CN107733377B - 时序可编程偏置电流源及其构成的射频放大器偏置电路 - Google Patents

时序可编程偏置电流源及其构成的射频放大器偏置电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时序可编程偏置电流源，包括:第一PMOS和第三PMOS源漏串联，第二PMOS和第四PMOS源漏串联；第一PMOS和第二PMOS源极连接电源电压，第三PMOS和第四PMOS的漏极相连后连接偏置电路；第二PMOS栅极通过第一电阻连接第一PMOS栅极，第一PMOS栅极连接偏置电压，第二PMOS栅极通过第一电容连接电源电压；第四PMOS栅极连接第三PMOS栅极，第三PMOS栅极连接使能电压。本发明还提供了一种含有所述时序可编程偏置电流源的射频放大器偏置电路。本发明的时序可编程偏置电流源通过时序调整电流源输出大小，也可以通过PMOS的沟道宽度来调整电流源输出大小，能实现微秒级别电流调整。

Description

时序可编程偏置电流源及其构成的射频放大器偏置电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种时序可编程偏置电流源。本发明还涉及由所述时序可编程偏置电流源构成的射频放大器偏置电路。
背景技术
WLAN(Wireless Local Area Network)无线通信等系统，使用时分复用(TDD)，即收和发不同时发生。发射机发射部分的时间(有信号部分)，相对于总体时间，只占据一部分，这成为占空比(duty cycle)。通信系统启动很短一段时间之后(在802.11ac中为400ns)，射频信号开始进入系统(信号开始点)，因此系统必须在这段时间内准备完毕。如图1所示，WLAN使用的OFDM的帧结构中，真正的数据(DATA)是20us以后才开始出现。但是前面的20us的前导码(Preamble)中，却包括了重要信息，比方说调制解调所使用的相位参考点，之后数据的参照点都以此为据。在实际解调中，后面的数据都要和前导码进行对比，如果两者差距太大，会造成接收机无法成功解码的严重后果。
如图2所示，在时域中发射机或者功率放大器，随时间的响应示意图。一旦迅速启动之后，响应有三种可能：1)启动缓慢，输出功率(或者说增益)仍旧缓慢上升；2)启动过冲，输出功率缓慢衰减；3)启动正常，输出功率随时间不变，启动正常是最理想的结果。
但在射频放大器实际工作中，射频放大器的增益，在温度上升的情况下，是下降的。射频放大器的温度(尤其是半导体的核心器件，比如BJT晶体管的PN结温度，或者MOSFET的沟道温度)，一旦工作之后，随时间是呈上升趋势的。形成这种情况有多种原因，晶体管本身的工作效率不足100％(任何物理器件都不会达到100％)是其中主要原因之一。因而晶体管能量会损失，因此要散热。但是散热不够快的话，热量就会积聚，导致晶体管温度上升。IC器件面积很小，这种情况非常普遍。随着时间的推移，温度逐渐上升。由此，通常射频放大器的增益，随时间是下降的。
应用于现代无线通信的射频放大器，有一个关键指标，就是线性度，它直接决定了无线通信的链路质量。其中，一个最重要的系统指标叫做矢量误差幅度EVM(Error VectorMagnitude)。EVM既可用百分比来描述，又可以用分贝dB来描述，但总是希望EVM越小(接近于0)越好。频分复用FDD系统和时分复用TDD系统中，都会有EVM的指标。FDD系统中，发射机不会时开时断，这样的系统在热力学上，相对来说长时间处于稳态。而对于TDD系统来说，为了节省功耗，发射机频繁地开启和关断，无论是热力学上还是电气上，始终处于动态状况。TDD系统中的这种热力学以及电气上的动态行为，直接导致了应用于TDD系统的射频放大器，为满足高线性度上的设计难度，大大提高。
如图3所示，比较了同一个放大器静态和动态的EVM。可见，同一个放大器，工作在动态情况下，线性度明显恶化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有实现微秒级别电流调整能力的时序可编程偏置电流源，本发明的时序可编程偏置电流源通过时序(利用R1和C1调节实现)调整电流源输出大小，也可以通过PMOS的沟道宽度Wd来调整电流源输出大小。本发明还提供了一种具有所述时序可编程偏置电流源的射频放大器偏置电路。
为解决上述技术问题，本发明提供的时序可编程偏置电流源，包括:第一～第四PMOS P1～P4、第一电阻R1和第一电容C1；
