CN106134071B - 用于偏置功率放大器的电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开包括用于功率放大器的电路和方法。在一个实施例中，功率放大器的主放大器级和峰值放大器级接收调制的电源电压。峰值放大器级被动态偏置以调整峰值级的偏差来补偿电源电压的变化。偏置电压可以随着峰值级上的电源电压降低而增加，并且偏置电压可以随着峰值级上的电源电压增加而降低。因此，峰值级的偏置特性跨电源电压变压变化被维持，并且功率放大器的效率被改善。
Description
相关申请
本申请要求2014年04月09日提交的美国非临时申请No.14/248,971的优先权，针对所有目的以整体内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开涉及电子电路和方法，并且具体地涉及放大器偏置电路和方法。
无线系统通常包括耦合到天线的发射器和接收器来发送和接收RF信号。一般，基带系统生成包括编码的信息(数据)的数字信号，并且数字信号被转换成模拟信号以用于传输。模拟信号被处理并且通常被调制(上变频)到RF载波频率。在上变频之后，RF信号经过功率放大器被耦合到天线。功率放大器增加信号功率以便RF信号可以与远程系统(诸如，例如基站)通信。
无线系统需要能够发射具有相当范围的瞬时和平均信号功率级的RF信号的功率放大器。一般，功率放大器被定尺寸和设计以便最优的效率仅在最大瞬时输出功率处，导致对于动态信号的效率的明显的下降。因为，寻求提供在除最大瞬时输出功率以外的输出功率级处提供更高效率的先进的架构。
发明内容
本公开包括用于偏置功率放大器的电路和方法。本公开包括用于功率放大器的电路和方法。在一个实施例中，功率放大器的主放大器级和峰值放大器级接收调制的电源电压。峰值放大器级被动态偏置以调整峰值级的偏置来对电源电压中的改变作补偿。偏置电压可以随着峰值级上的电源电压降低而增加，并且偏置电压可以随着峰值级上的电源电压增加而降低。因此，峰值级的偏置特性跨电源电压变压变化被维持，并且功率放大器的效率被改善。
以下的详细描述和附图提供对本公开的性质和优势的更好的理解。
附图说明
图1图示了根据一个实施例的功率放大器和偏置电路。
图2图示了随着电源电压变化的到峰值放大器的偏置电压的示例。
图3A图示了根据另一实施例的另一示例功率放大器和偏置电路。
图3B图示了针对不同的电源电压的到峰值放大器的输入信号。
图4A-图4D图示了根据一个实施例的示例功率放大器的性能曲线。
图5图示了根据一个实施例的具有电源电压调制和峰值放大器的动态偏置的功率放大器的仿真的效率。
图6图示了根据另一实施例的操作功率放大器的过程。
具体实施方式
本公开涉及偏置功率放大器。在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了各种示例和具体细节以便提供本公开的透彻的理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是如在权利要求中表述的本公开可以包括单独在这些示例中的一些或所有特征或者与下文描述的其他特征组合的一些或所有特征，并且可以进一步包括本文描述的特征和概念的修改和等价物。
图1图示了根据一个实施例的功率放大器和偏置电路。本公开的实施例包括功率放大器100，功率放大器100包括主(或载波)放大器级101和峰值(或辅助)放大器级102。峰值放大器级102的输出通过阻抗逆变电路104(例如，可以被实施成四分之一波长传输线)被耦合到主放大器级101的输出。峰值放大器级102的输出被耦合到功率放大器100的输出端子。在主放大器级101的输入接收RF输入信号Vi。功率放大器100可以是被配置成驱动天线(未示出)的射频(RF)功率放大器。RF输入信号Vi例如通过四分之一波长相移电路103还被耦合到峰值放大器级102的输入。功率放大器100在输出端子上产生可以被耦合到天线的输出电压Vo。
