CN116979906A - 通过使用交叉耦合组件的偏置控制使差分射频功率放大器线性化 - Google Patents

通过使用交叉耦合组件的偏置控制使差分射频功率放大器线性化 Download PDF

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Abstract

本公开涉及通过使用交叉耦合组件的偏置控制使差分射频功率放大器线性化。放大器可包含接收第一输入信号及第二输入信号的第一端子及第二端子，以及提供所述第一输入信号及第二输入信号的差分放大的差分放大器。所述差分放大器可包含接收所述第一输入信号的第一差分放大器级及接收所述第二输入信号的第二差分放大器级。所述放大器可进一步包含用于偏置所述第一差分放大器级的第一偏置电路，其中所述第一偏置电路连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制。所述放大器可进一步包含用于偏置所述第二差分放大器级的第二偏置电路，其中所述第二偏置电路连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。

Description

通过使用交叉耦合组件的偏置控制使差分射频功率放大器线 性化
技术领域
本公开大体涉及射频(RF)功率放大器，且更具体地说，涉及通信装置中的RF放大器。
背景技术
例如5G的先进移动通信系统采用频谱高效复杂调制方案，以在有限的频谱资源内实现高数据吞吐量。射频(RF)功率放大器(PA)是此类通信系统的关键组件。此外，先进通信系统对RF PA提出越来越严格的要求，以便在维持高效率的同时满足例如高峰均功率比(PAPR)及超宽带信号的技术要求。维持效率在移动应用中尤为重要，因为效率直接影响电池寿命及热管理问题。因此，需要开发用于高性能及高效功率放大的系统及方法。
发明内容
根据一或多个说明性实施例公开一种放大装置。在一个说明性实施例中，放大装置包含接收第一输入信号的第一输入端子及接收第二输入信号的第二输入端子。在另一说明性实施例中，放大装置包含提供第一输入信号及第二输入信号的差分放大的差分放大器，其中差分放大器包含接收第一输入信号的第一差分放大器级及接收第二输入信号的第二差分放大器级。在另一说明性实施例中，放大装置包含第一偏置电路，所述第一偏置电路包含偏置第一差分放大器级的第一缓冲器，其中第一偏置电路连接到第二输入端子以提供第一差分放大器级的反相偏置控制。在另一说明性实施例中，放大装置包含第二偏置电路，所述第二偏置电路包含偏置第二差分放大器级的第二缓冲器，其中第二偏置电路连接到第一输入端子以提供第二差分放大器级的反相偏置控制。
根据一或多个说明性实施例公开一种多级放大器。在一个说明性实施例中，多级放大器包含两个或更多个放大器级，其中两个或更多个放大器级中的至少一者包含接收第一输入信号的第一输入端子、经配置以接收第二输入信号的第二输入端子以及提供第一输入信号及第二输入信号的差分放大的差分放大器。在另一说明性实施例中，差分放大器包含第一差分放大器级及第二差分放大器级，所述第一差分放大器级包含一或多个晶体管且经配置以接收第一输入信号，所述第二差分放大器级包含一或多个晶体管且经配置以接收第二输入信号。在另一说明性实施例中，差分放大器进一步包含第一偏置电路，所述第一偏置电路包含偏置第一差分放大器级的第一缓冲器，其中第一偏置电路连接到第二输入端子以提供第一差分放大器级的反相偏置控制。在另一说明性实施例中，差分放大器进一步包含第二偏置电路，所述第二偏置电路包含偏置第二差分放大器级的第二缓冲器，其中第二偏置电路连接到第一输入端子以提供第二差分放大器级的反相偏置控制。
