CN101002379A

CN101002379A - 辅助晶体管栅极偏置控制系统和方法

Info

Publication number: CN101002379A
Application number: CN 200580024424
Authority: CN
Inventors: W·K·维特谢格尔
Original assignee: Powerwave Technologies Inc
Current assignee: Powerwave Technologies Inc
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-07-18

Abstract

公开了一种用于调制RF放大器中FET晶体管(108)的栅极偏置电压的电路和方法。该电路用于动态地控制多赫蒂放大器中辅助晶体管(12)的栅极偏置。调制该栅极偏置电压，以使它跟踪输入信号幅度。动态地调制多赫蒂放大器中辅助晶体管的栅极偏置改善了峰值功率和线性，同时保持了良好的效率。

Description

辅助晶体管栅极偏置控制系统和方法

相关申请信息

本申请要求2004年7月21日提交的顺序号为60/589,709的美国临时申请的优先权，其公开被全部结合于此以作参考。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及射频(RF)放大器和FET晶体管放大器器件以及在RF放大器中所使用的偏置电路。更具体而言，本发明涉及在其中产生并放大具有高的峰值对平均值比的信号的诸如蜂窝基站之类的无线通信应用中所使用的RF功率放大器。

2.现有技术和相关背景信息的描述

现代电信系统中所使用的大部分数字调制的载波信号具有显示出大的峰值对平均值比的幅度包络。在这种系统中，为了保持信号完整性并防止发射机杂散发射，放大器件不得不通过使得信号峰值具有足够的峰值储备来维持线性，尽管产生了适度的平均输出功率并因此具有低的效率。因此，放大器效率与其线性实际上相互排斥。

用于实现提高的放大器效率的一种方法是被称为多赫蒂(Doherty)放大器设计的并行放大器配置。通常被称为主放大器的一个放大器被设计成以相对较高的效率即以对于信号峰值而言相对较小的峰值储备来处理多数RF信号。被称为辅助或峰化放大器的第二并行放大器通常被偏置为关闭，但对于信号峰值而言被偏置为开启。这允许以低的失真来处理峰值，而不管主放大器低的峰值储备。虽然辅助放大器的固定偏置对于较低的带宽、较低的频率信号而言可能是足够的，但是动态地控制在多赫蒂晶体管对中的辅助晶体管的偏置的能力对于在现代宽带宽RF应用中相对于峰值功率、效率和线性获得最佳性能而言是必需的。而且，重要的是动态偏置控制电路能够以包络变化的速度进行反应，这再次在诸如WCDMA之类的现代蜂窝应用中常见的宽调制带宽中更加困难。而且高度期望的是，动态偏置控制电路不引入信号延迟，该信号延迟能够影响信号的相位，并且使得主和辅助放大器信号路径的组合不大有效。

因此，当前存在对于改进的多赫蒂放大器以及用于控制多赫蒂放大器中辅助放大器的栅极偏置的系统和方法的需要。

发明概要

在第一方面中，本发明提供一种RF放大器电路，该RF放大器电路包括：输入端，用于接收调幅RF信号；场效应晶体管，其具有耦合到所述输入端的栅极；DC电压电源，其被耦合到所述场效应晶体管；以及偏置电路，其被耦合到所述场效应晶体管的栅极。该偏置电路包括仅利用无源电路部件直接与所述栅极和参考电压串联耦合的无源包络检测器，该偏置电路将随RF信号包络而变化的DC偏置提供给栅极。该RF放大器电路进一步包括耦合到场效应晶体管以提供放大的RF输出信号的输出端。

在RF放大器电路的优选实施例中，无源包络检测器是肖特基(Schottky)二极管。无源电路部件优选地包括与肖特基二极管和场效应晶体管的栅极串联耦合的电阻器和电感器。偏置电路可以进一步包括与肖特基二极管并联耦合并且与电感器串联耦合的可变电容器。偏置电路可以进一步包括与肖特基二极管并联耦合并且与电感器串联耦合的电阻器。所述参考电压可以是地。RF放大器电路可以进一步包括耦合在所述输入端与场效应晶体管的栅极之间的DC阻塞电容器。而且，电感器优选地被耦合在所述DC电压电源与所述场效应晶体管之间。RF放大器电路输出端可以被耦合在所述电感器和所述场效应晶体管的漏极之间。

