CN100525074C - 动态偏置放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供包括为处理输入信号提供的至少两个互连晶体管(10，20)的放大器(1)中的晶体管的动态偏置。一旦输入信号被施加到激励晶体管(10)，则检测这个晶体管(10)的输出电极(16)的DC电流信号。这个DC电流检测通过向电阻器(130)提供DC电流信号可实现为电压降的检测。动态偏置信号则根据这个所检测DC电流信号或者与DC电流信号成正比的电压降来产生。偏置信号被施加到最终晶体管(20)的输入电极(22)，用于提供其动态偏置。本发明的偏置减小了最终晶体管(20)和放大器(1)的互调失真。另外，偏置还实现晶体管(20)的工作类的自动改变。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及放大器和放大器级，以及具体来说，涉及这类放大器和放大器级的动态偏置。
背景技术
例如无线通信系统中的发射机的射频(RF)功率放大器通常包括用于把RF信号放大到高功率电平的互连晶体管电路。放大的RF信号则可经由天线发射到空间中。
现代无线通信系统依靠复合数字调制方案和多个载波的使用以满足最小频谱上的高数据传输容量的要求。因此，要发送和接收的放大RF信号通常具有复合及强时变包络。这种复合信号行为可产生失真的不同形式，包括相邻和交替信道失真和互调失真(IMD)。对于数字通信系统，IMD是一个大问题，因为IMD产物可能由数字系统解释为净荷信号。因此，严格的线性要求被强加到RF功率放大器及其包含元件上，以便抑制IMD产物。改进功率放大器的线性的一种常用技术是施加偏置信号，使放大器的晶体管在其可用工作范围的更线性部分工作。
产生偏置信号的一种可能的先有技术解决方案是直接检测放大器的输入RF信号的功率，并基于此产生偏置信号。但是，这类解决方案极为复杂，并且需要数字信号处理器，从而增加放大器的复杂度和成本。
美国专利No.5757237公开一种功率放大器，它包括两个级联MESFET(金属半导体场效应晶体管)和一个动态偏置电路。这个动态偏置电路又包括抽样电路和电压求和电路。输入RF信号被提供给第一MESFET的栅电极，在其漏电极上输出中间AC(交流)信号。这个AC信号通过阻抗匹配元件到达第二MESFET的栅极。输出RF信号则在这个第二MESFET的漏极上提供。抽样电路连接到第一MESFET的漏电极，用于检测中间AC信号的包络的幅度。根据这个AC信号，偏置调节信号由抽样电路产生，并提供给求和电路。这个求和电路还连接到固定偏置电压源。然后，来自抽样电路的偏置调节信号用于调制来自这个电压源的固定DC电压信号，以便产生动态偏置信号。这个所得偏置信号施加到第二MESFET的栅电极。
美国专利No.5757237所提出的动态偏置解决方案存在的一个主要问题是抽样电路的工作。中间AC信号的包络的幅度的检测要求极快的抽样电路解决方案。特别是对于检测具有大约100MHz或GHz的频率的RF信号以及从其中创建偏置调节信号极为困难并且几乎接近不可能。因此，美国专利No.5757237的偏置电路不适合与现代无线通信系统的高频RF信号配合使用。
发明内容
本发明克服了先有技术配置的这些及其它缺陷。
本发明的一般目的是提供放大器以及放大器中的晶体管的动态偏置。
本发明的另一个目的是提供减小放大器的互调失真(IMD)的动态偏置。
本发明的又一个目的是提供实现晶体管的工作类的自动改变的动态偏置。
本发明的又一个目的是提供可应用于现代无线通信系统中使用的放大器并且采用简单电路解决方案来实现的动态偏置。
如所附专利权利要求所定义的本发明满足这些及其它目的。
简言之，本发明涉及包括晶体管及关联动态偏置电路的放大器的动态偏置。本发明的放大器包括至少两个互连晶体管，它们为例如串行(级联连接)、并行(并联连接)或者串行和并行处理输入信号而提供。动态偏置电路连接到第一或激励晶体管的输出电极。在工作中，当输入信号施加到至少激励晶体管时，这个偏置电路设置用于检测激励晶体管的输出电极上的所产生直流(DC)信号。在本发明的一个优选实施例中，这个DC信号是DC电流信号、例如FET(场效应晶体管)类型的激励晶体管的DC漏极电流信号。偏置电路根据这个所检测DC电流产生动态偏置信号、例如DC电压或电流信号。所产生的偏置信号则施加到第二或最终晶体管的输入电极，并得到其动态偏置。
在本发明的一个优选实施例中，动态偏置电路把DC信号作为电压降来检测。在这样一种情况中，DC电流被提供给电压降生成元件、如电阻器，以及运算放大器、晶体管或其它电压降检测电路则检测由流经电阻器的DC电流所引起的所产生电压降。