根据一或多个说明性实施例公开一种通信装置。在一个说明性实施例中，通信装置包含产生输入发射信号的发射器。在另一说明性实施例中，通信装置包含接收输入发射信号的一或多个放大器。在另一说明性实施例中，一或多个放大器中的至少一者包含：输入变压器，其用于接收输入发射信号并产生第一输入信号及第二输入信号；第一输入端子，其用于接收第一输入信号；第二输入端子，其经配置用于接收第二输入信号；及差分放大器，其提供第一输入信号及第二输入信号的差分放大。在另一说明性实施例中，差分放大器包含第一差分放大器级及第二差分放大器级，所述第一差分放大器级包含一或多个晶体管且经配置以接收第一输入信号，所述第二差分放大器级包含一或多个晶体管且经配置以接收第二输入信号。在另一说明性实施例中，差分放大器进一步包含第一偏置电路，所述第一偏置电路包含偏置第一差分放大器级的第一缓冲器，其中第一偏置电路连接到第二输入端子以提供第一差分放大器级的反相偏置控制。在另一说明性实施例中，差分放大器进一步包含第二偏置电路，所述第二偏置电路包含偏置第二差分放大器级的第二缓冲器，其中第二偏置电路连接到第一输入端子以提供第二差分放大器级的反相偏置控制，其中第一及第二差分放大器级提供第一及第二经放大输出信号。在另一说明性实施例中，通信装置进一步包含输出变压器，其经配置以接收第一及第二经放大输出信号并产生经放大发射信号。在另一说明性实施例中，通信装置进一步包含经配置以广播经放大发射信号的天线。
应理解，前述一般描述和以下具体实施方式两者仅为示范性及说明性的且未必限制本发明。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例且与一般描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
所属领域的技术人员可通过参考附图而更好地理解本公开的多个优点。
图1A是根据本公开的一或多个实施例的交叉耦合差分放大器的概念图。
图1B是根据本公开的一或多个实施例的包含输入匹配电路及输出匹配电路的交叉耦合差分放大器的概念图。
图1C是根据本公开的一或多个实施例的包含处于发射极跟随器晶体管的基极与相反差分输入信号之间的交叉耦合电容器的交叉耦合差分放大器的概念示意图。
图1D是根据本公开的一或多个实施例的包含处于发射极跟随器晶体管的发射极与相反差分输入信号之间的交叉耦合电容器的交叉耦合差分放大器的概念示意图。
图1E是根据本公开的一或多个实施例的具有包含放大器及移相器的交叉耦合电路的交叉耦合差分放大器的概念示意图。
图1F是具有实施为外部块以提供用于偏置控制的反相注入的交叉耦合电路的交叉耦合差分放大器的概念示意图。
图2是说明根据本公开的一或多个实施例的具有增加功率的差分输入信号的典型放大器的基极电压的降低的曲线图。
图3A是根据本公开的一或多个实施例的包含将偏置电路耦合到输入信号的传统耦合电路的放大器的概念框图。
图3B是根据本公开的一或多个实施例的在图3A中说明为差分放大器的放大器的概念框图。
图4A是根据本公开的一或多个实施例的用于各种偏置控制技术的偏置电路中的发射极跟随器晶体管的基极与发射极节点之间的基本电压摆动的模拟曲线图。
图4B是根据本公开的一或多个实施例的用于各种偏置控制技术的偏置电路中的发射极跟随器晶体管的基极与发射极节点之间的直流(DC)电压的模拟曲线图。
图5A是根据本公开的一或多个实施例的使用各种偏置控制技术的放大器的振幅调制到振幅调制(AMAM)特性的模拟曲线图。
图5B是根据本公开的一或多个实施例的使用各种偏置控制技术的放大器的振幅调制到相位调制(AMPM)特性的模拟曲线图。
图6A是根据本公开的一或多个实施例的作为电源电压(Vcc)的函数的差分放大器级的基极电压的包络模拟。
图6B是根据本公开的一或多个实施例的作为差分输出信号的功率的函数的差分放大器级的基极电压的包络模拟。
图7A是根据本公开的一或多个实施例的包含主放大器级及驱动放大器级的多级放大器的概念图。
