CN106877826B - 栅偏置网络的自偏置分布式放大器的功率增强装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本文提供了具有栅极偏置网络的自偏置分布式放大器的功率增强装置和方法。通过采样输出功率，具有滤波器网络的栅极偏置网络可以调整栅极偏置，以便改进P1dB压缩点和自偏置分布式放大器的Psat饱和功率电平。有利地，可以使用无源部件来导出滤波器网络，从而使其易于实现并且成本有效的方法来改进线性和输出功率。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，更具体地涉及具有栅极偏置网络的射频(RF)放大器。
背景技术
射频(RF)放大器可以使用分布式放大器以具有改进的线性度来放大RF信号。可以使用为高频操作定制的场效应晶体管(FET)或双极晶体管来形成分布式放大器。例如，可以使用GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)或SiC金属半导体FET(MESFET)制造分布式放大器。
一种应用是功率放大。RF放大器可以用在通信系统中以放大RF信号以在天线或电缆处传输。
发明内容
在一个实施例中，一种装置包括电子设备，功率检测电路和控制路径。该电子装置至少具有第一端，第二端及第三端；并且所述电子设备是射频(RF)功率放大器的输出级的一部分。功率检测电路耦合到输出级的输出节点；并且所述功率检测电路被配置为在检测节点处生成检测输出。控制路径设置在电源检测电路的检测节点和电子设备的第一节点之间；并且控制路径由无源低通滤波器网络组成。此外，控制路径被配置为对电子设备的偏置提供升压以减少增益压缩。
输出级还可以包括用于分布式架构的多个并联的电子设备。此外，功率检测电路可以电容耦合到输出级的输出节点。或者功率检测电路可以通过耦合的线耦合器耦合到输出级的输出节点。此外，功率检测电路可以包括整流器。
无源滤波器网络可以包括具有至少第一电阻器，第二电阻器和电容器的低通滤波器网络。电容器的电容量和与第一电阻器相关联的第一电阻的量可以确定升压对偏压的冲击速率。另外，与第二电阻器相关联的电容量和第二电阻器的量可以确定对偏置的升压的衰减速率。
电子器件可以经由耦合到第二端子的电阻器自偏置。电子器件可以包括场效应晶体管，其中第一端子对应于栅极，第二端子对应于源极，第三端子对应于漏极。场效应晶体管可以是增强型场效应晶体管或耗尽型场效应晶体管。此外，场效应晶体管可以是n型或p型场效应晶体管。
电子器件还可以包括双极结型晶体管，其具有对应于基极的第一端子，第二端子对应于发射极，第三端子对应于集电极。双极结型晶体管可以是npn双极结型晶体管或pnp双极型结型晶体管。
在另一实施例中，一种装置包括射频(RF)功率放大器，功率检测电路和控制路径。RF功率放大器具有至少一个输入节点和一个输出节点。功率检测电路耦合到输出节点并且被配置为在检测节点处产生检测输出。控制路径设置在功率检测电路的检测节点和RF功率放大器的输入节点之间；并且控制路径由无源滤波器网络组成。此外，控制路径被配置为提供对RF功率放大器的偏置的升压以减少增益压缩。
RF功率放大器还可以包括用于分布式架构的多个并联的放大器。此外，功率检测电路可以电容耦合到输出节点。或者功率检测电路可以通过耦合的线耦合器耦合到输出节点。此外，功率检测电路可以被配置为检测输出节点处的信号的包络。
无源滤波器网络可以包括具有电阻器和至少一个存储元件(诸如电容器或电感器)的低通滤波器网络。
在另一个实施例中，一种放大的方法包括：自偏置射频(RF)功率放大器；检测所述RF功率放大器的输出功率电平以产生功率检测信号；仅使用无源滤波器网络处理所述功率检测信号以产生控制信号；以及将所述控制信号施加到所述RF功率放大器的输入以调整所述RF功率放大器的偏置。RF功率放大器至少具有输入节点和输出节点，并且RF功率放大器的偏置被调节以减小增益压缩。
RF功率放大器还可以包括用于分布式架构的多个并联的放大器。检测RF功率放大器的输出功率电平还可以包括包络检测；并且无源滤波器网络可以包括低通滤波器网络。
附图说明
提供这些附图和本文中的相关描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是限制性的。
图1是根据本发明的实施例的具有栅极偏置滤波器网络的自偏置放大器的系统。
图2是根据本发明的实施例的具有栅极偏置滤波器网络的自偏置放大器的系统的场效应晶体管(FET)实现。
图3A和3B示出根据实施例的具有栅极偏置滤波器网络的场效应晶体管自偏置放大器的栅极电压和栅极到源极电压与RF输入功率的关系。
图4A示出将1dB压缩点(P1dB)相对于具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的频率与P1dB相对于没有栅极偏置的自偏置放大器的频率的曲线图进行比较的测量结果过滤。