根据图1的示例实施例可以包括多尔蒂(Doherty)放大器。多尔蒂放大器在宽输出功率范围上呈现高效率。例如，在一些实施例中，主放大器级可以是A类、AB类或B类放大器，并且峰值放大器级可以是C类、F类或另一开关模式功率放大器。当接收低于某个阈值的小的输入信号时，开关模式功率放大器通常关闭，并且仅当接收足够高的输入驱动水平时才产生输出。峰值放大器级可以针对小信号幅度关闭并且可以针对更大的信号幅度开启。例如，主放大器可以被偏置成A类或AB类，并且峰值放大器可以被偏置在C类以便当输入功率高于阈值时峰值放大器开启(例如，刚好在主放大器开始进入到压缩中之前)。例如，本公开的特征和优势包括用于偏置峰值放大器级的偏置电路来改善放大器的效率。
主放大器级101和峰值放大器级102分别包括耦合到调制电源电路106的电源端子110和111。向主放大器和峰值放大器的电源端子提供的电源电压可以随着时间改变以改善功率放大器的效率。因此，这种变化的电源电压被称为动态电源电压，并且可以在不同的分立电压水平之间改变或连续变化。在2013年11月11日提交的、发明人为Joonhoi Hur和PaulJ.Draxler的美国专利申请No.14/088,321中描述了在功率放大器中使用的动态电源电路的示例，其内容通过引用在此处并入本文。
例如，电源106可以基于一个或多个控制信号Vctrl改变到主放大器和峰值放大器中的一个或两个的电源电压。如在图1中图示的，可以在诸如预失真块的预处理块105中接收输入信号Si，并且控制信号Vctrl可以基于待被发射的信号(例如，Vo)的特性改变向主放大器和峰值放大器中的一个或两个提供的电源电压来改善放大器的效率。
本公开的实施例改善由动态电源驱动的峰值放大器级102的偏置。例如，主放大器101可以被偏置电路112偏置并且峰值放大器102可以被偏置电路113偏置。在该示例中，电源端子111被耦合到偏置电路113的输入。偏置电路113的输出被耦合到峰值放大器102的输入。
本公开的实施例包括随着到峰值放大器的电源电压改变而改变偏置电压的偏置电路。例如，峰值放大器102的电源端子111上的电源电压可以随着时间跨范围变化。例如，范围可以具有最高电压值和最低电压值。偏置电路113的示例实施例可以接收端子111上的电源电压并且产生偏置电压，偏置电压在电源电压为高时较低并且在电源电压为低时较高。换句话说，偏置电路113产生到峰值放大器的偏置电压，其随着电源端子111上的电压降低而增加。在一些示例实施例中，可以改变偏置电压来维持峰值放大器的偏置点以便随着电源电压和最大输出功率随着时间改变而出现合适的峰值。尽管图1中示出的配置图示了其中偏置电路113被直接耦合到电源电压的实施例，然而其他实施例可以使用由其他电路块产生的信号控制偏置电路113。在一个实施例中，诸如预处理电路105的上游电路可以产生控制信号(使用虚线示出)到偏置电路113来调制如本文描述的峰值放大器102上的偏置电压。
图2是到峰值放大器的偏置电压随着电源电压变化的绘图200。图2中的绘图201图示了在对应于点220的特定电源电压Vsupply和偏置电压Vg处的多尔蒂放大器的功率放大器效率(PAE)对瞬时输出信号功率(Po)。多尔蒂放大器的0dB的峰值效率通常出现在最大输出信号功率Po。随着归一化的瞬时输出信号功率在特定电源电压和偏置电压处降低，放大器的效率(例如，PAE)改变。如在绘图201中图示的，在最大输出功率处有第一PAE峰值以及在低于最大功率的第二输出功率(例如，在该示例中，在最大功率之下大约-6dB)处有第二PAE峰值。效率峰值之间的区域形成平台，其中跨该范围的功率放大器的效率对输出功率非常高。在该示例中，PAE从在最大输出功率处的第一PAE峰值下到距最大输出功率大约-6dB处的第二PAE峰值近似平坦。低于最大输出功率超过-6dB，效率随着输出功率降低而降低。
然而，如果电源电压变化，那么峰值可能移动并且特征PAE曲线可以基于峰值放大器的偏置改变。具体地，在多尔蒂放大器中，对于特定电源电压，需要使峰值放大器级在低于最大输出功率6dB开启。在不同的操作状况下，一些应用可以改变该6dB窗口，因此本文提及的6dB窗口应当被理解成只是被XdB分离的更一般的多尔蒂峰值的示例，其中X是任意数目的dB。