图7B是根据本公开的一或多个实施例的说明多个差分放大器级的全差分多级放大器的概念图。
图7C是根据本公开的一或多个实施例的三级放大器的概念图。
图8是根据本公开的一或多个实施例的在通信装置中实施的交叉耦合差分放大器的框图视图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中说明的所公开主题。本公开已相对于其特定实施例及特定特征来展示及描述。本文中陈述的实施例被视作说明性的而非限制性的。所属领域的一般技术人员应容易地明白，可在形式及细节上作出各种改变及修改而不会背离本公开的精神及范围。
本公开的实施例涉及利用基于交叉耦合反相信号的反相偏置控制的高度线性差分射频(RF)功率放大器(PA)。
本文经考虑，在例如但不限于移动通信系统的先进系统中实现高效率RF功率放大可需要RF PA设计超越现有技术的进步。举例来说，例如具有数字预失真(DPD)的包络跟踪(ET)的现有技术可为一些要求较低的应用提供合理的效率及线性。例如，ET可用动态电源电压代替固定DC电源，并且DPD可通过在RF PA的输入处施加经预失真的输入信号来线性化输出信号。然而，此类技术的性能在例如但不限于5G通信系统的先进系统中可能受到限制，因为相对较高的峰均功率比(PAPR)及超宽带信号可导致电源电压的失真以及RF色散。
本文经进一步考虑，基于来自相反输入的交叉耦合信号对差分RF放大器内的放大器级的反相偏置控制提供适用于包含但不限于5G移动通信系统的各种高要求的应用的高线性性能。此外，本文公开的高线性差分RF放大器可为放大器系统设计提供相当大的灵活性。在一些应用中，可减少或消除对例如ET或DPD的技术的依赖。在一些应用中，本文公开的系统及方法可实现例如ET或DPD的技术的性能提高，因为此类技术的范围可受到较小的压力。
现在参考图1A到8，根据本公开的一或多个实施例，更详细地描述用于提供高线性差分RF PA的系统及方法。
图1A是根据本公开的一或多个实施例的交叉耦合差分放大器100的概念图。具体地说，交叉耦合差分放大器100是基于同相差分输入信号104a(例如，第一输入信号)及异相差分输入信号104b(例如，第二输入信号)(在本文统称为差分输入信号104)的差分放大来提供同相差分输出信号102a(例如，第一输出信号)及异相差分输出信号102b(例如，第二输出信号)(在本文统称为差分输出信号102)的差分放大器。
交叉耦合差分放大器100可对任何频率、频率范围或频带的差分输入信号104进行操作。例如，差分输入信号104可具有但不限于MHz到GHz范围内的频率。在一些实施例中，交叉耦合差分放大器100具有包含适用于在分配给5G通信的频谱带中进行通信的频率的操作范围，例如但不限于范围从410MHz到7125MHz的频率(例如，频率范围1)或范围从24.25GHz到52.6GHz的频率(频率范围2)。在一些实施例中，交叉耦合差分放大器100具有包含适用于在分配给长期演进(LTE)通信的频谱带中进行通信的频率的操作范围，例如但不限于FDD或TDD LTE频带。然而，应当理解，本文公开的交叉耦合差分放大器100不限于与任何特定通信标准相关联的操作范围。实际上，对任何特定频率、频带或通信标准的引用仅用于说明目的，且不应被解释为限制。
交叉耦合差分放大器100可具有所属领域中已知的适于提供差分放大的任何架构。在一些实施例中，交叉耦合差分放大器100包含用于接受同相差分输入信号104a的同相差分放大器级106a(例如，第一差分放大器级)及用于接受异相差分输入信号104b的异相差分放大器级106b(例如，第二差分放大器级)，其中同相差分放大器级106a及异相差分放大器级106b在本文统称为差分放大器级106。例如，如图1A所说明，差分放大器级106可通过串联电容器108接受差分输入信号104。
