CN104426486A - 用于射频功率放大器的偏置升压偏置电路 - Google Patents
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Abstract
各种实施方式提供了一种用于射频(RF)功率放大器(PA)的偏置电路，用于向RF PA提供具有偏置升压的直流(DC)偏置电压。该偏置电路可以包括与RF PA的放大器晶体管一起形成电流镜的偏置晶体管。该偏置电路还可以包括耦接在偏置晶体管的栅极端子和漏极端子之间的第一电阻器以阻挡来自偏置晶体管的栅极端子的RF信号。该偏置电路还可以包括耦接在偏置晶体管的漏极端子和RF PA(例如，放大器晶体管的栅极端子)之间的第二电阻器。由偏置电路提供的DC偏置电压的偏置升压的量可以基于第二电阻器的阻抗值。
Description
技术领域
本公开内容的实施方式总体上涉及电路领域，更具体地涉及用于射频功率放大器的偏置升压偏置电路。
背景技术
在许多无线通信系统中，发射信号的峰均比(PAR)是高的。例如，在采用正交频分复用(OFDM)调制的无线局域网(WLAN)中，通信信号的PAR可以高达13.5分贝。为了处理高PAR的信号，射频(RF)功率放大器通常包括大的晶体管。RF功率放大器通常包括偏置电路以对放大器的晶体管进行偏置。然而，偏置电路在高信号功率电平会引起增益压缩。
附图说明
在附图的图中示出了作为示例而非限制的实施方式，在附图中相同的附图标记表示相似的元件，其中：
图1示出了根据各种实施方式的包括射频(RF)功率放大器(PA)和偏置电路的RF PA模块的电路图。
图2示出了根据各种实施方式的RF PA模块的替换配置。
图3示出了根据各种实施方式的RF PA模块的另一替换配置。
图4示出了根据各种实施方式的示例性无线通信装置的框图。
具体实施方式
将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施方式的各方面，以将其工作的实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对本领域的技术人员明显的是，仅通过所描述方面中的一些方面就可以实施替换实施方式。为了便于说明，阐述了具体的装置和配置以便提供对说明性实施方式的全面理解。然而，对本领域的技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施替换实施方式。在其他例子中，为了不使说明性实施方式不清楚，省略或简化了公知的特征。
另外，将以最有助于理解本公开内容的方式将各个操作依次描述为多个分立的操作；然而，描述的顺序不应该被解释为暗示这些操作必须依赖该顺序。特别地，不需要以所呈现的顺序进行这些操作。
重复使用了短语“在一个实施方式中”。该短语通常不涉及同一实施方式；然而，该短语也可以涉及同一实施方式。措词“包括”、“具有”和“包含”是同义的，除非上下文另有所指。
为了澄清与各种实施方式相关地使用的语言的上下文，短语“A/B”和“A和/或B”意指(A)、(B)、或(A和B)；以及短语“A、B和/或C”意指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。
本文可以使用措词“与……耦接”连同它的衍生语。“耦接”可以意指以下中的一个或更多个。“耦接”可以意指两个或更多个元件直接物理接触或电接触。然而，“耦接”还可以意指两个或更多个元件彼此间接接触，但仍然彼此协作或相互作用，以及可以意指一个或更多个其他元件被耦接或被连接在所言及的要彼此耦合的元件之间。
各种实施方式可以提供包括射频(RF)功率放大器(PA)和偏置电路的RF PA电路。偏置电路可以向RF PA提供直流(DC)偏置电压。偏置电路可以包括具有栅极端子、漏极端子和源极端子的偏置晶体管，并且RF PA可以包括放大器晶体管。在各种实施方式中，偏置晶体管可以与放大器晶体管一起形成电流镜。偏置电路还可以包括耦接在偏置晶体管的栅极端子和漏极端子之间的第一电阻器，以阻挡来自偏置晶体管的栅极端子的RF信号。
在各种实施方式中，偏置电路可以为DC偏置电压提供偏置升压。也就是说，偏置电路可以随着由RF放大器放大的RF输入信号的RF功率(例如，平均功率)增大而增大DC偏置电压。偏置电路还可以包括耦接在偏置晶体管的漏极端子与RF PA(例如，放大器晶体管的栅极端子)之间的第二电阻器。由偏置电路提供的DC偏置电压的偏置升压的量可以基于第二电阻器的阻抗值。在一些实施方式中，偏置电路还可以包括耦接在偏置晶体管的栅极端子和地电位之间的电容器，以为RF信号提供放电路径(例如，从栅极端子到地电位)。
