CN104935270B - 自适应偏置电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大交变信号的放大器装置，包括放大器和自适应偏置电路，放大器被配置为接收用于放大的交变信号和来自自适应偏置电路用于偏置放大器的偏置信号，自适应偏置电路包括PTAT电路，其中PTAT电路被配置为接收交变信号以及基于交变信号调制偏置信号。

Description

自适应偏置电路
技术领域
本发明涉及用于提供向放大器提供自适应偏置信号的自适应偏置电路。本发明还涉及包括放大器和所述自适应偏置电路的放大器装置。本发明还涉及加入了所述放大器装置的集成电路和电子设备。
背景技术
放大器的很多特征非常依赖于施加在放大器上的偏置电流。线性度和增益是这些特征的两个示例。当不要求高性能时，可以降低放大器的偏置电流。与此相反，当需要高线性度和高增益时可以增加偏置电流。通常，当放大器的输入信号具有高幅值时，会出现要求高性能的情况。因此，期望将放大器的偏置电流适配为输入信号的幅值的直接函数。这种技术称为自适应偏置。
图1示出了一种已有装置，其通过自适应偏置组件2向放大器1提供自适应偏置信号。自适应偏置组件包括检测器3、比较器4、参考电路5和偏置电路6。检测器3包括用于对由放大器1放大的交变信号进行整流的整流器。整流后的信号和来自参考电路5的参考信号一起施加到比较器4。偏置电路6使用比较器4的输出来设置施加到放大器1的偏置电流。因而，通常来说，除了施加偏置信号的偏置电路6之外，检测器3还需要附加的二极管和电容器，并且比较器4还需要比较器或放大器。具有这种自适应偏置组件2的部件与用于实现该组件所需的模片区都都价格高昂。此外，部件增加了静态电流，这对例如使用电池操作的设备特别不利。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于向放大器提供自适应偏置信号的自适应偏置电路，该自适应偏置电路包括与绝对温度正比(PTAT)电路，其中PTAT电路被配置为基于用于由所述放大器放大的交变信号来调制偏置信号。
使用PTAT电路作为自适应偏置电路是有利的。与绝对温度正比电路(PTAT)或ΔVbe电流源偏置电路可被有效地集成并且对半导体区的要求相对较低。使用这种电路来提供自适应偏置信号(具体地，被配置为使交变信号有效地调制其偏置信号输出的电路)是有利的。交变信号可包括射频(RF)信号。将要理解的是，PTAT电路可被配置为接收放大器放大前或放大后的交变信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种被配置为从第一方面中的自适应偏置电路接收自适应偏置信号的放大器装置。因此，提供了一种用于放大交变信号的放大器装置，包括：放大器和自适应偏置电路，放大器被配置为接收用于放大的交变信号和来自自适应偏置电路的用于偏置放大器的偏置信号，自适应偏置电路包括与绝对温度正比(PTAT)电路，其中PTAT电路被配置为接收交变信号以及基于可以来自放大器的输入或输出的交变信号调制偏置信号。
PTAT电路可被配置为接收交变输入信号，以整流交变输入信号。因此，交变信号可施加于通常用于提供温度依赖信号的PTAT电路的部件，其中所述部件充当整流器，从而交变信号的幅值可用于提供自适应偏置信号。
PTAT电路包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管中的每一个都包括基极端子、集电极端子和发射极端子，第一晶体管和第二晶体管通过它们各自的基极端子之间的基极连接耦合在一起。将要理解的是，耦合可包括电耦合或电连接。该电路还可以包括耦合在第一晶体管的发射极端子处的电阻。第一晶体管和/或第二晶体管可包括双极结晶体管或包括MOS晶体管。电阻可以接地。
PTAT电路可被配置为由第一晶体管的结对交变信号进行整流。
PTAT电路可被配置为在第一晶体管的基极端子处接收交变输入信号。
PTAT电路可包括被布置为与电阻并联的滤波电容，并且电阻和滤波电容与地电势耦合。因为电容用于调节释放时间，所以晶体管的基极-发射极结、电阻和滤波电容可被认为是峰值检测器。此外，滤波电容可被认为从整流后的RF信号中滤出谐波。