同相差分放大器级106a及异相差分放大器级106b可包含适于形成差分交叉耦合差分放大器100的组件的任何组合或设计。例如，同相差分放大器级106a及/或异相差分放大器级106b可包含一或多个晶体管(例如，双极结晶体管、异质结双极晶体管(HBT)、场效应晶体管(FET)或任何其它合适的晶体管类型)。作为说明，同相差分放大器级106a及/或异相差分放大器级106b可包含共源共栅配置中的两个晶体管。作为另一实例，同相差分放大器级106a及/或异相差分放大器级106b可包含一或多个运算放大器。
应当理解，参考交叉耦合差分放大器100的各种方面使用的术语“同相”及“异相”仅用于说明性目的，且并不限制本公开。例如，同相差分输入信号104a及异相差分输入信号104b通常可理解为任意第一输入信号及第二输入信号。在一些实施例中，差分输入信号104中的一者可连结到接地或以其它方式参考接地。以这种方式，可提供单个输入信号作为放大器的输入。类似地，同相差分放大器级106a及异相差分放大器级106b通常可理解为第一及第二差分放大器级106，并且同相差分输出信号102a及异相差分输出信号102b通常可理解为第一及第二输出信号。
交叉耦合差分放大器100可进一步包含阻抗匹配电路系统或耦合到阻抗匹配电路系统，以输入或输出匹配到额外组件。例如，阻抗匹配电路系统可包含所属领域中已知的适用于阻抗匹配的有源或无源元件的任何组合，包含但不限于电阻器、电容器、电感器、晶体管或变压器。
图1B是根据本公开的一或多个实施例的包含输入匹配电路110a及输出匹配电路110b的交叉耦合差分放大器100的概念图。具体地说，输入及输出匹配电路110包含变压器(例如，输入变压器及输出变压器)。图1B进一步说明交叉耦合差分放大器100包含单个输入信号112及单个输出信号114(两者参考接地)的配置。
现在将根据本公开的一或多个实施例更详细地描述使用交叉耦合差分输入信号104的交叉耦合差分放大器100的反相偏置控制。
本文经考虑，由于电流消耗增加、热问题或类似者，交叉耦合差分放大器100的基极电压可随着差分输入信号104的功率增加而改变。图2是说明根据本公开的一或多个实施例的具有增加功率的差分输入信号104的典型放大器(或放大器级)的基极电压的降低的曲线图。因此，可希望控制交叉耦合差分放大器100的偏置电平，以在存在功率变化的情况下促进线性操作。
再次参考图1A及1B，在一些实施例中，交叉耦合差分放大器100包含用于偏置差分放大器级106的偏置电路116。例如，交叉耦合差分放大器100可包含用于偏置同相差分放大器级106a的同相偏置电路116a(例如，第一偏置电路116a)及用于偏置异相差分放大器级106b的异相偏置电路116b(例如，第二偏置电路116b)。
偏置电路116可包含适用于控制同相差分放大器级106a及/或异相差分放大器级106b的偏置条件(例如，组成晶体管的操作点或类似者)的组件的任何组合或设计。在一些实施例中，偏置电路116(例如，同相偏置电路116a或异相偏置电路116b)包含向对应的差分放大器级106(例如，同相差分放大器级106a或异相偏置电路116b)提供选定的电压及电流条件的缓冲器(例如，缓冲放大器)。此缓冲器可使用具有所属领域中已知的组件的任何组合的任何设计来形成，例如但不限于运算放大器或晶体管。
例如，偏置电路116可包含由处于电压跟随器配置(例如，提供单位增益的配置)中的一或多个晶体管形成的缓冲器，其中将选定电压提供给缓冲器的输入以控制相应差分放大器级106的操作点。作为说明，电压跟随器可形成为共同集电极配置(例如，发射极跟随器配置)中的BJT、形成达林顿(Darlington)对的共同集电极配置中的两个级联BJT、多个级联BJT或类似者。然而，应当理解，偏置电路116可包含任何类型的晶体管，包含但不限于双极结晶体管(BJT)、异质结双极晶体管(HBT)、场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或假晶(psuedomorphic)高电子迁移率晶体管(PHEMT)。以这种方式，本文描绘特定晶体管类型的任何实例是纯说明性的，使得此类实例可扩展到其它晶体管类型。例如，电压跟随器可由处于共同漏极配置中的一或多个FET形成。