图1示出了根据各种实施方式的RF PA电路100。RF PA电路100可以包括RF PA102和与RF PA102耦接的偏置电路104。RF PA102可以在输入端子108处接收RF输入信号RFin，并且在输出端子112处产生放大的RF输出信号RFout。RF PA102可以被用于例如放大RFin以在无线通信网络上进行传输。
在各种实施方式中，RF PA102可以包括放大器晶体管116(例如，Q1)。在一些实施方式中，RF PA102可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)放大器。例如，在一些实施方式中，放大器晶体管116可以是n型场效应晶体管(FET)。在其他实施方式中，RF PA102可以是其他类型的放大器，并且/或者放大器晶体管116可以是其他类型的晶体管。
放大器晶体管116可以包括栅极端子、源极端子和漏极端子。放大器晶体管116的栅极端子可以与RF PA102的输入端子108耦接(例如，经由电容器118)以接收RF输入信号。放大器晶体管116的漏极端子可以与输出端子112耦接以提供RF输出信号。放大器晶体管116的漏极端子还可以与供电轨120耦接以提供DC供电电压(Vcc)。电感器124(例如，L1)可以耦接在供电轨120与输出端子112和/或放大器晶体管116的漏极端子之间以阻挡RF信号到达供电轨120。在一些实施方式中，放大器晶体管116的源极端子可以与地电位144耦接。
在一些实施方式中，RF PA102可以包括耦接在输入端子108和输出端子112之间的、除了放大器晶体管116以外的其他晶体管。例如，RF PA102可以是堆叠式放大器，另一晶体管(未示出)与放大器晶体管116串联耦接在放大器晶体管116和输出端子112之间(例如，另一晶体管的源极端子与放大器晶体管116的漏极端子耦接)。可替换地或附加地，RF PA102可以具有多个放大器级，而放大器晶体管116可以被包括在所述多个放大器级中的一个放大器级中。
在一些实施方式中，RF PA电路100还可以包括耦接至输入端子108和/或输出端子112的、用于与其他部件(例如，无线通信装置的部件)进行阻抗匹配的输入匹配网络(未示出)。
在各种实施方式中，偏置电路104可以与放大器晶体管116的栅极端子耦接以将DC偏置电压提供给放大器晶体管116和/或RF PA102。例如，DC偏置电压可以在放大模式下偏置RF PA102和/或放大器晶体管116。在一些实施方式中，DC偏置电压可以在AB类放大器操作模式下偏置RFPA102。
偏置电路104可以包括具有栅极端子、漏极端子和源极端子的偏置晶体管128(例如，Q2)。在一些实施方式中，偏置晶体管128可以是n型FET。偏置晶体管128可以与放大器晶体管116耦接以形成偏置晶体管128和放大器晶体管116之间的电流镜。在一些实施方式中，电流镜可以是简单的电流镜。例如，偏置晶体管128的栅极端子可以与放大器晶体管116的栅极端子耦接。电流源148(例如，I1)可以与偏置晶体管128的漏极端子耦接以将电流提供给电流镜。在一些实施方式中，偏置晶体管128可以比放大器晶体管116更小。例如，在一个非限制性实施方式中，放大器晶体管116与偏置晶体管128的尺寸比可以约为16比1。
在各种实施方式中，偏置电路104还可以包括耦接在偏置晶体管128的栅极端子和漏极端子之间的第一电阻器132(例如，R1)。第一电阻器132可以阻挡来自偏置晶体管128的栅极端子的RF信号。例如,第一电阻器132可以防止RF信号从偏置晶体管128的漏极端子传递至栅极端子。
在一些实施方式中，偏置电路104还可以包括耦接在偏置晶体管128的栅极端子和地电位144之间的电容器140(例如，C1)以为RF信号提供放电路径(例如，从偏置晶体管128的栅极端子到地电位144)。除了由第一电阻器132提供的隔离之外，电容器140可以为偏置晶体管128的栅极端子提供对RF信号的进一步的滤波和/或隔离。
阻挡来自偏置晶体管128的栅极端子的RF信号可以有利于偏置电路104在RF输入信号的较高RF功率电平下对DC偏置电压的偏置升压，而不会引入显著的增益压缩。因此，较之现有的偏置电路设计，偏置电路104可以以1分贝压缩(P1dB)为RF PA102提供增大的输出功率。
偏置电路104还可以包括耦接在偏置晶体管128的栅极端子和RFPA102(例如，RF PA102的放大器晶体管116)之间的第二电阻器136(例如，R2)。由偏置电路104提供的DC偏置电压的偏置升压的量可以基于第二电阻器136的阻抗值。例如，由偏置电路104提供的DC偏置电压的偏置升压的量可以基于第二电阻器136与电流源148的阻抗值相比的相对值。第二电阻器136的与电流源148的阻抗值相比的较低的相对阻抗值，较之其中第二电阻器136具有较高相对阻抗值的实施方式，可以使偏置电路104提供更多的偏置升压。因此，可以根据RF PA102的需要和/或RF PA102要进行的无线通信类型来选择由偏置电路104提供的偏置升压的量。例如，较之一些其他类型的通信，更高的偏置升压可以被用于为使用正交频分复用(OFDM)的无线通信使用的RF PA102。