该布置可包括具有第一极板和第二极板的采样电容，第一极板耦合到放大器的输出，用于接收交变输入信号，并且第二极板耦合到第二晶体管的基极端子。备选地，采样电容可以在由放大器放大前接收交变信号。
第二晶体管可包括将其集电极端子耦合到其基极端子的端子间连接。
端子间连接可耦合到基极连接上的节点，其中PTAT电路包括位于所述节点和第一晶体管的基极端子之间的第一隔离电阻以及位于所述节点和第二晶体管的基极端子之间的第二隔离电阻。所述节点可耦合到所述电容的第一极板，并且所述电容的第二极板耦合到地电势。隔离电阻可具有相同的电阻，或者它们的比值与第一和第二电阻的电流/面积比相关。由于当不存在任何交变信号或RF信号时，将保持响应于温度的电路操作，所以这是有利的。
第二晶体管的发射极端子可以耦合到地电势。PTAT电路可被配置为从放大器的输出或放大器的输入接收交变信号。放大器可包括多级。
PTAT电路可以与电流镜像电路相关联，使得施加于第一和第二晶体管的集电极端子的电流相等。
根据本发明的第三方面，提供了一种集成电路，包括本发明第一方面中的自适应偏置电路或本发明第二方面中限定的放大器装置。
该集成电路可包括用于卫星导航设备的放大器模块。例如全球定位系统(GPS)设备或其他位置感知电子设备。本发明还适于在积极环境中演进的任意其他无线电系统，例如蜂窝电话(加入了WiFi、WCDMA、LTE、蓝牙等)、针对传感器布置的工业无线电网络(包含ZigBee、低能蓝牙等)等等。
根据本发明的第四方面，提供了一种包括在本发明的第二方面中限定的放大器装置的电子设备。
该电子设备可包括移动电话、卫星导航设备或其他位置感知设备。
附图说明
通过示例方式，以下参考附图详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了具有自适应偏置组件的已知放大器的示意图；
图2示出了具有自适应偏置电路的放大器的实施例的示意图；
图3示出了图2的自适应偏置电路的示意图，以及
图4示出了示例性PTAT电路。
具体实施方式
图2示出了具有自适应偏置电路21的放大器20，自适应偏置电路21被配置为对放大器20施加偏置信号22。放大器20被配置为放大交变信号，具体地是RF信号。放大器20被配置为在放大器输入24处接收交变信号23，并在放大器输出25处提供交变信号的放大版本。然后，可将交变信号施加于负载26。
自适应偏置电路21包括PTAT电路，PTAT电路被配置为接收交变信号。自适应偏置电路可包括基于ΔVBE的电流源(PTAT)电路。可经由采样电容27接收交变信号。已知PTAT电路的部件可用于整流交变信号，使得其可用于调制PTAT电路21的输出，从而PTAT电路21的输出包括自适应偏置信号。因此，PTAT电路生成用于放大器的偏置信号，其与放大器所接收的用于放大的交变信号是适应的。
图4示出了标准PTAT电路，其形成本发明的自适应偏置电路21的基础。PTAT电路40包括第一晶体管41和第二晶体管42，在本例中其包括双极结晶体管。第一晶体管41的基极端子通过基极连接43耦合或电连接到第二晶体管42的基极端子。第一和第二晶体管的发射极端子耦合到地电势，其中第一晶体管41的发射极端子经由电阻44耦合到地电势。第二晶体管42的集电极端子通过端子间连接器45电耦合到基极连接器43上的节点46。PTAT电路包括耦合到第一晶体管41的集电极端子的第一端子47和耦合到第二晶体管42的集电极端子的第二端子48。本领域技术人员将要理解的是，尽管可以交替地提供向第一和第二晶体管41、42提供基本相等的电流的电流源，但是电流镜像电路可以向集电极端子47、48提供电流。
图3更详细地示出了自适应偏置电路21。自适应偏置电路21基于PTAT电路，并且包括第一晶体管28和第二晶体管29，在本例中其包括双极结晶体管。第一晶体管28包括集电极端子28c、基极端子28b和发射极端子28e。类似地，第二晶体管29包括集电极端子29c、基极端子29b和发射极端子29e。第一晶体管28的基极端子28b通过基极连接器30电耦合到第二晶体管29的基极端子29b。发射极端子29e耦合到地电势。第一晶体管的发射极端子28e经由电阻31耦合到地电势。第二晶体管29的集电极端子29c通过端子间连接器32电耦合到基极连接器30上的节点33。