图4B示出将饱和功率电平Psat与具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的频率的曲线与不具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的Psat与频率的曲线的比较的测量结果。
具体实施方式
实施例的以下详细描述呈现了本发明的具体实施例的各种描述。然而，本发明可以以由权利要求限定和涵盖的多种不同方式来实施。在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的元件。
为了满足现代电信系统中高速数据传输的需求，分布式放大器可以实现为增加带宽的技术。使用诸如FET(场效应晶体管)或双极晶体管的有源器件，分布式放大器可以级联或分布两个或更多个有源器件以增强带宽。
使用有源器件形成的放大级使用稳定的偏置技术来减轻施加在放大器上的非线性器件行为(例如增益)和环境(例如温度)的变化。偏置有源器件和放大器级的一种方法是发射极或源极退化，其中有意地将阻抗与有源FET的源极或有源双极晶体管的发射极串联放置。例如，被配置为A类放大器的公共源极FET或共发射极双极晶体管可以通过添加源极/发射极电阻器而被自偏置。
不幸的是，包括用于自偏置放大级的源极/发射极电阻器可以减小P1dB，当放大器处于1dB压缩点时的输出功率，以及Psat，当放大器饱和时的输出功率，这是RF放大器的品质因数。此外，对于大输入信号摆幅，源/射极电阻可导致压缩，产生非线性效应。因此，需要一种电路方法来改进自偏置分布式放大器的P1dB和Psat特性，并减轻包括压缩的非线性效应。
本文提出了用于具有栅极偏置网络的功率增强自偏置分布式放大器的装置和方法。通过采样输出功率，具有滤波器网络的栅极偏置网络可以调整栅极偏置，以便提高P1dB和Psat的品质因数，或者简单地提高P1dB点和Psat。有利地，可以使用无源部件导出滤波器，从而使其成为改进线性和输出功率的容易且成本有效的方法。
通过将网络从输出插入到栅极偏置，可以改进1dB压缩(P1db)和自偏置分布式放大器的饱和功率Psat的功率。输出功率被感测并转换为DC信号，其被施加回栅极偏置。当驱动到P1dB点时，调节栅极偏置补偿自偏置放大器的静态电流降，并改进P1db和Psat。没有调节栅极偏置补偿的自偏置分布式放大器通过比较显示出较低的P1dB和Psat。
图1是根据本发明的实施例的具有栅极偏置滤波器网络108的自偏置放大器102的系统100。系统100包括自偏置放大器102，耦合电路104，功率检测器106和栅极偏置滤波器网络108.系统100接收RF输入信号RFin并提供RF输出信号RFout。自偏置放大器102从电源Vdd接收功率并接收RF输入信号RFin。自偏置放大器102的输出耦合到耦合电路104，耦合电路104从自偏置放大器102接收放大信号并提供RF输出信号RFout。耦合电路耦合来自RF输出信号RFout的相对小部分的功率，并将功率信号的样本提供给功率检测器106.功率检测器106检测采样的功率信号的功率，以间接地估计功率电平RF输出信号RFout。功率检测器106向栅极偏置滤波器网络108提供检测输出；栅极偏置滤波器网络108然后对检测输出进行滤波，使得其可以作为偏置信号Vb施加在自偏置放大器102的标记为Vb的网络端口。
自偏置放大器102可以表示单个有源元件，例如FET，或者可以表示来自具有多于一个有源元件的分布式放大器的多个放大单元，并且可以使用FET或双极晶体管。此外，栅极偏置滤波器网络108可以将滤波的输出信号提供给有源元件的一个或多个栅极。有源元件可以是耗尽型场效应晶体管或增强型场效应晶体管。另外，在使用双极工艺实现的RF放大器的情况下，栅极可以是双极晶体管的基极。
图2是根据本发明实施例的具有栅极偏置滤波器网络的自偏置放大器202的系统100的场效应晶体管(FET)实现200的示例。如图2所示，FET实现200在输入端口RFin处接收RF输入信号RFin，并在输出端口RFout处提供RF输出信号RFout。自偏置放大器202具有FET204，其具有被配置为A类放大器的栅极G，源极S和漏极。在该配置中，漏极提供施加到栅极G的RF输入信号的放大。在栅极G处的RF输入信号耦合到RF输入信号RFin；此外，在某些实施例中，多于一级的有源器件可以插入在RF输入信号RFin和栅极G之间，而多于一级的有源器件可以插入在FET 204的漏极和RF输出信号RFout。
如图2所示，FET实现200具有电容器C1，二极管D1，电阻器R1，电容器C2，电阻器R2，电容器C3，自偏压电阻器R3，电阻器R4和电阻器R5。电容器C1电连接在输出端口RFout和二极管D1的阴极之间。二极管D1的阳极电连接到地。自偏压通过电连接在源极S和地之间的自偏压电阻器R3来实现；还通过与自偏压电阻器R3并联连接的电容器C3来提供耦合。在RF频率下，电容器C3可以操作为相对低的阻抗或短路，以便改进分布式放大器的FET实现200的RF增益。如图2所示，电阻R1在二极管D1的阴极和网络端口Vb之间。电容器C2电连接在网络端口Vb和DC电压参考之间，在所示的示例中是接地。电阻R4电连接在栅极G和网络端口Vb之间，而电阻R2电连接在网络端口Vb和地之间。