根据另一方面，本发明提供一种RF放大器电路，该RF放大器电路包括：输入端，用于接收调幅RF信号；场效应晶体管，其具有耦合到输入端的栅极；DC电压电源，其被耦合到所述场效应晶体管；以及偏置装置，其被耦合到场效应晶体管的栅极，用于仅使用无源电路元件来动态地控制场效应晶体管的栅极的DC偏置以响应于RF输入信号的包络。RF放大器电路进一步包括耦合到场效应晶体管以提供放大的输出信号的输出端。

在RF放大器电路的优选实施例中，无源电路元件包括肖特基二极管、一个或多个电阻器、一个或多个电感器、以及一个或多个电容器。偏置装置优选以能够跟踪用至少26MHz调制带宽所调制的RF信号的响应时间来控制DC偏置。偏置装置优选在至少大约3-4伏的电压范围上改变DC偏置。例如，偏置装置可以在至少大约3.8伏的范围上控制DC偏置。

根据另一方面，本发明提供一种用于控制具有场效应晶体管的RF放大器电路的DC偏置的方法。所述方法包括：仅使用无源电路元件来检测RF输入信号的包络；以及仅使用无源电路部件来控制施加于场效应晶体管的栅极的DC偏置以跟踪RF输入信号的包络。

在用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法的优选实施例中，RF输入信号是WCDMA调制信号。例如，RF输入信号可以具有至少大约为26MHz的调制带宽。控制施加于场效应晶体管的栅极的DC偏置优选地包括响应于RF输入信号的幅度而在场效应晶体管的寄生电容上积聚电荷。在场效应晶体管的寄生电容上积聚电荷可以包括对流过耦合于场效应晶体管的栅极的肖特基二极管的电流进行控制，以及肖特基二极管电流响应于RF输入信号幅度。

在本发明以下的详细描述中将陈述本发明进一步的特征和方面。

附图简述

图1是根据本发明的改进的多赫蒂放大器的示意图。

图2是根据本发明优选实施例的辅助晶体管栅极偏置控制电路的示意图。

图3是具有WCDMA调制的偏置电压波形的图形表示。

发明详述

本发明提供一种用于动态地控制多赫蒂放大器配置中具有优选应用的FET晶体管的栅极偏置的系统和方法。本发明因此也提供一种改进的多赫蒂放大器。图1示出根据本发明的改进的多赫蒂放大器的示意图，以及图2示出根据本发明优选实施例的辅助晶体管栅极偏置控制电路的示意图。

首先参考图1的多赫蒂放大器，RF输入信号被施加于输入端10。输入RF信号可以是宽带宽调制的通信信号，比如WCDMA信号，例如具有1-40MHz范围的调制带宽以及处于低GHz范围的载波频率。输入RF信号被提供给包括终端负载14的采样电路13。采样电路13可以是本领域技术人员已知的任何合适的采样电路，例如包括90度混合耦合器。分别沿着主和辅助路径11、12提供输入信号和采样的输入信号。使用RF合成器15来合并两个信号路径的输出，并且所合并的输出信号经由RF负载16被提供给输出端17。RF合成器15可以是本领域技术人员已知类型的任何合适的RF合成器。主和辅助路径包括一个或多个放大器器件以及偏置电路，并且被设计成具有不同的特性。优选地调节主放大器偏置值以在A或AB类操作模式下来操作器件。而且，主放大器被设计成在某一补偿信号电平(6-10dB)上具有最大效率。辅助放大路径被设计成在满功率上具有最大峰值功率。可以在2004年5月3日提交的顺序号为10/837,838的美国专利申请中找到多赫蒂放大器设计和主信号路径放大器以及偏置电路的更多细节，其公开被全部结合于此以作参考。然而应该理解，可以利用多种已知主放大器路径设计和总多赫蒂放大器配置中的任何一种来使用本发明。

在多赫蒂放大器设计中，最佳的是辅助晶体管偏置随着波形包络的幅度而改变。优选地将辅助晶体管偏置设置为没有RF的零电流。为了获得合理的增益和峰值功率，在RF波形的瞬时高功率部分期间需要增加辅助晶体管栅极偏置。