示意性示出交变信号或RF信号被示为向自适应偏置电路21直接施加(通过DC阻断电容37)的交流源35。交变信号可包括向放大器20的输入24提供的未放大的交变信号，或者可包括从放大器20的输出25提供的交变信号的放大版本。可在放大器的输出处或输入处获取交变信号，这取决于电路21的线性增益输入范围或灵敏度。交变信号被示为经由采样电容27提供。采样电容可用于阻挡通向放大器20的DC信号，并允许放大器20的输出的一小部分被反馈回(即被采样)PTAT电路，在PTAT电路中其可被整流为用于提供自适应偏置信号的dc成分。
交变信号施加于第一晶体管28的基极端子28b。图3中，在基极连接器30的节点37处接收交变信号。因而，自适应偏置电路21使用第一晶体管28和电阻31的结来对交变信号进行整流，下文中将详细描述。
自适应偏置电路21可选地包括与电阻31并联的滤波电容36。电阻31和电容36的并联布置在第一端耦合到发射极端子28e，在第二端耦合到地电势。可以添加滤波电容36以提供必要的电荷，用于在将交变信号整流为DC成分的过程中进行辅助。这可被认为是滤除晶体管28后仍存在的任何交变信号(在28c后可进一步提供谐波滤波)。将晶体管、电阻和电容视为峰值检测器，电容用于调整检测器释放时间(包络检测)并从源35中滤出谐波内容，以便基本保持电阻31两段的交变信号的包络的图形。
自适应偏置电路21可选地包括被配置为将第二晶体管29的基极端子29b与交变信号隔离的一对隔离电阻38、39。因而，第一隔离电阻38布置在第二晶体管29的基极端子29b和节点33之间。第二隔离电阻39布置在节点33和节点37之间。节点33耦合到电容34的第一极板，并且电容的第二极板耦合到地电势。电容34和第二隔离电阻39充当低通滤波器，用来滤除可能泄漏到PTAT电路的“DC”侧或第二晶体管29侧的交变信号的交变成分。
自适应偏置信号可以从流经第一晶体管28的电流(例如第一晶体管28的集电极端子28c处的电流)形成。备选地，发射极端子28e处的电压可用于形成自适应偏置信号。然而，将要理解的是，可以从PTAT电路的各部分提取出PTAT信号(如RF信号调制的)，以应用于放大器20。
令Re是电阻31的电阻，Ce是电容36的电容，可确定以下典型PTAT分析。
如果整流晶体管28的导电角延伸超过全波(2π)，换句话说，交变信号的幅值小至足以保持第一晶体管28不截止，则：
VBE2-VBE1＝Zrec(IPTAT+ΔIrec)
其中VBE2包括第二晶体管29的基极-发射极电压，且VBE1包括第一晶体管28的基极-发射极电压，Zrec包括电阻31和电容36的阻抗，IPTAT包括流经第一晶体管28的电流且ΔIrec包括交变信号的经过整流的电流。因此，
其中是第一晶体管28与第二晶体管29的发射极面积之比。关于DC值，阻抗Zrec等于电阻31的电阻Re。在存在RF输入信号的情形中，Zrec主要取决于电容36。
假设电流在两条支路上相等。实际上，这一般通过本领域技术人员已知的电流镜像装置来实现。备选地，可使用电流源。
整流电流ΔIrec依赖于RF信号到第一晶体管28的基极28b的耦合比、Ce值和Re值。可实际用于增加主放大晶体管20的偏置的整流电流的量将取决于偏置的其他部分是如何实现的，更具体地，取决于IPTAT和主放大器20之间的传输功能。在这一方面，可要求ΔIrec是大的或小的。
如果要求大的ΔIrec，则存在可选电容36是有利的。如果小的ΔIrec足够，则可以省略电容36。将理解的是，这取决于具体应用。省略可取决于能够准许的谐波内容。然而，除非晶体管29的固有寄生电容足够，否则可要求电容Ce用于释放时间控制。
描述具有反馈的p-n结的I-V特性的非线性方程的解不存在封闭形式的表达式。因此，可通过取决于期望应用的试验来实现自适应偏置电路21的部件的尺寸规定。
VBE+vbe是DC(VBE)基极发射极电压加上由来自第一晶体管28的35的交变信号所引入的时变基极发射极(vbe)电压。I0+ic是DC(I0)加上第一晶体管的时变集电极电流(ic)。Is是饱和电流。因此，