如图2的配置所示，电阻器R5电连接在FET 204的漏极和电源Vdd之间，以向自偏置放大器202提供负载。虽然负载是电阻器R5，但是其他配置也是可能的。例如，负载可以仅包括诸如电感器的电抗部件；或者除了具有电阻器R5之外，负载还可以包括诸如并联和串联连接的电感器的电抗部件。
在将图1的系统100与图2的FET实现进行比较时，电容器C1可以用作耦合电路104，而二极管D1可以用作功率检测器106。电阻器R1，R2和R4形成具有电容器C3的低通网络并且用作栅极偏置滤波器网络108。
电容器C1对来自RF输出信号RFout网络的功率进行采样，并且二极管D1对来自采样功率的电压进行整流以提供检测到的信号或电压。然后，滤波器网络可以对检测到的电压进行低通滤波，以在网络端口Vb处提供偏置信号Vb。
FET 204的漏极电流的DC分量可以随着栅极G处的RF输入功率而增加。因为漏极电流也流过自偏压电阻器R3，所以由自偏压电阻器产生的栅极-源极电压R3将随着RF输入功率的增加而增加。例如，当FET 204的漏极电流增加并且图2的FET实现200从低电平或小信号操作转变到大信号操作时，栅源电压降可以从0.53V变化到0.6V。当在栅极G处RF输入功率存在大的信号摆幅时，自偏压电阻器R3两端的电压增加，从而防止或减小漏极电流的增加。不幸的是，跨自偏压电阻器R3的电压的增加可能不期望地引起具有大信号的增益压缩。通过使用栅极偏置滤波器网络来提供偏置信号Vb以补充栅极偏置，可以减少或消除增益压缩。
少量的RF输出功率由二极管D1整流。经整流的DC分量由电阻器R1和R2分压并施加到用于偏置的栅极G.当在栅极G处没有RF输入功率时，则可以忽略栅极偏置滤波器网络。以这种方式，仅具有包括电阻器和电容器的无源部件的栅极偏置滤波器网络可以有利地用相对少的附加电路来实现，并且可以被配置为在工作静态电流中引起很小或没有变化。
当RF输出信号RFout的功率电平达到某一电平时，栅极偏置滤波器网络可以经由网络端口Vb向FET 204的栅极提供调整的DC电压，以便补偿增加的电压降跨过自偏压电阻器R3。这又可以改变FET 204的偏置电平，使得P1dB点和Psat增强。
有利地，由于通过无源组件实现栅极偏置滤波器网络，图2的FET实现200可以增加P1dB点和Psat的品质因数，而芯片面积几乎没有增加。根据应用，RF输出功率RFout可以通过电容器C1或耦合的线耦合器耦合。此外，作为紧凑区域的优点，二极管D1和电阻器R1可以被制造为集成电路的一部分，并且二极管和电阻器可以占据整个管芯面积的很小或可忽略的部分。
电阻器R1和电阻器R2还可以提供耦合因子，以方便地控制RF输出信号RFout的检测输出的强度。这可以允许当RF输出信号的输出功率变化时的自由度。
图2的FET实现200可以使用诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的FET工艺技术设计为单片集成电路(MMIC)。在某些配置中，FET 204可以是耗尽型晶体管。二极管D1可以被选择为具有适于在输出功率电平范围上对RF输出信号RF进行整流的面积。在一个实施例中，电阻器R1和R2的电阻各自可以是在工艺公差内约1000欧姆。在其他实施例中，电阻器R1和R2的电阻可以具有不同的值。例如，电阻器R1的电阻可以是大约1000欧姆，电阻器R2的电阻可以是大约1250欧姆。电容器C1可以被选择为具有相对小的电容，例如0.2pF，以便不加载RF输出信号RFout。可以选择电容器C1的电容的大小以在没有加载输出的情况下检测或耦合处于足够电平的RF输出信号RFout，并且其可以随着二极管D1的尺寸而变化。此外，可以调节其尺寸和电容以调节耦合灵敏度。其它量的电阻和电容将是可应用的，并且将由本领域的普通技术人员容易地确定。
可以基于包括RF输出负载和滤波器时间常数的设计约束来选择电阻器R1，R2，R4和C2的电容和电阻值的选择。如上所述，电阻器R1可以具有诸如1000欧姆的电阻值，使得其足够大以不从RF输出信号RFout吸取或加载大量功率，而不大到使得滤波器时间常数为大。通常，时间常数可以随电阻值(例如电阻器R1的电阻)以及电容(例如电容器C2的电容)直接变化。
与电阻器R1和电容器C2相关联的时间常数也被称为攻击时间常数。电阻R1的电阻直接影响攻击时间常数。此外，与电阻器R2和电容器C2相关联的时间常数与下降时间有关。随着R2的电阻减小，下降时间减小。如上所述，其可以具有等于或不同于电阻器R1的电阻的电阻。
在一些实施例中，可以选择低通滤波器时间常数以具有低值，意味着具有短的时间常数，以便跟随信号包络并响应于RF输出信号RFout的峰值。在其他实施例中，可以选择低通滤波器时间常数以具有更大的值，以便触发RF输出信号RFout的平均值。