激励晶体管的所发生DC电流与施加到晶体管的输入信号的功率电平动态相关。例如在电阻器上所产生的电压降取决于通过电阻器的DC电流，以及根据这个电压降产生偏置信号。因此，通过上述关系，提供与所施加输入信号的功率电平动态相关的偏置信号。
根据激励晶体管的输出电极的DC电流(因而根据输入功率)产生最终晶体管的动态偏置信号实现了放大器和最终晶体管的互调失真的减小。因此，偏置信号使最终晶体管以最小IMD工作，并且放大器的线性增加。此外，根据本发明动态调节最终晶体管的偏置信号使得能够自动改变这个晶体管的工作类。因此，来自不同工作类的属性可通过本发明来获得，以及可使最终晶体管以当前最适合的晶体管工作类进行工作。
偏置电路根据DC(电流)信号产生的动态偏置信号可直接施加到最终晶体管。但是，在一些应用中，可能优选的是在把偏置信号提供给晶体管之前首先对它进行调节、例如放大。晶体管电路或者其它信号处理或放大电路可实现这种调节。
本发明的动态偏置电路可适用于若干放大器设计和晶体管电路，包括晶体管的串联和并联组合，其中第一(激励)晶体管控制至少第二(最终)晶体管。放大器还可包括参与输入信号的处理的附加晶体管。在这样一种情况中，动态偏置电路可设置在包括串联以及并联连接的晶体管的放大器中。偏置信号可根据放大器中的任何晶体管的DC输出电流来产生，但是优选地采用激励晶体管的至少一个的DC电流。类似地，偏置信号可施加到放大器中的任何晶体管，但是优选地将其提供给最终晶体管中的至少一个，因为它们在大多数情况下主要造成IMD。因此，动态偏置电路可连接到一般放大器级中的晶体管，但是特别适合于结合放大器的最终放大器级使用。
放大器的晶体管可独立地是任何FET设计的，诸如JFET(结型FET)、IGFET(绝缘栅FET)、MESFET(金属半导体FET)或者MOSFET(金属氧化物半导体FET)。此外，还可采用包括双极型晶体管在内的其它类型的晶体管。
本发明提供以下优点：
-减小和抑制IMD；
-增加放大器的线性度；
-实现晶体管的工作类的自动改变；
-可通过简单电路解决方案实现；
-可适用于不同的放大器设计和晶体管类型；以及
-可用于现代高频无线通信系统。
通过阅读以下对本发明的实施例的描述，将会理解本发明提供的其它优点。
附图说明
通过参照以下结合附图进行的描述，可以极好地理解本发明以及其它目的和优点，附图包括：
图1是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器的一个实施例的示意图；
图2是简图，示意说明一般晶体管的互调失真(IMD)对功率电平；
图3是图解，更详细地说明图1的放大器的动态偏置电路的一个实施例；
图4是图解，更详细地说明图1的放大器的动态偏置电路的另一个实施例；
图5是图解，更详细地说明图1的放大器的动态偏置电路的又一个实施例；
图6是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器的另一个实施例的图解；
图7是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器的又一个实施例的图解；
图8是图5的功率放大器的详图；
图9是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器的另一个实施例的示意图；
图10是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器的又一个实施例的示意图；
图11是流程图，说明根据本发明对功率放大器进行动态偏置的方法；
图12是流程图，说明根据本发明对功率放大器进行动态偏置的方法的附加步骤。
具体实施方式
在所有附图中，相同的参考标号将用于相应或相似的元件。
本发明涉及放大器中的晶体管的动态偏置，以便减小或抑制互调失真(IMD)并增加放大器的线性度。
一般来说，对于放大器的给定输出或输入功率电平，偏置信号可被调节和施加，以便改进IMD、即减小IMD。由于输出和输入功率是时间相关的，因此偏置信号应当跟随这种功率变化。本发明提供用于放大器中的动态偏置电路，它能够根据放大器的输入(和输出)功率电平产生偏置信号。
本文所述和公开的动态偏置电路和放大器特别适用于无线通信应用。但是，本领域的技术人员容易知道其它应用。
图1是具有根据本发明的动态偏置电路100的功率放大器1或放大器级的一个实施例的示意图。作为实例，功率放大器1例如可用来实现例如移动单元(未示出)中的射频(RF)发射器(未示出)的最后两个放大器级。