第一PMOS P1和第三PMOS P3源漏串联，第二PMOS P2和第四PMOS P4源漏串联；
第一PMOS P1和第二PMOS P2源极连接电源电压，第三PMOS P3和第四PMOS P4的漏极相连后连接偏置电路；
第二PMOS P2栅极通过第一电阻R1连接第一PMOS P1栅极，第一PMOS P1栅极连接偏置电压，第二PMOS P2栅极通过第一电容C1连接电源电压；
第四PMOS P4栅极连接第三PMOS P3栅极，第三PMOS P3栅极连接使能电压。
本发明提供的一种射频放大器偏置电路，包括：可编程偏置电流源、偏置电路和放大电路，偏置电路分别连接可编程偏置电流源和放大电路，其中，所述可编程偏置电流源采用上述时序可编程偏置电流源。
其中，所述偏置电路包括：第一BJT Q1、第二电阻R2和第三电阻R3；
第一BJT Q1的基极通过串联的第二电阻R2和第三电阻R3连接所述放大电路；
第一BJT Q1的集电极连接所述可编程偏置电流源并连接于第二电阻R2和第三电阻 R3之间；
第一BJT Q1的发射极接地。
所述放大电路包括：第二BJT Q2、第一电感L1、第二电容C2和第三电容C3；
第二BJT Q2集电极通过第一电感L1连接电源电压，第二BJT Q2集电极通过第二电容C2连接射频输出端，第二BJT Q2发射极接地，第二BJT Q2基极连接所述偏置电路，第二BJT Q2基极通过第三电容C3连接射频输入端。
其中，所述偏置电路包括：第一NMOS N1、第五电阻R5和第六电阻R6；
第一NMOS N1栅极通过串联的第五电阻R5和第六电阻R6连接所述放大电路；
第一NMOS N1漏极连接所述可编程偏置电流源并连接于第五电阻R5和第六电阻R6之间；
第一NMOS N1源极接地。
所述放大电路包括：第二NMOS N2、第二电感L2、第四电容C4和第五电容C5；
第二NMOS N2漏极通过第二电感L2连接电源电压，第二NMOS N2漏极通过第四电容C4连接射频输出端，第二NMOS N2源极接地，第二NMOS N2栅极连接所述偏置电路，第二NMOSN2栅极通过第五电容C5连接射频输入端。
如图4所示，以802.11ac为参照点，画出了本发明射频放大器偏置电路的一种电流输出与时间关系图。系统启动后射频信号进入前的时段为T0，T0必须小于400ns，T0越小越好；T0到T1之间，为第一调整期；T1到T2之间，为第二调整期。T2大约为10微秒到几十微秒，可调节。结合图5所示，左边的Ibs支路，实现了启动时候的基本电流，即图4中的I0。右边的Ibd支路，实现启动之后，给后续放大器偏置上微秒级别的电流细致调整能力。这种调节能力，不仅包括了时序(通过R1和C1来调节)，也可以通过PMOS的沟道宽度Wd来调整Ibd的大小，即图4中的I2，进一步还能调节图4中的T1和I1
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是WLAN系统使用的OFDM帧结构示意图。
图2是发射机或者功率放大器的时间与增益关系示意图。
图3是同一放大器在静态和动态的EVM条件下线性度变化示意图。
图4是以802.11ac为例的电流输出与时间关系示意图。
图5是本发明时序可编程偏置电流源的结构示意图。
图6是本发明射频放大器偏置电路第一实施例的结构示意图。
图7是本发明射频放大器偏置电路第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图5所示，发明提供的时序可编程偏置电流源，包括:第一～第四PMOS P1～P4、第一电阻R1和第一电容C1；
第一PMOS P1和第三PMOS P3源漏串联，第二PMOS P2和第四PMOS P4源漏串联；
第一PMOS P1和第二PMOS P2源极连接电源电压，第三PMOS P3和第四PMOS P4的漏极相连后连接偏置电路；
第二PMOS P2栅极通过第一电阻R1连接第一PMOS P1栅极，第一PMOS P1栅极连接偏置电压，第二PMOS P2栅极通过第一电容C1连接电源电压；
第四PMOS P4栅极连接第三PMOS P3栅极，第三PMOS P3栅极连接使能电压。
如图6所示，本发明提供的射频放大器偏置电路第一实施例，包括：可编程偏置电流源、偏置电路和放大电路偏置电路分别连接可编程偏置电流源和放大电路，其中，所述可编程偏置电流源采用图5所示时序可编程偏置电流源。
所述偏置电路包括：第一BJT Q1、第二电阻R2和第三电阻R3；所述放大电路包括：第二BJT Q2、第一电感L1、第二电容C2和第三电容C3；
