路包含一NPN双极型晶体管、一电阻和一电压源，该双极型晶体管具有电气连接在一起(electricallyconnected together)的基极和集电极。
在本发明的第二实施例里，该动态偏置电路包含一个二极管、一耦合元件和一电压源，其有源元件以二极管取代NPN双极型晶体管。
在本发明的第三实施例里，该动态偏置电路包含一个二极管、一耦合元件、一电压源和一电容器。
综上所述，本发明提供一种偏置电路，使用于具有放大晶体管的射频放大器，该偏置电路根据该射频放大器接收的输入信号的功率电平来动态调整其直流输出电压，并改变该射频放大器的工作电流，该射频放大器具有输入端口和输出端口，该输入端口接收该输入信号，而该输出端口传送放大的信号，该偏置电路的输出端连接至该射频放大器的该输入端口，该射频放大器的该输入端口是该放大晶体管的控制电极，该偏置电路包含：有源元件，具有与二极管相同的电流电压特性，其中该有源元件的阴极是该偏置电路的该输出端且连接至该放大晶体管的该控制电极；直流电压源，具有两端且其中一端接地；耦合元件，控制泄漏信号的大小，该泄漏信号与该输入信号耦合，且驱动该偏置电路；以及电容器，该电容器连接在该耦合元件和接地端之间，且作为高频信号的接地路径；其中该耦合元件的一端连接至该有源元件的阳极，而该耦合元件的另一端连接至该直流电压源的未接地端。
上述的偏置电路，其中该放大晶体管是一种场效应晶体管且该控制电极是其栅极。
上述的偏置电路，其中该有源元件为一种二极管。
上述的偏置电路，其中该有源元件是一种双极型晶体管，且其基极和集电极电气连接在一起。
上述的偏置电路，其中该有源元件是一种场效应晶体管，且其栅极和漏极电气连接在一起。
上述的偏置电路，其中该偏置电路未汲取直流工作电流。
上述的偏置电路，其中该电容器是可节省芯片空间的具有电容特性的金属氧化物半导体。
下面结合附图、实施例的详细说明及权利要求书，详细说明本发明的上述及其它目的与优点。
附图说明
图1为一种传统功率放大器的动态偏置电路；
图2为根据本发明的一种射频放大器的简化的动态偏置电路，其中加入了模拟信号源与直流阻断电容；
图3为一种平均直流发射极电压图，该电压是图2的动态偏置电路的输入功率的函数；
图4为根据本发明的可实施的射频放大器的动态偏置电路，其中加入了模拟信号源与直流阻断电容；
图5为一种平均直流发射极电压图，该电压是图4的动态偏置电路的输入的功率和可变电阻器的函数；
图6为根据本发明的第一实施例的具有动态偏置电路的射频放大器；
图7A为射频放大器的输出功率和功率增益图，该输出功率和功率增益是图6中动态偏置电路和传统固定偏置电路的输入功率的函数；
图7B为射频放大器的功率附加效率图，该功率附加效率是图6中动态偏置电路和传统固定偏置电路的输入功率的函数；
图8为根据本发明的第二实施例的具有动态偏置电路的射频放大器；
图9为根据本发明的第三实施例的具有动态偏置电路的射频放大器。
图中标号说明：
 
100 第二放大晶体管 120 偏置电路
123 晶体管 142 第一放大晶体管
148 功率感测晶体管 150 电流镜
 
I<sub>1</sub> 集电极电流 I<sub>2</sub> 电流镜输出电流
I<sub>3</sub> 基极电流 I<sub>4</sub> 晶体管偏置电流
201 模拟的信号源 202 直流阻断电容
203 双极型晶体管
401 可变电阻器 402 直流电压源
601 动态偏置电路 602 双极型晶体管
603 电阻 604 直流电压源
605 场效应晶体管
801 动态偏置电路 802 二极管
803 耦合元件
901 动态偏置电路 902 电容器
具体实施方式
根据本发明，图2为一种射频放大器的简化的动态偏置电路，其中加入了一模拟信号源201与一直流阻断电容202。该动态偏置电路包含唯一的NPN双极型晶体管203。晶体管203的基极和集电极连接至接地点(ground)。晶体管203的基极和集电极相连接，所以具有二极管的电性特征。直流阻断电容202连接在晶体管203的发射极与模拟信号源201之间。因而，流经该动态偏压电路的直流电流被强制为零(Ice为零)。由正弦波信号源201产生的高频输入信号将穿过直流阻断电容202，再进入晶体管203的发射极。当输入功率增加时，直流电压Veb也跟着增加，Veb随输入功率的变化如图3所示，Veb为晶体管203发射极直流电压(Ve)与基极直流电压(Vb)的电压差(Veb＝Ve-Vb)。即，晶体管203随输入功率产生一整流信号，该整流信号使得直流电压Veb被控制且是输入功率的函数。从图2可知，由于晶体管203的基极接地(Vb＝0，Veb＝Ve)，所以晶体管203的平均直流发射极电压因输入功率的增加而增加。
图4为根据本发明的可实施的射频放大器的动态偏置电路，其中加入了模拟信号源201与直流阻断电容202。该动态偏置电路包含双极型晶体管203、一个电阻为R的可变电阻器401和一个提供电压VDC的直流电压源402。与图2比较，图4的动态偏置电路还包括一可变电阻401以及一电压源402。当输入功率为零时，因为流经该偏置电路的直流电流已被强制为零，所以平均直流发射极电压Ve等于VDC。当输入功率不为零且增加至某一电平时，Ve开始随着输入功率增加而跟着增加，甚至逐渐大于VDC。