放大器1包括示例表示为两个一般FET(场效应晶体管)10、20的串联互连的两个晶体管，以便处理输入(RF)信号。晶体管10、20可独立地是任何FET设计的，诸如JFET(结型FET)、IGFET(绝缘栅FET)、MESFET(金属半导体FET)或者MOSFET(金属氧化物半导体FET)。此外，包括双极型晶体管在内的其它类型的晶体管可代替第一FET10和/或第二FET20。下面将参照包括FET的放大器设计来描述和公开本发明。但是，所公开的晶体管的任一个可易于由另一种晶体管类型来替换。
第一FET或激励晶体管10包括栅电极12、源电极14和漏电极16。栅电极或输入电极12适用于接收输入(RF)信号，以及在工作中连接到在图中示意表示为输入端子2的RF信号源。在工作期间，激励晶体管10的源电极14连接到导体6，用于接收参考电压电平、例如地参考电压电平。相应地，漏电极16设置用于与电源电压源或端子3进行连接。这个漏电极或输出电极16还连接到第二FET或最终晶体管20的栅电极22。与激励晶体管10相似，最终晶体管20的源电极24和漏电极26分别连接到导体6和电源电压源或端子4。本发明预计，两个端子3和4可连接到公共电源电压，尤其是在激励晶体管10和最终晶体管20属于相同类型时。一旦在输入端子2上提供了输入(RF)信号，激励晶体管10处理(放大)这个信号，并在其漏(输出)电极16上输出中间交流(AC)信号。这个中间AC信号到达最终晶体管22的栅(输入)电极22，它处理该信号并在连接到其漏电极26的输出端子5上输出已处理(已放大)RF输出信号。
除了两个级联晶体管10、20之外，图1的功率放大器1还包括动态偏置电路100。这个偏置电路100的第一输入端子连接到激励晶体管10的漏极16，以及第二输入端子连接到电源电压端子3。偏置电路100的输出端子连接到最终晶体管20的栅极22。动态偏置电路100包括偏置发生器110，它适用于检测来自激励晶体管10的直流(DC)信号。这个DC信号优选地是晶体管10的漏电极16的DC电流。偏置发生器110则根据这个所检测DC(电流)信号产生动态偏置信号。偏置信号到达动态偏置电路100的偏置施加器120，它把偏置信号施加到最终晶体管20的栅极或输入电极22。因此，取得最终晶体管20的偏置信号电平的调节。
在图1的功率放大器中，激励晶体管10和最终晶体管10的(漏极)电流跟随输入功率电平。另外，通过监测激励级10的电流(DC电流信号)，可检测来自其中的输出功率电平。激励级10的这个输出功率电平提供对最终晶体管20、因而对放大器1的输出功率电平的了解。因此，最终晶体管20的偏置可对于给定输入和输出功率电平进行调节，从而连续得到最佳IMD性能。此外，通过产生和施加最佳动态偏置信号，增加放大器1的线性度。
图2是简图，示意说明在晶体管的不同输入或输出功率电平上的一般晶体管的IMD。IMD曲线300一般在较低功率电平处具有局部最大点。把功率增加到超过这个最大点则减小IMD曲线300，并且它最终达到最小点310。但是，如果功率进一步增加，则会产生晶体管的压缩，并且IMD急剧增加。因此，晶体管在IMD方面的最佳工作是在最小IMD点310或者至少接近最小IMD点310操作晶体管。根据本发明产生动态偏置信号并将其施加到晶体管实现这个最小点310到不同功率电平的移动，由虚线320示意表示。因此，使晶体管优选地连续工作在最小IMD点310或者接近最小IMD点310，而不管当前输入或输出功率电平。换言之，施加的偏置信号使晶体管能够几乎始终工作在这个最小IMD。
根据本发明的最终晶体管的偏置信号的动态调节使得还能够自动改变这个晶体管的工作类。因此，来自不同工作类的属性可通过本发明获得。本领域的技术人员知道，A类晶体管工作的特征在于大的施加偏置以及良好的IMD性能和线性度。但是，主要缺陷在于，DC电流消耗高而效率低，特别是在补偿条件下。特别是在放大器设置在具有有限能量供应(由电池供电)的移动单元中时，具有高电流消耗和低效率的延长操作可能是一个问题。AB、B和C类工作具有更好的效率，但是以更坏的IMD为代价，特别是对于较高的输出功率电平。通过动态调节和施加根据本发明所产生的偏置信号，可使最终晶体管以当前最适合的晶体管工作类工作。工作类的实际选择可根据输入或输出功率电平改变。因此，通过产生基于又与RF信号的输入功率成正比的激励晶体管的DC电流信号的偏置信号，可对于不同的输入功率电平改变工作类。