在各种实施方式中，电流源148可以与供电轨152耦接以将电功率提供给电流源148和/或偏置电路104。在一些实施方式中，电流源148可以包括与电阻器(未示出)耦接的电压源(未示出)以提供电流。在一些实施方式中，供电轨152可以与供电轨120耦接，和/或耦接在与供电轨120相同的电压处。
如以上所述，偏置晶体管128和放大器晶体管116可以形成电流镜以对RF PA102进行偏置。在一些实施方式中，电流镜可以是简单的电流镜,如图1所示。在各种实施方式中，第二电阻器136的阻抗值可以显著地小于第一电阻器132的阻抗值和/或电流源148的阻抗值。例如，第二电阻器的阻抗值可以是第一电阻器132的阻抗值和/或电流源148的阻抗值的1/100或更少，例如1/1000或更少。在一个非限制性实施方式中，第一电阻器132的阻抗值可以大约为10k欧姆，第二电阻器136的阻抗值可以大约是10欧姆，以及电流源的阻抗值可以大约是2.63k欧姆。如以上所述，由偏置电路104提供的偏置升压的量可以基于第二电阻器136的阻抗值(例如，相对于电流源148和/或第一电阻器132的阻抗值)。因此，可以调节第二电阻器136的阻抗值以为DC偏置电压提供所期望的偏置升压的量。
通过第二电阻器136的相对小的阻抗值，当RF信号到达放大器晶体管116的栅极端子时(例如，经由输入端子108)，在偏置晶体管128的漏极端子处也出现RF信号的大部分。在RF信号的某些RF功率电平处，RF信号可以在RF信号摆动的负半周期期间在零伏以下。在RF信号的正半周期期间，偏置晶体管128可以是接通的并且偏置晶体管128的漏极端子可以通过第二电阻器136以充电时间常数而被充电。偏置晶体管128的漏极端子还可以通过耦接在偏置晶体管128的漏极端子和源极端子之间的寄生电容器Cds(未示出)而被充电。Cds的电容值可以显著地小于电容器140的电容值。当RF信号在RF信号的负半周期期间摆动至零伏以下时，偏置晶体管128可以是断开的并且偏置晶体管128的漏极端子可以通过电容器140和第一电阻器132以放电时间常数而被放电。
可以选择第一电阻器132的阻抗值和电容器140的电容值使得放电时间常数大于充电时间常数。例如,在一个非限制性实施方式中，第一电阻器132的阻抗值可以大约为10k欧姆，而电容器140的电容值可以大约为10皮法拉。因此，当RF信号的RF功率电平增大时，在偏置晶体管128的漏极端子处可以累积电荷。该电荷累积导致偏置晶体管128的漏极端子处的DC电压增大。在偏置晶体管128的漏极端子处的DC电压增大转而导致在放大器晶体管116的栅极端子处的DC偏置电压增大，因为放大器晶体管116的栅极端子和偏置晶体管128的漏极端子通过第二电阻器136彼此耦接并且没有通过第二电阻器136的DC电流。因此，偏置电路104使放大器晶体管116的栅极端子处的DC偏置电压升压，该DC偏置电压随着RF输入信号的RF功率电平增大而增大。偏置升压可以扩大RF PA102的P1dB，以使得RF PA102能够在高RF功率电平操作。
如以上所述，RF PA102可以是CMOS功率放大器。偏置电路104可以尤其适合用于偏置CMOS PA。这是因为在图1中在CMOS晶体管116和128的栅极端子之间不存在DC路径。因此，第一电阻器132与第二电阻器136的比不必和放大晶体管116与偏置晶体管128的比相同。相反，对于双极结型晶体管(BJT)设计，R1与R2的比必须和Q1与Q2的比相同。否则，电路不会形成电流镜电路。此外，电路100可以比现有设计需要更少的偏置电路中的晶体管(例如，偏置晶体管128)。这可以使得电路100比BJT设计更加经济。
在其他实施方式中，可以使用将BJT晶体管用于放大晶体管116和/或偏置晶体管128的电路100。在一些实施方式中，在偏置晶体管128的基极与第一电阻器132之间可以包括大值电感器以防止RF信号到达偏置晶体管128的基极，使得R1与R2的比可以和Q1与Q2的比相同。
图2示出了根据各种实施方式的RF PA电路200的替换实施方式，其中偏置电路204包括耦接在偏置晶体管228的漏极端子和电流源248之间的二极管接法晶体管256。RF PA电路200可以包括具有放大器晶体管216的RF PA202。RF PA202可以在输入端子208处接收RF输入信号，并且在输出端子212处产生RF输出信号。RF PA电路200还可以包括具有偏置晶体管228的偏置电路204。偏置电路204还可以包括第一电阻器232、第二电阻器236和电容器240，它们被分别布置成与图1中所示且如上所述的第一电阻器132、第二电阻器136和电容器140相似的配置。