vb是基极端子28b处的电压(其中vbe＝vb-Re*ic)，其等于来自35且没有DC成分的RF信号，并最终根据源35处的输出阻抗和节点37处的输入阻抗衰减。其中Re是电阻31的电阻。
可以看出，通过在正弦输入信号的完整周期上对函数ve＝f(vb)进行积分并除以2π，可以获得均值发射极电压ve的增加。因此，这说明了交变信号调制PTAT电路的输出以提供自适应偏置信号。
针对具有大约1.5G操作频率的电路，已经确定针对采样电容27的典型值大约是200fF，隔离电阻38、39大约是10k欧姆，电阻31大约是1k欧姆，并且电容34和滤波电容26的电容大约是10pF。
本发明的放大器20和自适应偏置电路21特别适用于要求RF功能将它们的偏置级别适应为它们的RF环境的函数的情形。这包括例如移动电话内的GPS接收器的低噪放大器。移动电话发射器与GPS接收器相邻会通过非线性混频劣化GPS的低噪放大器的灵敏度。本发明还适用于要求高级别的线性度和低电流消耗的任意放大器。

Claims (14)

1.一种用于向放大器提供自适应偏置信号的自适应偏置电路，所述自适应偏置电路包括与绝对温度成正比PTAT电路，所述PTAT电路包括：第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和第二晶体管中的每一个都包括基极端子、集电极端子和发射极端子，所述第一晶体管和第二晶体管通过它们各自的基极端子之间的基极连接耦合在一起，以及电阻耦合在所述第一晶体管的发射极端子处；其中所述PTAT电路被配置为基于用于由所述放大器放大的交变信号来调制所述自适应偏置信号。
2.一种用于放大交变信号的放大器装置，包括：放大器和根据权利要求1所述的自适应偏置电路，所述放大器被配置为接收用于放大的交变信号，以及所述自适应偏置电路被配置为接收所述交变信号并向所述放大器提供所述自适应偏置信号。
3.根据权利要求2所述的放大器装置，其中所述PTAT电路被配置为接收交变输入信号，以便对所述交变输入信号进行整流。
4.根据权利要求2所述的放大器装置，其中所述PTAT电路被配置为使得由所述第一晶体管和所述电阻来整流所述交变信号。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述PTAT电路被配置为在所述第一晶体管的基极端子处接收所述交变输入信号。
6.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述PTAT电路包括：被布置为与所述电阻并联的滤波电容，所述电阻和所述滤波电容耦合到地电势。
7.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述装置包括：具有第一极板和第二极板的采样电容，所述第一极板耦合到所述放大器的输出，以用于接收所述交变输入信号，并且所述第二极板耦合到所述第二晶体管的所述基极端子。
8.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述第二晶体管包括将其集电极端子耦合到其基极端子的端子间连接。
9.根据权利要求8所述的放大器装置，其中所述端子间连接耦合到所述基极连接上的节点，其中所述PTAT电路包括位于所述节点和所述第一晶体管的基极端子之间的第一隔离电阻以及位于所述节点和所述第二晶体管的基极端子之间的第二隔离电阻。
10.根据权利要求9所述的放大器装置，其中所述节点耦合到电容的第一极板，并且所述电容的第二极板耦合到地电势。
11.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述第二晶体管的发射极端子耦合到地电势。
12.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述PTAT电路被配置为从所述放大器的输出接收所述交变信号。
13.根据权利要求2到4中任一项所述的放大器装置，其中所述PTAT电路包括电流镜像电路，所述电流镜像电路被配置为向所述第一和第二晶体管的集电极端子提供基本相等的电流。
14.一种集成电路，包括根据权利要求2到13中任一项所述的放大器装置。
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