图3是图解，说明根据本发明的动态偏置电路100的一个可能实现。在这个图中，偏置电路100实现为电压降发生器130和电压降检测器140。电压降发生器可能是电阻器130或者是由于激励晶体管10的DC电流通过其中而产生电压降的其它任何电阻元件。另一种这样的电阻元件的一个实例是细金属线、例如铜线。这个电阻器130的第一端连接到激励晶体管10的漏电极16，以及第二端连接到电源电压端子3。在图中示例表示为运算放大器140的电压降检测器设置用于把所产生的电压降作为它的两个输入端子142、144上的电压差来检测。第一输入端子142连接到激励晶体管10的漏极16(以及电阻器130的第一端)，而第二输入端子144则耦合到电压端子3(以及电阻器130的第二端)。因此，端子142的输入电压为V电源-R130Id，其中，V电源是端子3的电源DC电压，R130是电阻器130的电阻值，以及Id是(DC)漏极电流。端子144的相应输入电压只是电源电压电平V电源。运算放大器140则根据电压差产生动态偏置信号，并把它作为偏置DC电压信号通过其输出端子146施加到最终晶体管20的栅电极22。因此，对于这个实施例，RF信号的输入功率的变化引起激励晶体管10的DC漏极电流的变化。这个电流变化成正比地影响电压降，因而影响运算放大器140的输出电压。因此，取得最终晶体管20的有效动态偏置。
在图中，运算放大器140配备了由电压端子7和地电平表示的单个电压电源。但是，对称或不对称电源电压也是可行的。
采用图3的动态偏置电路100的电流检测和偏置信号生成可根据激励晶体管10和/或最终晶体管20的实际选择进行优化。对晶体管10和/或20的特性的了解、包括例如对其线性图的访问可用于优化运算放大器140。这种优化可通过操作影响运算放大器140的功能的组件和元件和/或通过运算放大器类型140的仔细选择来执行。例如，电阻器130的实际选择受到所采用的最终晶体管20的类型的影响。
图3中的动态偏置电路100的电阻器130和运算放大器140可替换为其它任何DC电流检测元件或电路。存在若干本领域已知的DC电流检测的专用或修改、往往是基于运算放大器的电路，包括电流检测集成电路(IC)。任何这种电路则可包含在本发明的偏置电路100中，用于电流检测以及可能的偏置信号生成目的。
本发明的动态偏置电路100的另一个可能的实现如图4所示。这个偏置电路100与以上结合图3所述的电路相似，但是运算放大器(电压降检测器)已经由双极型晶体管150替换。但是，这个双极型晶体管150一般执行与图3的运算放大器相同的功能性，即检测电阻器130上由激励晶体管10的DC漏极电流所引起的电压降。
动态偏置电路100的第一电阻器152连接到电源电压端子3以及连接到电压降生成电阻器130的第一电极。电阻器152的另一个电极耦合到晶体管150的基电极以及连接到第二电阻器154，第二电阻器154又连接到导体或地电平。电源电压3以及由两个电阻器152、154组成的分压器为晶体管150提供(固定)基极偏置。连接到晶体管150的发射极和连接到电阻器130的第二电极(以及连接到激励晶体管10的漏电极16)的电阻器156用作AC信号阻塞元件，以便阻止中间AC信号从漏电极16传送到晶体管150。对于晶体管150具有稳定功能的另一个可选晶体管158连接在发射极与地之间。双极型晶体管150的集电极还连接到地。
晶体管150产生偏置信号，它取决于电阻器130上的电压降、因而取决于激励晶体管10的DC漏极电流以及取决于输入RF信号的功率。发射极连接到最终晶体管20的栅电极22，并向其施加所产生的偏置信号。
根据图3-4中的第二或最终晶体管的实际选择，运算放大器或晶体管所产生的偏置信号可能足以用于最终晶体管的有效偏置。但是，在一些应用中，优选的是例如在把偏置信号施加到最终晶体管之前对它进行放大或者调节。如果最终晶体管是双极型晶体管或大FET晶体管，因而要求相当大的偏置信号用于有效工作，则情况更是这样。在这样一种情况中，可能可行的是，运算放大器或晶体管无法直接产生这种大偏置信号。根据本发明，通过在动态偏置电路中引入偏置信号处理或放大元件或电路，来解决这个问题，如图5所示。
这个图5的功率放大器1对应于图3的放大器，但其中增加了偏置信号放大晶体管160。在这里由双极型晶体管示例表示的晶体管160的基电极连接到运算放大器140的输出端子146。集电极连接到导体或地电平，而发射电极则耦合到三个晶体管162、164和166。两个电阻器162、164组成分压器，它与电源电压源或端子8共同提供发射极偏置。第三电阻器166耦合到最终晶体管20的栅电极22。这个电阻器166的功能性对应于图4的电阻器156，即用作AC信号阻塞元件。
在工作中，在施加输入RF信号时，产生取决于输入信号的功率的激励晶体管10的DC漏极电流。电阻器130与漏极电流串联，以及通过其中的DC电流由运算放大器140来检测，它输出与通过电阻器130的电流成正比的电压。这个输出偏置电压驱动晶体管160的基极。电阻器162、164的关系与晶体管160的已放大输出偏置信号共同确定最终晶体管20的栅极22上的电压，因而确定动态偏置信号。因此，获得跟踪到激励晶体管10的输入功率的动态偏置。