有利地，二极管D1，电阻器R1，R2和R4以及电容器C1和C2可以集成在包括FET 204的分布式放大器的FET实现200内，芯片面积很少或没有增加。此外，尽管图2的实施例示出了一种配置，但是其他配置也是可能的。例如，电容器C1可以用耦合器代替。此外，在一些配置中，二极管D1可以由诸如晶体管或热敏电阻的部件代替；并且FET 204可以是增强型FET。或者，FET 204可以由双极晶体管代替；或者代替使用CMOS工艺，可以使用诸如GaAs的HBT或III-V半导体工艺来实现具有栅极偏置反馈网络的分布式放大器。
图3A和3B示出根据实施例的模拟的具有栅极偏置滤波器网络的场效应自偏置放大器的栅极电压302和栅极到源极电压304与RF输入功率的关系。该实施例可以是具有如图2所示的具有栅极G和源极S的FET 204的FET实现200.参考图3A，3B和图2，RF输入功率可以是RF的RF输入功率输入信号RFin。栅极电压302可以是由栅极偏置反馈网络经由偏置信号Vb提供的FET 204的栅极处的电压。如图3A所示，在RF输入功率轴的对数标度上，对于小于-6dBm的相对较低的输入功率值，栅极电压为零或几乎为零。随着输入功率从-6dBm增加，由于从栅极偏置反馈网络提供的偏置信号Vb的增加，栅极G处的栅极电压增加。如图3B所示，对于RF输入功率轴的对数标度，对于小于-6dBm的相对低的输入功率值，由于自偏置电阻器R3两端的电压，FET 204的栅极到源极电压降低。然后，随着输入功率从-6dBm增加，由于从栅极偏置反馈网络提供的偏置信号Vb的补偿效应，FET 204的栅极到源极电压增加而不是减小。栅极电压302的这种增加和栅极到源极电压304的整体增加补偿或抵消自偏压电阻器R3上的上升电压，以便减小增益压缩并改进P1dB点和Psat。
图4A示出了将1dB压缩点P1dB对具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的频率的曲线402与P1dB对没有栅极偏置的自偏置放大器的频率的曲线404进行比较的测量结果过滤。曲线402可以表示诸如图2所示的FET实现200的实施例的P1dB，而曲线404可以表示诸如FET实现200但没有栅极偏置滤波器的实施例的P1dB。例如，曲线404可以表示除了电容器C1和C2，电阻器R1，R2和R4以及二极管D1之外的分布式放大器的FET实现。曲线402与曲线404的比较示出当分布式放大器具有如图2所示的栅极偏置滤波器时，P1dB点在整个频带上至少3dB。
图4B示出将饱和功率电平Psat与具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的频率的曲线406与不具有栅极偏置滤波器的自偏置放大器的Psat与频率的曲线408进行比较的测量结果。图4B示出当分布式放大器具有如图2所示的栅极偏置滤波器时，在整个频带上的Psat也有改进。
应用
采用具有栅极偏置网络的上述自偏置分布式放大器的设备可以实现在各种电子设备中。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品，消费电子产品的部件，电子测试设备等。电子设备的示例还可以包括光网络或其他通信网络的电路。消费电子产品可以包括但不限于汽车，摄像机，照相机，数字照相机，便携式存储器芯片，洗衣机，烘干机，洗衣机/干衣机，复印机，传真机，扫描仪，多功能外围设备等。此外，电子设备可以包括未完成的产品，包括用于工业，医疗和汽车应用的产品。
前述描述和权利要求可以将元件或特征称为“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非另有明确说明，“连接”是指一个元件/特征直接或间接连接到另一元件/特征，并且不一定机械地。同样，除非另有明确说明，“耦合”是指一个元件/特征直接或间接耦合到另一元件/特征，并且不一定机械地耦合。因此，尽管图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例布置，但是在实际实施例中可以存在额外的中间元件，设备，特征或组件(假设所描绘的电路的功能不受不利影响)。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员显而易见的其它实施例(包括不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例)也在本发明的范围内。此外，上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以并入到其他实施例中。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求来限定。
Claims (22)
1.一种用于调整放大器的偏置的装置，所述装置包括：
具有至少第一端子、第二端子和第三端子的电子设备，其中所述电子设备是射频RF功率放大器的输出级的一部分；
耦合到所述输出级的输出节点的功率检测电路，其中所述功率检测电路被配置为在检测节点处产生检测输出；和