没有合适的偏置，在低电源电压，多尔蒂中的峰值放大器可能相对于6dB点开启较晚(即，在过高的功率级)。例如，如果电源电压下降，则C类放大器的导通角可能过小，这可能导致它在从最大输出功率-5dB或-4dB(例如，相对于-6dB峰值过晚)开始。类似地，在高电源电压水平，峰值放大器可能开启较早(即，在过低的功率级)。例如，如果电源电压增加，则C类放大器的导通角可能变得过大，这可能使它在距最大输出功率-7dB、-8dB或-9dB开启(例如，相对于-6dB峰值过早)。图2中的绘图200图示了具有跨电源值范围而恒定的偏置电压的峰值放大器的多尔蒂PAE曲线。如果偏置保持恒定(如在直线230图示的)，如在绘图202中所示的，在多尔蒂PAE曲线中的最大输出功率PAE峰值随着电源电压降低而下降。类似地，如在绘图203中所示，多尔蒂PAE曲线中的-6dB PAE峰值随着电源电压增加而下降。
如上文提及的，本公开的实施例包括基于到峰值放大器的电源电压而改变峰值放大器的偏置的偏置电路。图2图示了在其中偏置电压Vg随电源电压降低而线性(在直线210)增加的示例。如在绘图204和绘图205中所示，可以通过在较低电源电压增加偏置电压(绘图204对应于在221的偏置电压和电源电压)以及在较高电源电压降低偏置电压(绘图205对应于在222的偏置电压和电源电压)维持特征多尔蒂PAE曲线。如在图2中的绘图200中进一步图示的，其他实施例可以根据不同的(非线性)函数基于电源电压改变偏置电压。图2图示了另一曲线211，曲线211形成电源电压和峰值放大器偏置电压之间的另一示例关系。示例曲线211图示了到峰值放大器的偏置电压随着电源电压降低而单调增加。阅读了本公开的本领域技术人员将理解可以基于峰值放大器的具体结构和设计使用各种不同的偏置电压/电源电压曲线来维持多尔蒂放大器中的高效率。
图3A图示了根据另一实施例的另一示例功率放大器300和偏置电路。功率放大器300包括电源调制器340以用于生成调制的电源Vsupply。功率放大器300进一步包括具有晶体管301的主放大器，晶体管301具有被耦合以通过电容器302接收输入信号的控制端子。例如，控制端子通过电感器303被基准电压偏置。晶体管301的源极被耦合到地并且漏极通过扼流电感器304被耦合到Vsupply。
功率放大器300进一步包括具有晶体管305的峰值放大器级，晶体管305具有被耦合以经过四分之一波长相移电路306和电容器307接收输入信号。例如，控制端子通过电感器308被偏置电路偏置。晶体管305的源极被耦合到地并且漏极经过扼流电感器309被耦合到Vsupply。在晶体管305的漏极的峰值级的输出通过输出负载(OL)310和阻抗逆变电路311被耦合到在晶体管301的漏极的主级的输出。例如，峰值级的输出还通过电容器312被耦合到负载313(例如，天线以及可能的其他电路装置)。
在本示例中，晶体管301和晶体管305是MOS器件，但应当理解可以使用诸如GaAs(砷化镓)、双极型或其他器件类型的其他器件。
在一个实施例中，偏置电路包括减法器电路。在该示例实施方式中，减法器电路包括放大器320，放大器320具有通过电阻器R1和函数电路350(“F(Vs)”)耦合到Vsupply的负输入端子。放大器320的输出通过反馈电阻器R2被耦合到负输入。正输入端子通过电阻R3被耦合到基准电压Vref并且通过电阻R4被耦合到地。在一些实施例中，Vref也可以被调制(例如，根据与Vsupply相同的调制)。放大器在电容器321上产生偏置电压Vg(peaking)并且到电感器308的一个端子。在低频率，电感器308是短路，并且Vg(peaking)被耦合到晶体管305的栅极以在峰值级上设置偏置。
函数电路305可以被用来控制偏置电压Vg(peaking)和Vsupply之间的关系。在一个示例中，电路350可以是短路以便偏置电压与Vsupply近似线性相关。在其他实施例中，函数电路350可以产生Vsupply和V1之间的其他函数关系，该函数关系被提供到减法器电路。例如，函数电路可以使V1是Vsupply的平方(例如，“V1＝(Vsupply)2”)。作为另一示例，函数电路350可以使V1是Vsupply的多项式(例如，“V1＝Vsupply+A(Vsupply)2”，其中A是常数)。
对于线性的示例，偏置电路从与Vref成比例的另一值减去与Vsupply成比例的值。因此，当Vsupply大时，输出电压为低，并且随着Vsupply降低，从Vref减去的数量降低并且偏置电压增加。在图3中的偏置电路是可以被用来产生如在图2中所示的线性改变的偏置电压的一个示例实施方式。基于本公开，应当理解，各种其他减法电路可以被用来改变峰值放大器上的偏置电压来改善功率放大器的效率。