因此，晶体管160及其连接电阻器162、164的一般功能是调节、例如放大最终晶体管20的偏置信号。
本发明不限于包括激励晶体管和单个最终晶体管的放大器。图6说明包括驱动两个并联最终晶体管20、30的激励晶体管10的功率放大器1。放大器1还包括根据本发明的动态偏置电路100，在这里由电压降生成电阻器130、运算放大器140以及两个偏置信号放大晶体管160、170表示。与第一最终晶体管20对应，第二最终晶体管30的栅电极32连接到激励晶体管10的输出漏电极16，并且适用于接收来自其中的中间AC信号。最终晶体管20、30的源电极24、34连接到地电平或导体，而它们各自的漏电极26、36则耦合到电源DC电压端子或源4A、4B以及耦合到输出端子5A、5B。本发明预计，两个电源电压端子4A、4B可以互连，即向两个最终晶体管20、30提供同一个电源电压，尤其是在晶体管20、30属于相同类型时。另外，功率放大器1可经由输出端子5A、5B提供两种可能不同的输出RF信号。但是，这些端子5A、5B可互连以便输出单个RF信号。
来自运算放大器140的所产生偏置信号可直接或者通过单个偏置信号处理或放大电路、例如具有已连接电阻器和电源电压端子的晶体管提供给最终晶体管20、30的栅(输入)电极22、32。但是，在一些应用中，优选的是采用两个这样的偏置放大电路，每个最终晶体管20、30一个，如图中所示。第一电路包括晶体管160、三个电阻器162、164和166以及电源电压8A，如结合图5所述。相应地，第二电路包括(双极型)晶体管170，其中基极连接到运算放大器140的输出端子146，集电极耦合到地，以及发射极连接到三个晶体管172、174和176。两个晶体管172、174与电源电压端子8B共同提供晶体管170的发射极偏置。第三晶体管176组成AC阻塞元件。
通过让每个最终晶体管20、30具有偏置信号调节电路，各电路的包含元件(电阻器162-164；172-174以及晶体管160；170)可适应相应的晶体管20、30，以便施加尽可能最佳的偏置信号。
这个理论也可一般化为三个或三个以上最终晶体管，它们则优选地均可使用专用偏置信号调节电路，或者某些最终晶体管共用单个偏置信号调节电路。
在前面的图1和3-6中，功率放大器已经表示为两步放大器，其中的单个激励晶体管级联到一个或若干最终晶体管。图7说明根据本发明的另一个可能的功率放大器设计。这个放大器1包括三个级联晶体管10、20、40以及一个动态偏置电路100。第一激励晶体管10适用于接收输入RF信号以及适用于产生第一中间AC信号。这个AC信号被施加到第二激励晶体管40的栅电极42，第二激励晶体管40处理该信号并在其漏电极46输出第二中间AC信号。这个第二AC信号被施加到最终晶体管20，它产生输出RF信号。
在这个实施例中，偏置电路100包括第一电阻器130A，用于通过第一激励晶体管10的DC漏极电流来产生电压降。第一运算放大器140A检测电阻器130A上出现的电压降，并输出偏置信号，该偏置信号被施加到第二激励晶体管40的栅极42。连接到第二激励晶体管40的漏电极46以及连接到电源电压端子3B的相应第二电阻器130B通过这个晶体管40的DC漏极电流产生电压降。第二运算放大器140B检测电阻器130B上出现的这个电压降，并输出偏置信号，该偏置信号被施加到最终晶体管20。因此，在这个实施例中，动态偏置被提供给晶体管级联的第二以及第三(最终)级。电源电压端子7A和7B具有与图3中的端子7相同的功能性。
图7的功率放大器1的动态偏置电路100的设计可根据选择晶体管10、20、40和/或放大器1的工作来调节。例如，偏置信号调节或放大电路可设置在相应运算放大器140A、140B的输出端子与晶体管20、40的栅电极22、42之间。此外，偏置电路100还可能仅包括单个DC电流检测和偏置信号生成功能性，例如晶体管130A和运算放大器140A，即电阻器130B和运算放大器140B被省略。因此，根据第一激励晶体管10的漏极电流所产生的偏置信号被施加到第二激励晶体管40。但是，由于放大器1的最终晶体管20在大多数情况中比其它晶体管10、40对IMD的贡献更大，因此动态偏置这个最终晶体管20可能特别有利。在这样一种情况中，来自单个运算放大器140A的输出偏置信号被施加到最终晶体管20或者施加到第二激励晶体管40以及最终晶体管20。或者，电阻器130A和运算放大器140A被省略。然后，第二激励晶体管40的DC漏极电流被用于偏置最终晶体管20。