控制路径，所述控制路径设置在所述功率检测电路的检测节点和所述电子设备的所述第一端子之间，其中所述控制路径由被布置为形成至少无源低通滤波器网络的无源部件组成，以及所述控制路径被配置为调整所述电子设备的偏置使得当所述功率检测电路指示在所述检测节点处的检测输出的功率的增加时，所述电子设备的偏置增加。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输出级还包括用于分布式架构的并行的多个电子设备。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率检测电路电容耦合到所述输出级的输出节点。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率检测电路通过耦合的线耦合器耦合到所述输出级的输出节点。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率检测电路包括整流器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述无源滤波器网络包括具有至少第一电阻器、第二电阻器和电容器的低通滤波器网络，其中所述电容器的电容量和与所述第一电阻器相关联的第一电阻量确定升压对所述偏置的冲击速率，以及其中所述电容量和与所述第二电阻器相关联的第二电阻量确定所述升压对所述偏置的衰减速率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子设备经由耦合到所述第二端子的电阻器是自偏置的。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子设备包括场效应晶体管，其中所述第一端子对应于栅极，所述第二端子对应于源极，以及所述第三端子对应于漏极。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述场效应晶体管是增强型场效应晶体管或耗尽型场效应晶体管。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述场效应晶体管是n型场效应晶体管或p型场效应晶体管。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子设备包括双极结型晶体管，其中所述第一端子对应于基极，所述第二端子对应于发射极，以及所述第三端子对应于集电极。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述双极结型晶体管是npn双极结型晶体管或pnp双极结型晶体管。
13.一种用于调整放大器的偏置的装置，所述装置包括：
具有至少输入节点和输出节点的射频RF功率放大器；
耦合到所述输出节点的功率检测电路，其中所述功率检测电路被配置为在检测节点处产生检测输出；和
控制路径，所述控制路径设置在所述功率检测电路的检测节点和所述RF功率放大器的输入节点之间，其中所述控制路径由被布置为形成至少无源滤波器网络的无源部件组成，以及所述控制路径被配置为调整所述RF功率放大器的偏置使得当所述功率检测电路指示所述输出节点中的功率增加时，所述RF功率放大器的偏置增加。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述RF功率放大器还包括用于分布式架构的并行的多个放大器。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述功率检测电路电容耦合到所述输出节点。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述功率检测电路被配置为检测所述输出节点处的信号的包络。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述功率检测电路通过耦合的线耦合器耦合到所述输出节点。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述无源滤波器网络包括具有电阻器和至少一个存储元件的低通滤波器网络。
19.一种用于调整分布式放大器的偏置的方法，所述方法包括：
自偏置射频RF功率放大器，其中所述RF功率放大器具有至少输入节点和输出节点；
检测所述RF功率放大器的输出功率电平以产生功率检测信号；
仅使用被布置为形成至少无源滤波器网络的无源部件来处理所述功率检测信号以产生控制信号；和
将所述控制信号施加到所述RF功率放大器的输入以调整所述RF功率放大器的偏置以减少增益压缩，其中响应于所述功率检测信号中的功率的增加，所述RF功率放大器的偏置增加。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述RF功率放大器还包括用于分布式架构的并行的多个放大器。
21.根据权利要求19所述的方法，检测还包括包络检测。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述无源滤波器网络包括低通滤波器网络。
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