CN1158754C - 用于场效应晶体管的偏置装置 - Google Patents

Abstract

一种功率放大器，用于具有一个低的单端电源电压和一个高需求输出功率的应用。所述放大器包括栅极耦合到输入(Pin)和漏极通过一个阻抗匹配级(60，70)耦合到输出(Pin)的一个FET(10)。晶体管栅极由一个阻抗(30)来偏置以及一个源极偏置元件(90，91)与旁路电容器(80，81)并联并将源极耦合接地。在晶体管源极和阻抗匹配级之间提供一个公共端(A)，并通过源极偏置元件接地。这对提高通过旁路电容器察觉的源极的阻抗有效果。能显著的降低经过源极旁路电容器元件的峰值电流，特别是降低到允许能更好控制电容器的尺寸以及能在芯片上实施。

Description

用于场效应晶体管的偏置装置

发明领域

本发明涉及一种耗尽型场效应管(FET)偏置装置。本发明尤其涉及射频功率放大器，该放大器利用用于一个低的单端的电压与高功率的需要结合的应用。

背景技术

耗尽型场效应管(FET)具有负的阈值或夹断电压。这意味着如果晶体管的源极在0V，栅极电压必须低于0V以便关闭晶体管。传统的交流功率放大器电路结构如图1所示。在这种装置中，FET100的栅极端G穿过隔直电容器110耦合到一个输入，以及通过一个电阻器120耦合到负的电源电压Vneg。FET源极端S接地，漏极端D通过电感器130(RF扼流)耦合到电源电压Vdd以及通过一个电阻器140和另一个隔直电容器150耦合到一个输出。这个装置的输出功率受FET110的栅极电压的控制。当栅极G的电压等于源极S的电压时，也就是说，当栅极是地时，FET是“ON”。为将FET转换至“OFF”，栅极必须被拉至比电源S更负的一个特定的量，所需的电压差取决于所使用的FET的类型。如果负电压电源不可用，放大器能仅仅通过关闭正极电源电压Vdd来关闭。实际上，经常使用一个由P沟道MOSFET构成的开关来完成这一点。

不使用负电源电压来对FET加偏置电压的进一步的方法是提高电源电压。这种装置如图2所示。在这种电路中，FET100的栅极端G通过电阻器R2 120接地，源极端也通过电阻器R1 160接地。旁路电容器170与源电阻器R1 160并联。电阻器R1 160被适合地选择以便在所希望的低的栅极电压下关闭FET。

该装置在当需要高的输出功率而相对低的电源电压Vdd可用的情况下就会出现问题。GSM移动电话就是一个例子。在GSM中，移动电话中的功率放大器具有一个典型的3V的电源电压但要求提供大约3W的输出功率。因此，由下一级所看到的FET100的输出阻抗是很低的，即只有几欧姆数量级。由于这个原因提供了一个阻抗匹配级，如图2所示，由第一端连接到FET漏极D和第二端连接到输出隔直电容器150的电感器180，以及连接该电感器第二端并接地的电容器190组成。然而，另一个、更多的问题是，低电源电压和需的高的输出功率导致的后果是在晶体管中的高电流。例如，在GSM中，3A的峰值电流是很普遍的。为使旁路电容器170在降低这些电流方面起作用，它就必须很大。例如，在晶体管中具有3A的峰值电流，就需要大约15nF的电容。在芯片上这种电容器很难实现。应注意的是对于应用射频(RF)和特定微波，电容器170通常不得不很大，不管电阻器160的值如何。在这些频率，电阻器160将具有一个明显的串联电感。因此即使电阻被设置为1欧姆的一小部分，为在芯片上实施也不允许旁路电容器太大。

因此本发明的目的是提供一种能克服与现有技术构造有关的问题的放大器装置。

本发明进一步的特定的目的是提供一种适用于使用低的、单端电源和RF用途的放大器装置。优选地，该装置也容易在芯片上实施。

发明概述

根据本发明的上面的目的是在包括FET的功率放大器中实现的，该FET的输入耦合到栅极接线端和输出通过连接在漏极端和地之间的阻抗匹配级耦合到漏极端。由旁路电容并联的源偏置元件将源极端耦合到地，根据本发明，在晶体管源极和阻抗匹配极之间提供公共端以及该公共端通过源偏置元件接地。

通过在晶体管源极和阻抗匹配元件之间提供公共端，源极端看进去的阻抗通过阻抗匹配元件被有效的限定。通过源极旁路电容器元件的峰值电流因此能显著地降低，特别能降低到允许电容器在一个更能控制的大小上以及能在芯片上实施。