作为又一个备选方案，图7所示的动态偏置电路100经过修改，使得第一运算放大器140A的输出端子连接到最终晶体管20的栅电极22而不是连接到第二激励晶体管40。在这个实施例中，产生两个偏置预备信号，各基于两个激励晶体管10、40的相应DC漏极电流。两个预备信号则以适当方式组合，并被施加到最终晶体管20的栅极22。
图8是图5的功率放大器1的更详细图解。放大器1包括连接在激励晶体管10的栅极12与输入RF信号源2之间的电容器200。这个电容器200阻塞源2与晶体管10之间的任何DC电压。相应的电容器202设置在激励晶体管10的漏极16与最终晶体管20的栅极22之间，用于阻塞晶体管10、20之间的DC电压。
激励晶体管10还配备了(固定)栅极偏置，实现为电源电压端子或源9以及由互连电阻器180、182组成的分压器。另一个电阻器184阻止AC输入信号到达电阻器180、182。
电感器300、302连接在激励晶体管10的漏极16与电压降生成电阻器130之间以及最终晶体管20的漏极26与电压电源端子4之间。这些电感器300、302用作AC信号去耦元件，并设置用于对来自DC电源电压的RF信号进行滤波、即阻塞中间AC信号的传送，以及把RF信号输出到电源端子3、4，同时为相应晶体管10、20的漏极电流提供电流通路。电感器300、302可替换为执行类似操作的其它电路元件、电阻器、低频信号滤波电路等。电感器300、302与电容器204-208和210-214还共同用于重建RF信号的整个周期，这是本领域的技术人员众所周知的。电容器204-208和210-214还稳定DC电压，特别是对于RF信号的峰值功率所引起的高漏极电流。在RF信号的这个峰值功率电平上，晶体管10、20消耗来自(DC)电压电源端子3、4的相当高的电流。但是，由于高电流，来自电源端子3、4的DC电压因连接到端子3、4的电压源的内部电阻而暂时下降。在这个短时间周期中，来自电容器204-208和210-214的电压补偿暂时的电压降。电容器204、206和210、212还对RF信号中不应当由功率放大器1放大的任何频率去耦。在大部分应用中，往往需要不同电容值的若干电容器204、206和210、212，取决于哪一个(哪一些)频率区间应当去耦。连接在运算放大器140的输出端子与导体或地电平之间的电阻器148具有稳定功能。
到目前为止，已经参照包括级联连接晶体管的放大器或放大器级来描述和公开了根据本发明的动态偏置电路。但是，本发明不限于这类放大器设计。偏置电路还可适用于本领域所采用的其它晶体管连接，例如并联晶体管连接以及并联和串联连接的组合。本发明的理论可适用的一般晶体管连接设计包括适用于例如串行地(级联连接)、并行地(并联连接)或者串行地和并行地处理输入信号的至少两个互连晶体管。
图9是具有根据本发明的动态偏置电路的功率放大器1的一个实施例的示意图。这个功率放大器1包括两个并联连接晶体管10、20。晶体管10、20的栅电极12、14经过连接，用于在操作中接收来自输入信号端子或源2的输入RF信号。源电极14、24连接到参考电压电平、例如地。漏电极16、26与图中表示为两个不同端子3、4的电压电源相连接，但是可实现为单个公共电源端子。此外，漏电极16、26耦合到输出端子5，用于提供已处理(已放大)输出RF信号。
根据本发明的动态偏置电路100设置在放大器1中，用于检测第一晶体管10的DC(漏极)电流信号。因此，偏置电路100连接在电压电源端子3与晶体管10的漏电极16之间。如结合图1所述，偏置电路100包括偏置发生器110，用于根据例如基于漏极电流所引起的所检测电压降来确定的DC漏极电流来产生偏置信号。偏置信号则由偏置施加器120提供给第二晶体管20的栅(输入)电极。换言之，获得基于DC漏极电流、因而基于输入RF信号的功率的这个第二晶体管20的动态偏置。这个动态偏置通过抑制这个晶体管20的IMD来实现晶体管20和放大器1的高效工作。
如本领域已知的那样，功率放大器的级联晶体管通常用来增加增益，而晶体管的并联连接则增加所处理RF信号的功率。这两种连接的组合常常用来增加增益以及输出功率。图10中公开了具有串联以及并联的晶体管的这样一种功率放大器1。
放大器包括两个激励晶体管10、50，其中源电极14、54连接到地或者参考电压电平，以及漏极16、56分别耦合到电源电压端子或源3A和3B。第一激励晶体管10适用于通过其栅极12与输入端子2之间的连接来接收输入RF信号，并在其漏极16输出第一中间AC信号。这个第一中间信号被提供给第二激励晶体管50的栅极52。产生的已处理(已放大)第二中间AC信号通过漏极-栅极连接提供给两个最终晶体管20A、20B。最终晶体管20A、20B的源电极24A、24B连接到地或者参考电压电平，以及漏极26A、26B分别耦合到电源电压端子或源4A和4B。漏极26A、26B还连接到公共输出端子5，用于向其提供输出RF信号。