图2是根据本发明优选实施例的辅助路径放大器12的示意图，其使用用于动态地调制FET晶体管的栅极电压以作为栅极上存在的RF包络的函数的电路。具有宽带宽幅度调制的入射RF信号存在于到辅助路径的RF输入端101上(例如从图1的采样电路13提供)。RF信号将在受控阻抗RF传输线110上向下传播，通过DC阻塞电容器111到达RF功率晶体管FET 108的栅极。RF功率晶体管FET 108例如可以是LDMOS FET，其将具有相对较高的栅极电容。在没有外部提供偏置源的情况下，FET栅极电压将为零伏DC。由于在FET的栅极上需要大约3V来开启晶体管，所以高功率RF晶体管108将仅在非常大的RF电压在FET的栅极上摆动期间导通。该RF晶体管性能将非常差。该器件的平均增益将非常低，失真产物将非常大，并且将难以实现具有如此低的栅极电压的整个器件峰值功率。

图2所示的本发明向辅助FET晶体管108添加了无源栅极偏置控制电路。高速无源包络检测器电路经由一个或多个无源电路元件被耦合到FET晶体管的栅极，以与入射的RF信号的瞬时幅度成比例地增加正栅极电压。由于没有使用有源电路元件，即需要从电压源中汲取功率以进行操作并且因此固有地是速度受限的电路元件，所以本发明的偏置控制电路能够以响应于例如在1-40MHz范围中的高频包络变化所必需的速度进行操作。更具体而言，期望在包络变化与施加于FET栅极的DC偏置的变化的前沿之间具有小于调制时间量程的延迟。在所示的优选实施例中，将肖特基二极管103用作包络检测器。肖特基二极管103经由用于控制入射在二极管103上的RF能量的量的无源电路元件被连接到FET 108的栅极。更具体而言，在所示实施例中，这些无源电路元件包括电感器106和(可选的)电阻器105。电感器106应该大得足以在栅极偏置控制电路与RF输入端101之间提供某种隔离，但也必须小得足以允许一些RF能量传播到肖特基二极管103。在一个典型实施方式中，对于电感器106而言，使用具有电感为12nH的电感器。电阻器105和可变电容器104提供了调谐入射在肖特基二极管上的RF能量的量的附加手段。这两个部件是可选的。

当大的RF信号入射在肖特基二极管上时，该二极管将在RF信号的负的部分期间被正向偏置。这种正向偏置的状况将使得正电荷积聚在FET晶体管的栅极电路中所存在的电容上。对于大的RF FET晶体管而言，该栅极电容可以是数百皮法。由于总栅极电容充电，所以栅极上的平均电压变得更加为正。栅极上这种增大的正电压将有效地增加RF晶体管栅极偏置电压。该增加的栅极电压将增加该晶体管的增益，一直到与多赫蒂配置中主晶体管的增益相同。当主晶体管和辅助晶体管具有相同增益时，能够实现完全的晶体管性能。在辅助晶体管上没有偏置控制的情况下，将不会在高RF功率电平上出现两个多赫蒂晶体管之间的增益匹配。在没有栅极偏置控制电路的情况下，主晶体管将决不会看到其最佳负载，并且辅助晶体管将不会提供其全部的输出功率。作为一个实例，在2×100W多赫蒂输出级上利用添加本发明而观察到峰值功率从0.5db到1.0db的改进。

可以使用与肖特基二极管并联的电阻器102来控制电路的带宽(BW)。电阻器102为FET栅极电容提供放电路径。该栅极偏置电路的3dB带宽大约是(1/(2*π*Rtot*Cgate))，其中Rtot是R102和R105的和，Cgate是FET栅极电容。这假设了二极管电阻等于或小于Rtot。

图3示出了本发明的一个特定实施方式中对辅助FET的栅极偏置的调制。这示出了在电阻器102(图2)上测量的具有4MHz WCDMA调制的电压。为了最佳的峰值功率、效率和IMD来调节电容器104。在图3的实例中，调节入射在肖特基二极管103上的RF功率以在FET栅极上提供在RF包络的峰值从0.017V到3.821V的电压摆动。从图3中可以看到，图2的电路对宽带宽WCDMA调制的包络提供了期望的高速反应。特别是，通过本发明可以提供小于0.5纳秒(ns)的包络变化的响应时间，这与不能够以该速度进行响应的使用有源部件的偏置控制电路形成对比。