图3B图示了针对不同的电源电压的到峰值放大器的输入信号。晶体管305可以被偏置成刚好不导通(例如，关断)以便只有具有高于特定阈值的电压的输入信号可以产生输出。绘图304A图示了到第一电源电压的峰值放大器的输入电压信号341以用于最大输出功率以及到较低电源电压的峰值放大器的输入电压信号342以用于较低的输出功率。在最大功率，峰值放大器被偏置在第一偏置水平BIAS1以便当输入信号高于在390图示的第一水平时，峰值放大器基于输入信号产生输出。对于正弦信号，峰值放大器可以被偏置成仅输出输入信号的一部分，由相位角“θ”表示(例如，生成输出的输入的相位)。然而，随着输出功率从最大回落，系统可以降低到峰值放大器的电源电压和输入电压信号。对于相同的偏置电压BIAS1，降低的输入电压信号342将导致输入信号的更少的部分被耦合到输出(例如，相位角“θ”减少)并且功率放大器将不那么有效率地操作。因此，随着输出功率降低，电源电压和输入电压的对应的降低可以被从BIAS1到BIAS2增加偏置电压补偿，例如，如在340B所示。这里，在较低的电源电压处，利用较大的偏置电压将输入信号342DC上移以维持在输出处放大的信号的近似恒定的部分(例如，跨电源电压的变化维持相位角θ)。
图4图示了根据一个实施例的示例功率放大器的仿真的性能曲线。绘图401和绘图402分别示出在峰值放大器的静态栅极偏置的情况下跨一系列的输出功率Po和电源电压(这里被表示为Vhigh)的增益和PAE。绘图403和绘图404分别示出在如本文所描述的峰值放大器的动态栅极偏置的情况下跨一系列的输出功率和电源电压的增益和PAE。绘图401和绘图403图示了利用峰值放大器的动态栅极偏置改善了系统的增益。同样地，绘图402和绘图404图示了利用峰值放大器的动态栅极偏置改善了多尔蒂峰值的完整性(integrity)。
图5图示了根据一个实施例的具有电源电压调制和峰值放大器的动态偏置的功率放大器的仿真的效率。该示例图示了如应用到两个不同的无线协议的一个实例配置的PAE对输出功率。绘图501示出应用于高速分组接入(HSPA)协议的放大器效率。曲线510示出了HSPA信号的概率分布函数，这示出了在给定平均发射功率的情况下信号在特定瞬时功率级的频率。曲线511示出在如本文描述的峰值级的动态偏置的情况下多尔蒂功率放大器的PAE的包络，其跨HSPA信号的整个频谱表现出高效率。类似地，绘图502示出了应用于长期演进(LTE)协议的放大器效率。曲线512示出了LTE信号的概率分布函数，这示出了在给定平均发射功率的情况下信号在特定瞬时功率级的频率。曲线513示出在如本文描述的峰值级的动态偏置的情况下多尔蒂功率放大器的PAE的包络，其跨LTE信号的整个频率表现出高效率。应当理解，本文描述的技术可以应用于许多其他协议并且以上示例仅仅是解释性的。
图6图示了根据另一实施例的操作功率放大器的过程。在601，可以生成到功率放大器的主放大器级和峰值放大器级的动态电源电压。例如，功率放大器可以是多尔蒂功率放大器。在602，生成到峰值级的偏置电压。偏置电压可以根据到峰值级的电源电压的变化而变化。例如，到峰值级的偏置电压可以随着峰值级的电源电压降低而增加，并且到峰值级的偏置电压可以随着峰值级的电源电压增加而降低。在603，可以从功率放大器生成输出信号(例如，电压)。功率放大器的输出端子可以被耦合到天线以将由功率放大器接收的RF信号驱动到天线以用于在电波上广播。
以上描述说明了本公开的各种实施例以及特定实施例的方面可以如何被实施的示例。以上示例不应当被认为是仅有的实施例，并且被呈现以解释如有以下的权利要求限定的特定实施例的灵活性和优势。基于以上公开和以下权利要求，在不脱离如由权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实施方式和等价物。
Claims (15)
1.一种电路，包括：
功率放大器，包括主放大器级和峰值放大器级，其中所述峰值放大器级的输出通过阻抗逆变电路被耦合到所述主放大器级的输出，其中所述峰值放大器级的输出被耦合到所述功率放大器的输出端子，所述功率放大器在所述输出端子上产生输出电压，其中所述主放大器级包括第一电源端子并且所述峰值放大器级包括第二电源端子；