动态偏置电路100连接到第一晶体管10的漏极14，用于根据晶体管10的DC漏极电流来产生偏置信号。在放大器1的第一实施例中，所产生的偏置信号则可由偏置施加器120施加到最终晶体管20A、20B的输入(栅)电极22A、22B，以便获得根据本发明的动态偏置和IMD抑制。在第二实施例中，偏置信号还被施加到第二激励晶体管50的栅极52。
已经在相应附图中示意公开了图9和图10的功率放大器。本发明预计，附加组件、元件和电路可添加到放大器中，从而提供如图8所示的级联晶体管设计的相应更详细实现。一般来说，虽然没有说明，但是，以上论述以及在图1和图3至10中所公开的放大器电路以及动态偏置电路可在最终设计中包括任何数量的有源二极管、附加电容器和电阻器，只要没有损害动态偏置电路的基本操作。另外，在工作中，动态偏置电路可与可能影响偏置控制的其它电路结合，以便补偿温度、增益或其它工作方面。
图11是流程图，说明根据本发明对于包括至少两个互连晶体管的放大器进行动态偏置的方法。该方法一般在步骤S1开始，在其中，输入(RF)信号被施加到晶体管中至少一个的输入电极。接收输入信号的至少第一(激励)晶体管的输出电极的所产生DC信号、即DC电流信号在步骤S2被检测。偏置信号、例如DC电压或电流偏置信号则在步骤S3中根据所检测DC信号来产生。由于出现的DC电流信号与输入(RF)信号的功率电平之间的关系，偏置信号将基于这个输入功率。在步骤S4，所产生偏置信号随后被施加到至少第二(最终)晶体管的输入电极，用于动态偏置该晶体管以及影响其工作，以便减小IMD。然后，该方法结束。
图12是流程图，更详细地说明图11的DC信号检测步骤以及本发明的偏置方法的附加步骤。该方法从图10的步骤S1继续进行。在下一个步骤S21，产生的DC电流信号被施加到电阻元件，以便在其上产生电压降。步骤S22检测这个出现的电压降，以及下一个步骤S3产生与所检测电压降相关的、例如与其成正比的偏置信号。在图11的步骤S4中施加到第二晶体管之前，偏置信号则在步骤S31中可选地放大或者以其它方式调节。这种放大或调节优选地被执行，使得偏置信号变成对于它所施加到的特定晶体管是调节过的。
本领域的技术人员会理解，可以对本发明进行各种修改和变更，而没有背离所附权利要求定义的本发明的范围。
Claims (22)
1.一种放大器，包括第一和第二互连晶体管以及关联动态偏置电路，
其特征在于所述动态偏置电路包括：
-用于根据所述第一晶体管的直流DC信号的检测来产生动态偏置信号的部件；以及
-用于把所述动态偏置信号施加到所述第二互连晶体管的部件。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述DC信号是用于所述第一晶体管的DC电流。
3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一晶体管具有适用于接收输入信号的输入电极以及连接到所述动态偏置电路的输入端子并且连接到所述第二互连晶体管的输入电极的输出电极，所述动态偏置电路具有连接到所述第二互连晶体管的所述输入电极的输出端子，以及所述第二互连晶体管具有适用于提供输出信号的输出电极。
4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二互连晶体管的输入电极适用于接收输入信号，以及所述第一晶体管和所述第二互连晶体管的输出电极适用于提供输出信号，所述动态偏置电路具有连接到所述第一晶体管的所述输出电极的输入端子以及连接到所述第二互连晶体管的所述输入电极的输出端子。
5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述偏置信号产生部件设置成用于检测所述DC信号所引起的电压降以及用于根据所述所检测电压降来产生所述动态偏置信号。
6.如权利要求5所述的放大器，其特征在于，所述动态偏置电路包括：
-电阻部件，连接到所述第一晶体管的输出电极，并且设置成用于与电源电压连接；以及
-运算放大器，它的第一输入端子连接到所述第一晶体管的所述输出电极，第二输入端子用于与所述第一电源电压连接，以及输出端子连接到所述第二互连晶体管的输入电极，所述运算放大器适用于把所述电压降作为所述第一输入端子的第一输入电压与所述第二输入端子的第二输入电压之间的差来检测。
7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，所述运算放大器适用于产生与所述所检测电压降成正比的输出电压信号，所述动态偏置信号包括所述输出电压信号。