源偏置元件也可是一个电阻器，选择被用来改变晶体管的栅-源电压，因此能关闭晶体管。

本发明的进一步的实施例，源偏置元件是第二场效应晶体管，最好是MOSFET，作为电压控制的电阻器工作。除偏置功率放大器之外，第二FET也能用作调整功率放大器。特别是通过改变第二FET的栅极电压来控制通过功率放大器的电流。

在优选的装置中，第二FET用作直流到直流的转换器，至少用于放大器的低的输出功率，其中它能被转换且它的电压可被滤波。通过这种方法，这种装置的性能能很大地提高。因为单一的第二FET在高输出功率时用作电压控制电阻器和低输出功率时用作开关，该解决办法从费用上讲也划算。

根据本发明，放大器装置优选被包括于至少用作移动电话的功率放大器的一级。

本发明也涉及结合有上述所述的功率放大器的移动电话。

附图的简单描述

本发明的进一步的目的和优点通过以下参照附图所给出的优选实施例的描述而变得清楚。

图1示出了具有正极和负极的电源电压的偏置FET功率放大器电路的传统装置；

图2示出具有使用源电阻器偏置FET的单端电源的RF FET功率放大器的电路装置；

图3示出用于根据本发明的RF FET功率放大器电路的偏置装置；

图4示出根据本发明的偏置装置的进一步的实施例，也能用作调整功率放大器的装置，以及

图5示出了根据本发明包括一个变压器的偏置装置的可选择的实施例。

附图的详细说明

在图1和图2中的电路已经在引言中描述过，因此没有必要再进一步讨论这些装置。

图3示出了功率放大器的电路结构。在这个实施例中，功率放大器指定用于GSM移动电话。在这种移动电话中，大约3V的单端电源电压(Vdd)用来为电路供电。功率放大器电路包括一个具有栅极G、源极S和漏极D的耗尽型场效应晶体管(FET)10。应用FET10的例子是GaAs MESFET，由于它的高的截止频率特别适合用于GSM中大约900Mhz的高信号频率。然而，应当理解这种电路装置对于其他的耗尽型FET也可具有相同的效果。对功率放大器来说栅极通过隔直电容器连接到输入Pin上。在图例中假定至少一级在先于功率放大器。栅极另外通过一个连接在栅极端和地之间的电阻器30偏置。漏极端通过一个电感器(RF扼流)40连接到正极电压电源Vdd。它也通过一个隔直电容器50和另外的电感器60连接到输出端Pout。电感器60形成阻抗匹配级的一部分，其余的部分是通过一端连接在电感器60和隔直电容器50之间和另一端连接在公共端A上的电容器70形组成。FET源极也连接到公共端A。从公共端A有两条通路接地。基本上，有通过两个电容器80和81为高频率元件提供的交流通路和通过电阻器90提供的直流通路。

正如在引言中参照附图2所描述的，阻抗匹配级有必要耦合很低的FET10的输出阻抗到下一级。从输出端Pout观察其打算模拟50欧姆传输线。FET10的低输出阻抗由低的电源电压Vdd和高的输出电源需求而导致。FET的输出阻抗为大约几欧姆的数量级。通过在晶体管10的源极和匹配件60，70之间提供公共端A，从电容器80和81所看到的源极端的阻抗远高于如图2所示的当匹配元件接地时的阻抗。如果图2的装置用于GSM移动电话的功率放大器，源极的阻抗将远低于1欧姆。相反，在图3的装置中，从旁路电容器80看时源极端的阻抗是由匹配元件决定的。换句话说，电容器80看见一个50欧姆的传输线。实际上，为FET10放大器和匹配元件60，70提供的公共端A将偏置电阻器90转移到高阻抗部分的右边。用虚线Z表示电路高的和低的阻抗区域的分界面。电容器81也位于高阻抗一边。作为在FET10源极的输出阻抗的有效增加的结果，通过电容器80和81传输的峰值电流比图2所示的电路更好控制。因此电容器可以尺寸更小和具体地，也就是容易在芯片上实施。

对一个GSM应用，该元件的典型值如下所述：用于匹配元件60，70的12pF的电容和2nH的电感，30pF的值用于剩下的电容器，也就是输入和输出隔直电容器20，50以及两个旁路电容器80，81。

应注意的是第二旁路电容器81是作为高频率应用的预防措施，在此，晶体管10的物理尺寸最好是接地的第二连接。然而，应当理解旁路功能能通过一个单一电容器充分实施。

如图3所示的装置，FET功率放大器10的栅极-源极电压能通过改变源极偏置电阻器90的阻抗来改变。可选择的是，电阻器能通过将栅极偏置电阻器30的电位设置成与源极端相同来改变到MESFET 10的漏极-源极电压。例如，如果相位必须保持恒定，这种装置也许会受到关注。