电源电路，被耦合到所述第一电源端子和所述第二电源端子，以向所述主放大器级和所述峰值放大器级提供一个或多个动态电源电压；以及
偏置电路，用以偏置所述峰值放大器级，其中由所述偏置电路产生的到所述峰值放大器级的偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而增加，其中所述偏置电路包括耦合到所述第二电源端子的输入和耦合到所述峰值放大器级的输入的输出。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电路包括减法器电路。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述减法器电路包括：
放大器，具有第一输入、第二输入和输出，其中所述放大器的输出通过电感器被耦合到所述峰值放大器级的输入；
第一电阻器，耦合在所述第二电源端子和所述放大器的第一输入之间；
第二电阻器，耦合在所述放大器的输出和所述放大器的第一输入之间；
第三电阻器，耦合在基准电压和所述放大器的第二输入之间；以及
第四电阻器，耦合在所述放大器的第二输入和地之间。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而线性增加。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而单调增加。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述峰值放大器级包括晶体管，所述晶体管具有被耦合以接收输入电压的控制端子、耦合到地的第一端子以及通过电感器耦合到所述第二电源端子的第二端子。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述功率放大器是多尔蒂功率放大器。
8.一种用于偏置功率放大器的方法，包括：
在所述功率放大器中生成输出电压，所述功率放大器包括主放大器级和峰值放大器级，其中所述峰值放大器级的输出通过阻抗逆变电路被耦合到所述主放大器级的输出，其中所述峰值放大器级的输出被耦合到所述功率放大器的输出端子，其中所述主放大器级包括第一电源端子并且所述峰值放大器级包括第二电源端子；
在电源电路中生成一个或多个动态电源电压，其中所述一个或多个动态电源电压被耦合到所述主放大器级的第一电源端子和所述峰值放大器级的第二电源端子；
生成偏置电压以偏置所述峰值放大器级，其中所述偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而增加，其中基于所述第二电源端子上的所述电压在偏置电路中生成所述偏置电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中生成所述偏置电压包括从第一基准电压中减去对应于所述第二电源端子上的电压的第一电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一基准电压被调制。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述减去包括：
通过第一电阻器将所述第二电源端子上的电压耦合到放大器的第一输入，其中所述放大器的输出通过第二电阻器被耦合到所述第一输入并且所述输出通过电感器被耦合到所述峰值放大器级的输入；以及
通过第三电阻器将所述第一基准电压耦合到所述放大器的第二输入，其中所述放大器的第二输入通过第四电阻器被耦合到地。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而线性增加。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述偏置电压随着所述第二电源端子上的电压降低而单调增加。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述峰值放大器级包括晶体管，所述晶体管具有被耦合以接收输入电压的控制端子、耦合到地的第一端子以及通过电感器耦合到所述第二电源端子的第二端子。
15.根据权利要求8所述的方法，其中所述功率放大器是多尔蒂功率放大器。
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