图5为平均直流发射极电压随输入功率及电阻的变化图，该电压是图4的动态偏置电路的输入的功率和可变电阻器401的函数。相对于输入功率的平均直流发射极电压上升的曲线可以借由调整可变电阻器401的电阻R来控制。以Ve来偏置放大器的栅极可以增加转换特性的线性度，Ve随输入功率的增加而增加可以避免晶体管输出功率的饱和。当输入功率减小时，Ve也跟着下降，然后停留在一低直流偏置电压，以减少直流功率的消耗。而且场效应晶体管的栅极的直流电流阻隔特性(isolated characteristic)正好符合流经该偏置电路的直流电流必须强制为零的要求。
本发明的动态偏置电路适合于配备有场效应放大晶体管的射频放大器，可以用多种方式实施。除特别的实例外，放大晶体管通常都以n-型(n-type)晶体管来构成，因为它的载流子迁移率(carrier mobility)远高于p-型(p-type)晶体管。所以，本发明的下列实施例将n-型场效应晶体管作为放大晶体管。然而，本发明的应用不限制于n-型放大晶体管。
图6为根据本发明的第一实施例的具有动态偏置电路601的射频放大器。该动态偏置电路包含一双极型晶体管602、一电阻器603和一电压源604。双极型晶体管602的基极与集电极电性连接在一起。电阻器603具有一电阻R。电压源604具有一电压Vbias。电阻器603的一端电气连接至双极型晶体管602的基极和集电极，另一端则电气连接至电压源604。双极型晶体管602的发射极电气连接至场效应放大晶体管605的栅极。当从输入端口接收到射频信号时，一部分的输入功率进入双极型晶体管602的发射极而耦合至动态偏置电路601，该部分的输入功率的大小是电阻器603的电阻R的函数。
分别以具有动态偏置电路和传统固定偏置电路的两种不同射频放大器来做模拟并比较两者的结果，此处，两个放大器的放大晶体管及放大晶体管的静态偏置电流都相同，不同处只在于偏置电路。图7A是以输出功率和功率增益作为输入功率的函数的比较结果。与传统固定偏置电路相比，本发明的动态偏置电路601具有较高的输出功率和较佳的1dB压缩点(compressionpoint)。图7B为射频放大器的功率附加效率图，该功率附加效率是图6中动态偏置电路和传统固定偏置电路的输入功率的函数。从该图可以看出，与传统固定偏置电路相比，虽然在大信号操作期间，使用动态偏置电路的射频放大器具有较高的直流电流，本发明的动态偏置电路601仍可使放大器具有较高的功率附加效率。
图8为根据本发明的第二实施例的具有动态偏置电路801的射频放大器。该动态偏置电路801包含一个二极管802、一耦合元件803和一电压源604。该射频放大器801的有源元件以二极管802来取代图6的双极型晶体管。而该有源元件可以是任何晶体管，只要是电气特性类似二极管的电流电压特性即可。例如，一个三端子的双极型晶体管可将它的基极和集电极电气连接在一起而形成一个两端子的二极管。二极管802的阴极连接至放大晶体管605的栅极，其阳极与耦合元件803连接。耦合元件803的另一端则连接至电压源604。耦合元件803用来控制一泄漏信号的大小，该泄漏信号与射频放大器接收的输入信号耦合。随后该泄漏信号驱动该动态偏置电路801。本发明的第一个实施例中的耦合元件为一电阻器。
图9为根据本发明的第三实施例的具有动态偏置电路901的射频放大器。该动态偏置电路901包含一个二极管802、一耦合元件803、一电压源604和一电容器902。假设电压源604无法向高频信号提供足够完善的接地端，电容器902连接至耦合元件803和接地端之间，并作为高频信号的接地路径(ground path)。传统电容器占用非常大的芯片面积。所以可将电容器902以具有电容特性的金属氧化物半导体(metal-oxide semiconductor，MOS)来替代，以节省芯片空间。
但是，以上所述仅为本发明列举的实施例，不能用以限定本发明实施的范围。只要是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，都应属于本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种偏置电路，使用于具有放大晶体管的射频放大器，该偏置电路根据该射频放大器接收的输入信号的功率电平来动态调整其直流输出电压，并改变该射频放大器的工作电流，该射频放大器具有输入端口和输出端口，该输入端口接收该输入信号，而该输出端口传送放大的信号，该偏置电路的输出端连接至该射频放大器的该输入端口，该射频放大器的该输入端口是该放大晶体管的控制电极，该偏置电路包含：
有源元件，具有与二极管相同的电流电压特性，其中该有源元件的阴极是该偏置电路的该输出端且连接至该放大晶体管的该控制电极；
直流电压源，具有两端且其中一端接地；以及
耦合元件，控制泄漏信号的大小，该泄漏信号与该输入信号耦合，且驱动该偏置电路；
电容器，该电容器连接在该耦合元件和接地端之间，且作为高频信号的接地路径；
其中该耦合元件的一端连接至该有源元件的阳极，而该耦合元件的另一端连接至该直流电压源的未接地端。
2.如权利要求1所述的偏置电路，其中该放大晶体管是一种场效应晶体管且该控制电极是其栅极。
3.如权利要求1所述的偏置电路，其中该有源元件为一种二极管。
4.如权利要求1所述的偏置电路，其中该有源元件是一种双极型晶体管，且其基极和集电极电气连接在一起。
5.如权利要求1所述的偏置电路，其中该有源元件是一种场效应晶体管，且其栅极和漏极电气连接在一起。
6.如权利要求1所述的偏置电路，其中该偏置电路未汲取直流工作电流。
7.如权利要求1所述的偏置电路，其中该电容器是可节省芯片空间的具有电容特性的金属氧化物半导体。
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