8.如权利要求5所述的放大器，其特征在于，所述动态偏置电路包括：
-电阻部件，连接到所述第一晶体管的输出电极，并且设置成用于与电源电压连接；以及
-第三晶体管，它的输入端子设置成用于与所述电源电压连接，输出电极连接到所述第一晶体管的所述输出电极以及连接到所述第二互连晶体管的输入电极，所述第三晶体管把所述电压降作为所述输入电极的第一输入电压与所述输出电极的第二输入电压之间的差来检测。
9.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，还包括第四晶体管，它连接到所述施加部件，并且适用于调节所述第二互连晶体管的所述动态偏置信号。
10.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，还包括第五晶体管，它级联连接到所述第一晶体管，所述施加部件配置成用于把所述动态偏置信号施加到所述第五晶体管。
11.如权利要求10所述的放大器，其特征在于，还包括：
-第一分压电路，它的输入端子连接到所述施加部件，以及输出端子连接到所述第二互连晶体管；以及
-第二分压电路，它的输入端子连接到所述施加部件，以及输出端子连接到所述第五晶体管。
12.一种动态偏置电路，用于对包括第一晶体管和第二互连晶体管的放大器进行偏置，
其特征在于所述电路包括：
-用于根据所述第一晶体管的直流DC信号的检测来产生动态偏置信号的部件；以及
-用于把所述动态偏置信号施加到所述第二互连晶体管的部件。
13.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述DC信号是用于所述第一晶体管的DC电流。
14.如权利要求12所述的电路，其特征在于，偏置信号产生部件设置成用于检测所述DC信号所引起的电压降以及用于根据所述所检测电压降来产生所述动态偏置信号。
15.如权利要求14所述的电路，其特征在于，所述动态偏置电路包括：
-电阻部件，连接到所述第一晶体管的输出电极，并且设置成用于与电源电压连接；以及
-运算放大器，它的第一输入端子连接到所述第一晶体管的所述输出电极，第二输入端子用于与所述第一电源电压连接，以及输出端子连接到所述第二互连晶体管的输入电极，所述运算放大器把所述电压降作为所述第一输入端子的第一输入电压与所述第二输入端子的第二输入电压之间的差来检测。
16.如权利要求15所述的电路，其特征在于，所述运算放大器适用于产生与所述所检测电压降成正比的输出电压信号，所述动态偏置信号包括所述输出电压信号。
17.如权利要求14所述的电路，其特征在于，所述动态偏置电路包括：
-电阻部件，连接到所述第一晶体管的输出电极，并且设置成用于与电源电压连接；以及
-第三晶体管，它的输入端子设置成用于与所述电源电压连接，输出电极连接到所述第一晶体管的所述输出电极以及连接到所述第二互连晶体管的输入电极，所述第三晶体管把所述电压降作为所述输入电极的第一输入电压与所述输出电极的第二输入电压之间的差来检测。
18.如权利要求12所述的电路，其特征在于，还包括第四晶体管，它连接到所述施加部件，并且适用于调节所述动态偏置电路的所述动态偏置信号。
19.一种用于对包括第一晶体管和第二互连晶体管的放大器进行动态偏置的方法，所述方法包括把输入信号施加到所述第一晶体管，
其特征在于所述方法包括以下步骤：
-根据所述第一晶体管的直流DC信号的检测来产生动态偏置信号；以及
-把所述动态偏置电压信号施加到所述第二互连晶体管。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述DC信号是用于所述第一晶体管的DC电流。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述偏置信号产生步骤包括以下步骤：
-把所述DC信号施加到电阻部件；
-检测所述电阻部件上由所述DC信号所引起的电压降；以及
-产生与所述所检测电压降成正比的电压信号，所述动态偏置信号包括所述所产生电压信号。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述偏置信号产生步骤包括调节所述第二互连晶体管的所述动态偏置信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20090805 |
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| CX01 | Expiry of patent term |