应该理解，本发明优选实施例的以上描述纯粹是说明性的，并且实质上不打算进行限制。本领域技术人员将会理解，在保持在本发明的范围内的同时多种修改是可能的。

Claims

1.一种RF放大器电路，包括：

输入端，用于接收调幅RF信号；

场效应晶体管，其具有耦合到所述输入端的栅极；

DC电压电源，其被耦合到所述场效应晶体管；

偏置电路，其被耦合到所述场效应晶体管的栅极，该偏置电路包括仅利用无源电路部件直接与所述栅极和参考电压串联耦合的无源包络检测器，并且将随RF信号包络而变化的DC偏置提供给所述栅极；以及

输出端，其被耦合到所述场效应晶体管以提供放大的RF输出信号。

2.如权利要求1所述的RF放大器电路，其中无源包络检测器是肖特基二极管。

3.如权利要求2所述的RF放大器电路，其中无源电路部件包括与肖特基二极管和场效应晶体管的栅极串联耦合的电阻器和电感器。

4.如权利要求3所述的RF放大器电路，其中偏置电路进一步包括与肖特基二极管并联耦合并且与所述电感器串联耦合的可变电容器。

5.如权利要求3所述的RF放大器电路，其中偏置电路进一步包括与肖特基二极管并联耦合并且与所述电感器串联耦合的电阻器。

6.如权利要求3所述的RF放大器电路，其中所述参考电压是地。

7.如权利要求1所述的RF放大器电路，进一步包括耦合在所述输入端与场效应晶体管的栅极之间的DC阻塞电容器。

8.如权利要求1所述的RF放大器电路，进一步包括耦合在所述DC电压电源与所述场效应晶体管之间的电感器。

9.如权利要求8所述的RF放大器电路，其中所述输出端被耦合在所述电感器和所述场效应晶体管的漏极之间。

10.一种RF放大器电路，包括：

输入端，用于接收调幅RF信号；

场效应晶体管，其具有耦合到所述输入端的栅极；

DC电压电源，其被耦合到所述场效应晶体管；

偏置装置，其被耦合到场效应晶体管的栅极，用于仅使用无源电路元件来动态地控制场效应晶体管的栅极的DC偏置以响应于RF输入信号的包络；以及

输出端，其被耦合到场效应晶体管以提供放大的输出信号。

11.如权利要求10所述的RF放大器电路，其中所述无源电路元件包括肖特基二极管、一个或多个电阻器、一个或多个电感器、以及一个或多个电容器。

12.如权利要求10所述的RF放大器电路，其中所述偏置装置以能够跟踪用至少26MHz调制带宽所调制的RF信号的响应时间来控制DC偏置。

13.如权利要求10所述的RF放大器电路，其中所述偏置装置在至少大约3-4伏的电压范围上改变DC偏置。

14.如权利要求13所述的RF放大器电路，其中所述偏置装置在至少大约3.8伏的范围上控制DC偏置。

15.一种用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，所述RF放大器电路具有带有栅极的场效应晶体管，所述方法包括：

仅使用无源电路元件来检测RF输入信号的包络；以及

仅使用无源电路部件来控制施加于场效应晶体管的栅极的DC偏置以跟踪RF输入信号的包络。

16.如权利要求15所述的用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，其中RF输入信号是WCDMA调制的信号。

17.如权利要求16所述的用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，其中RF输入信号具有至少大约26MHz的调制带宽。

18.如权利要求15所述的用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，其中控制施加于场效应晶体管的栅极的DC偏置包括响应于RF输入信号的幅度而在场效应晶体管的寄生电容上积聚电荷。

19.如权利要求18所述的用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，其中在场效应晶体管的寄生电容上积聚电荷包括对流过耦合于场效应晶体管的栅极的肖特基二极管的电流进行控制。

20.如权利要求19所述的用于控制RF放大器电路的DC偏置的方法，其中肖特基二极管电流响应于RF输入信号幅度。