第一BJT Q1的基极通过串联的第二电阻R2和第三电阻R3连接所述放大电路；
第一BJT Q1的集电极连接所述可编程偏置电流源并连接于第二电阻R2和第三电阻R3之间；
第一BJT Q1的发射极接地；
第二BJT Q2集电极通过第一电感L1连接电源电压，第二BJT Q2集电极通过第二电容C2连接射频输出端，第二BJT Q2发射极接地，第二BJT Q2基极连接所述偏置电路，第二BJT Q2基极通过第三电容C3连接射频输入端。
如图7所示，本发明提供的射频放大器偏置电路第二实施例，包括：可编程偏置电流源、偏置电路和放大电路，偏置电路分别连接可编程偏置电流源和放大电路，其中，所述可编程偏置电流源采用图5所示时序可编程偏置电流源。
所述偏置电路包括：第一NMOS N1、第五电阻R5和第六电阻R6；所述放大电路包括：第二NMOS N2、第二电感L2、第四电容C4和第五电容C5；
第一NMOS N1栅极通过串联的第五电阻R5和第六电阻R6连接所述放大电路；
第一NMOS N1漏极连接所述可编程偏置电流源并连接于第五电阻R5和第六电阻R6之间；第一NMOS N1源极接地；
第二NMOS N2漏极通过第二电感L2连接电源电压，第二NMOS N2漏极通过第四电容C4连接射频输出端，第二NMOS N2源极接地，第二NMOS N2栅极连接所述偏置电路，第二NMOSN2栅极通过第五电容C5连接射频输入端。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种时序可编程偏置电流源，其特征是，包括:第一~第四PMOS（P1~P4）、第一电阻（R1）和第一电容（C1）；
第一PMOS（P1）漏极连接第三PMOS（P3）源极，第二PMOS（P2）漏极连接第四PMOS（P4）源极；
第一PMOS（P1）和第二PMOS（P2）源极连接电源电压，第三PMOS（P3）和第四PMOS（P4）的漏极相连后连接偏置电路；
第二PMOS（P2）栅极通过第一电阻（R1）连接第一PMOS（P1）栅极，第一PMOS（P1）栅极连接偏置电压，第二PMOS（P2）栅极通过第一电容（C1）连接电源电压；
第四PMOS（P4）栅极连接第三PMOS（P3）栅极，第三PMOS（P3）栅极连接使能电压；
所述可编程偏置电流源能够利用第一电容（C1）和第一电阻（R1）的调节，通过时序调整输出至偏置电路的偏置电流。
2.一种射频放大器偏置电路，包括：可编程偏置电流源、偏置电路和放大电路，偏置电路分别连接可编程偏置电流源和放大电路，其特征是：所述可编程偏置电流源是权利要求1所述时序可编程偏置电流源。
3.如权利要求2所述的射频放大器偏置电路，其特征是：所述偏置电路包括：第一BJT（Q1）、第二电阻（R2）和第三电阻（R3）；
第一BJT（Q1）的基极通过串联的第二电阻（R2）和第三电阻（R3）连接所述放大电路；
第一BJT（Q1）的集电极连接所述可编程偏置电流源并连接于第二电阻（R2）和第三电阻（R3）之间；
第一BJT（Q1）的发射极接地。
4.如权利要求3所述的射频放大器偏置电路，其特征是：所述放大电路包括：第二BJT（Q2）、第一电感（L1）、第二电容（C2）和第三电容（C3）；
第二BJT（Q2）集电极通过第一电感（L1）连接电源电压，第二BJT（Q2）集电极通过第二电容（C2）连接射频输出端，第二BJT（Q2）发射极接地，第二BJT（Q2）基极连接所述偏置电路，第二BJT（Q2）基极通过第三电容（C3）连接射频输入端。
5.如权利要求2所述的射频放大器偏置电路，其特征是：所述偏置电路包括：第一NMOS（N1）、第五电阻（R5）和第六电阻（R6）；
第一NMOS（N1）栅极通过串联的第五电阻（R5）和第六电阻（R6）连接所述放大电路；
第一NMOS（N1）漏极连接所述可编程偏置电流源并连接于第五电阻（R5）和第六电阻（R6）之间；
第一NMOS（N1）源极接地。
6.如权利要求5所述的射频放大器偏置电路，其特征是：所述放大电路包括：第二NMOS（N2）、第二电感（L2）、第四电容（C4）和第五电容（C5）；
第二NMOS（N2）漏极通过第二电感（L2）连接电源电压，第二NMOS（N2）漏极通过第四电容（C4）连接射频输出端，第二NMOS（N2）源极接地，第二NMOS（N2）栅极连接所述偏置电路，第二NMOS（N2）栅极通过第五电容（C5）连接射频输入端。
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