在各种实施方式中，偏置电路204还可以包括耦接在偏置晶体管228的漏极端子和电流源248之间的二极管接法晶体管256。去耦电容器258可以耦接在二极管接法晶体管252的漏极端子(和栅极端子)和地电位244之间。二极管接法晶体管256可以在RF输入信号的功率变得高于阈值时断开。这可以将附加的偏置升压提供给放大器晶体管216的栅极端子。
图3示出了根据各种实施方式的具有偏置电路304的RF PA电路300的另一替换实施方式，该偏置电路304包括具有偏置晶体管328的威尔逊(Wilson)电流镜。RF PA电路300还可以包括与偏置电路304耦接的RF PA302。RF PA302可以包括放大器晶体管316，并且可以在输入端子308处接收RF输入信号以及在输出端子312处产生RF输出信号。偏置电路304还可以包括第一电阻器332、第二电阻器336和电容器340，它们被分别布置成与图1中所示且如上所述的第一电阻器132、第二电阻器136和电容器140相似的配置。
在各种实施方式中，威尔逊电流镜可以包括和偏置晶体管328一起的晶体管360、晶体管364和晶体管368。电流源348可以耦接在晶体管368的漏极端子和供电轨352之间。电容器372可以耦接在晶体管368的漏极端子和地电位344之间。与偏置电路104的电流源148的值相比，偏置电路304的威尔逊电流镜可以降低所需的电流源348的值。
图4中示出了根据一些实施方式的示例性无线通信装置400的框图。无线通信装置400可以具有RF PA模块404，RF PA模块404包括可以与RF PA电路100、RF PA电路200和/或RF PA电路300相似的一个或更多个RF PA电路408。无线通信装置400除了具有RF PA模块404之外还可以具有至少如图所示的彼此耦接的天线结构414、Tx(发射器)/Rx(接收器)开关418、收发器422、主处理器426和存储器430。虽然示出的无线通信装置400有发射性能和接收性能，但是其他实施方式可以包括仅有发射性能或仅有接收性能的装置。
在各种实施方式中，无线通信装置400可以是但不限于移动电话、传呼装置、个人数字助手、文本消息装置、便携式计算机、台式计算机、基站、用户站、接入点、雷达、卫星通信装置、或者能够无线发射/接收RF信号的任何其他装置。
为了控制无线通信装置400的整体操作，主处理器426可以执行在存储器430中存储的基本操作系统程序。例如，主处理器426可以控制收发器422的信号接收和信号发射。主处理器426可以能够如执行的处理所期望的那样执行驻留在存储器430中的其他处理和程序并且可以将数据移入存储器430或移出存储器430。
收发器422可以从主处理器426接收输出的数据(例如，语音数据、网络数据、电子邮件、信令数据等)，可以生成表示外发的数据的一个或更多个RFin信号，并且将一个或更多个RFin信号提供给RF PA模块404。收发器422还可以控制RF PA模块404以在选择的频带中进行操作并且在全功率模式或功率回退模式下进行操作。在一些实施方式中，收发器422可以使用OFDM调制生成一个或更多个RFin信号。
如本文所述，RF PA模块404可以放大一个或更多个RFin信号以提供一个或更多个RFout信号。一个或更多个RFout信号可以转发至Tx/Rx开关418，然后转发至天线结构414用于空中(OTA)传输。在一些实施方式中，Tx/Rx开关418可以包括双工器。
类似地，收发器422可以通过Tx/Rx开关418从天线结构414接收进入的OTA信号。收发器422可以对进入的信号进行处理并且将其发送至主处理器426用于进一步处理。
在各种实施方式中，天线结构414可以包括一个或更多个定向的和/或全向的天线，包括例如偶极天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线或适合用于RF信号的OTA发射/接收的任何其他类型的天线。
本领域的技术人员要认识到，无线通信装置400是作为示例给出的，并且为了简要和清晰起见，只示出和描述了无线通信装置400的理解实施方式所需的这些构造和操作。各种实施方式根据具体特定需要考虑进行与无线通信装置400相关联的任何合适的任务的、任何合适的部件或部件的组合。此外，应理解，不应该将无线通信装置400解释为限制可以实施各实施方式的装置的类型。