如图4所示的本发明的可选择的实施例。该电路与图3所示的非常相似，因此，相同的部件使用相同的参考数字。两个电路唯一的不同是源极直流偏置电阻器在图4中是用一个n沟道MOSFET91替换的。晶体管91在它的输出特征的线性区域工作，于是作为一个电压控制的电阻器，具有由栅极电压Vapc控制的公共端A和地之间的电阻。改变MOSFET91的栅极电压Vapc就可改变通过功率放大器的电流。

在这种构造中，MOSFET91不仅需要用于对功率放大器进行偏置而且还需要用于对其进行调整。于是输出功率Pout是通过控制MOSFET91的栅极电压Vapc而不是靠调整FET10的栅极电压来控制的。当这种装置在低输出功率导致一些漏极-源极电压的损失，这对于具有一个恒定负载的应用来说并不重要，在此不再需要栅极受控调整获得的额外的电压。

然而，漏极-源极电压的损失能通过转换MOSFET91和过滤其电压来避免，实际上是通过创建一个直流到直流的转换器。一个特别划算的方法是在高输出功率时将MOSFET91作为一个电压控制的电阻器而在低输出功率时作为一个开关使用。对本领域的普通技术人员来说用另一种直流到直流转换器的形式来代替MOSFET91也是很显然的。

图5示出了图3所示的装置的进一步的实施例。相同的部件也使用相同的参考数字。该电路与图3不同的是阻抗匹配级是由一个变压器61组成。需特别说明的是，变压器61包括两个线圈。第一个线圈通过一个隔直电容器62连接到FET10的漏极端和公共端A。第二个线圈连接在输出隔直电容器50和公共端A之间。变压器的阻抗匹配特性在本领域是公知的，这里不再详细讲述。需详细说明的是在如图5所给出的结构中，由在公共端A上的电容器80或者FET10的源极能察觉的阻抗是由变压器61来限定的。对如图3和4所示的装置，GSM应用的阻抗最好是50欧姆数量级。

显而易见，图5的偏置电阻器90能由FET开关，最好用一个n沟道MOSFET91替代，以创建一个如图4所示的相似的电路。

如图3至5所示的放大器电路能象讲述的那样使用对本领域普通技术人员来说是很好理解且可以应用的，或在多级功率放大器中合并为单级，例如用于移动电话。

Claims (12)

1.一种放大器，包括一个具有栅极，源极和漏极端的场效应晶体管(10)，一个耦合到栅极端的输入(Pin)和通过一个连接在漏极端和地之间的阻抗匹配级(60，70)耦合到所述的漏极端的输出(Pout)，其特征在于：将源极端耦合到地的源极偏置装置(90，91)，在源极端和阻抗匹配级(60，70)之间提供的公共端(A)，其中所述的公共端通过源极偏置装置(90，91)接地。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述的源极偏置装置与旁路电容器(80，81)并联。

3.如权利要求1或2所述的放大器，其特征在于：所述的阻抗匹配级包括耦合在所述的漏极端和输出(Pout)之间的电感(60)以及耦合在所述的输出和公共端(A)之间的第二电容器(70)。

4.如权利要求1或2所述的放大器，其特征在于：所述的阻抗匹配级包括具有耦合在漏极端和公共端(A)之间的第一线圈和连接在输出(Pout)和公共端(A)之间的第二线圈的变压器(61)。

5.如权利要求1或2所述的放大器，其特征在于：所述放大器还包括耦合在栅极和地之间的栅极偏置装置，所述的栅极偏置装置包括电阻(30)。

6.如权利要求1或2所述的放大器，其特征在于：所述的源极偏置装置包括电阻(90)，其中所述电阻的一端连接到地，而另外一端连接到所述公共端(A)。

7.如权利要求1或2的放大器，其特征在于：所述的源极偏置装置是一个直流到直流的转换器。

8.如权利要求1或2的放大器，其特征在于：所述的源极偏置装置包括第二场效应晶体管(91)，其中，所述晶体管的源极端和漏极端中的一个连接到地，而所述晶体管的源极端和漏极端中的另一个连接到所述公共端(A)，并且所述所述晶体管的栅极端连接到电压(Vapc)上。

9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于：所述的第二场效应晶体管(91)被切换至少用于低的放大器功率。

10.如权利要求8所述的放大器，其特征在于：所述的第二场效应晶体管是MOSFET。

11.一个用于移动电话的功率放大器，其特征在于：包括至少一个如上所述的任何一个权利要求的所述的放大器。

12.一种移动电话，其特征在于：包括如权利要求1至10所述的放大器。

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