虽然在以上说明的实施方式的方面描述了本公开内容，但是本领域的普通技术人员将认识到，在不背离本公开内容的范围的情况下，为实现相同目的而设想的广泛的多种可替换实施方式和/或等同实施方式可以替换所示出和描述的具体实施方式。本领域的技术人员将容易地认识到，可以以广泛的多种实施方式实施本公开内容的教示。本描述应被视为说明性的而非限制性的。
Claims (16)
1.一种偏置电路，包括：
偏置晶体管，所述偏置晶体管具有栅极端子、漏极端子和源极端子，所述偏置晶体管与耦接至所述偏置电路的节点的射频功率放大器的放大器晶体管一起形成电流镜；
第一电阻器，所述第一电阻器耦接在所述偏置晶体管的栅极端子和漏极端子之间以阻挡来自所述偏置晶体管的栅极端子的射频信号；以及
第二电阻器，所述第二电阻器耦接在所述偏置晶体管的漏极端子和所述节点之间，其中，由所述偏置电路提供给耦接至所述节点的所述射频功率放大器的、对直流偏置电压的偏置升压的量基于所述第二电阻器的阻抗值。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括电容器，所述电容器耦接在所述偏置晶体管的栅极端子和地电位之间以为射频信号提供放电路径。
3.根据权利要求1所述的电路，还包括与所述偏置晶体管的漏极端子耦接的电流源。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述第二电阻器的阻抗值是所述电流源的阻抗值的1/100或更少。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述RF功率放大器是互补金属氧化物半导体放大器。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述偏置晶体管被配置成随着由所述射频放大器放大的射频输入信号的射频功率的增大而增大所述直流偏置电压。
7.根据权利要求1所述的电路，还包括二极管接法晶体管，所述二极管接法晶体管与所述偏置晶体管的漏极端子耦接以提供附加的偏置升压。
8.根据权利要求1所述的电路，还包括威尔逊电流镜，所述威尔逊电流镜包括所述偏置晶体管。
9.一种系统，包括：
射频功率放大器，所述射频功率放大器被配置成放大射频输入信号，所述射频功率放大器具有放大器晶体管，所述放大器晶体管的栅极端子被配置成接收所述射频输入信号；
偏置电路，所述偏置电路与所述放大器晶体管的栅极端子耦接，所述偏置电路被配置成在所述放大器晶体管的栅极端子处提供直流偏置电压，其中，所述偏置电路包括：
偏置晶体管，所述偏置晶体管具有栅极端子、漏极端子和源极端子，所述偏置晶体管的栅极端子与所述放大器晶体管的栅极端子耦接以形成电流镜；
第一电阻器，所述第一电阻器耦接在所述偏置晶体管的栅极端子和漏极端子之间以阻挡来自所述偏置晶体管的栅极端子的射频信号；
电容器，所述电容器耦接在所述偏置晶体管的栅极端子和地电位之间以为射频信号提供放电路径；以及
第二电阻器，所述第二电阻器耦接在所述偏置晶体管的漏极端子和所述放大器晶体管的栅极端子之间；
其中，所述偏置电路被配置成随着由所述射频放大器放大的射频输入信号的射频功率的增大而增大所述直流偏置电压，其中，所述直流偏置电压的增大的量基于所述第二电阻器的阻抗值。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述偏置电路还包括与所述偏置晶体管的漏极端子耦接的电流源。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二电阻器的阻抗值是所述电流源的阻抗值的1/100或更少。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述射频功率放大器是互补金属氧化物半导体放大器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述放大器晶体管是第一放大器晶体管，并且其中，所述射频功率放大器是还包括第二放大器晶体管的堆叠式功率放大器，所述第二放大器晶体管的源极端子与所述第一放大器晶体管的漏极端子耦接。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述偏置电路还包括二极管接法晶体管，所述二极管接法晶体管与所述偏置晶体管的漏极耦接以提供附加的偏置升压。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述偏置电路还包括威尔逊电流镜，所述威尔逊电流镜包括所述偏置晶体管。
16.根据权利要求9所述的系统，还包括发射器，所述发射器与所述射频功率放大器耦接以将所述射频输入信号提供给所述射频功率放大器。
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