在一些实施例中，偏置电路116进一步从相反的差分输入信号104注入交叉耦合的反相信号，以提供差分放大器级106的反相偏置控制。以这种方式，特定差分放大器级106的偏置控制电压可基于相反差分输入信号104的变化而波动。本文经考虑，此配置可在宽功率范围(例如，与5G移动通信的高PAPR相关联或类似者)内提供高线性及稳固的偏置控制。例如，用于同相差分放大器级106a的同相偏置电路116a可利用来自异相差分输入信号104b的交叉耦合输入，而用于异相差分放大器级106b的异相偏置电路116b可利用来自同相差分输入信号104a的交叉耦合输入。
用于差分放大器级106的偏置电路116可使用适于为偏置控制提供反相注入的有源或无源元件的任何组合连接到相反的差分输入信号104，所述有源或无源元件在本文被称为交叉耦合电路118。例如，交叉耦合电路118可包含但不限于一或多个电容器、一或多个移相器、一或多个晶体管或一或多个放大器(例如，用于提供相反差分输入信号104的放大以用于偏置控制目的的额外放大器)。此外，偏置电路116及交叉耦合电路118可以任何合适配置连接，以提供用于反相偏置控制的反相注入。例如，反相偏置控制可通过利用处于各种电压跟随器配置中的一或多个晶体管将偏置电路116与相反的差分输入信号104交叉耦合来实现，所述配置例如但不限于共同集电极配置、共同源极配置、共同基极配置或共同栅极配置。以这种方式，相反的差分输入信号104可作为输入提供到偏置电路116中的电压跟随器。在一些应用中，偏置电路116可进一步向电压跟随器的输入提供DC电压，使得差分放大器级106的偏置控制可通过DC电压及反相信号的组合来提供。
在一些实施例中，用于差分放大器级106的偏置电路116经由作为交叉耦合电路118的一或多个电容器连接到相反的差分输入信号104。图1C及1D说明使用交叉耦合电容器120的两个非限制性实例。
在图1C及1D中，偏置电路116各自被说明为处于电压跟随器配置中的BJT晶体管122(例如，电压跟随器晶体管122)，所述BJT晶体管122通过电阻器124耦合到对应的差分放大器级106。以这种方式，每一电压跟随器晶体管122处于发射极跟随器配置中。图1C及1D进一步说明耦合到电压跟随器晶体管122的输入的偏置驱动元件126。在此特定说明中，电压跟随器晶体管122的基极跨连结到接地的一或多个二极管128及去耦电容器130连接，二极管128及去耦电容器130通过电阻器134连接到源极132。然而，应当理解，图1C及1D以及相关联的描述仅为了说明性目的提供，且不应被解释为限制性的。实际上，本文公开的概念可扩展到偏置电路116的任何合适设计，包含但不限于不同的晶体管类型或不同的缓冲器设计。
图1C是根据本公开的一或多个实施例的包含电压跟随器晶体管122的基极(例如，通常为缓冲器的输入)与相反差分输入信号104之间的交叉耦合电容器120的交叉耦合差分放大器100的概念示意图。例如，图1C说明连接在同相偏置电路116a的电压跟随器晶体管122a的基极与提供异相差分输入信号104b的异相输入端子之间的交叉耦合电容器120a。类似地，图1C说明连接在异相偏置电路116b的电压跟随器晶体管122b的基极与提供同相差分输入信号104a的同相输入端子之间的交叉耦合电容器120b。以这种方式，反相信号被注入到每一电压跟随器晶体管122的基极，如插图136所说明。具体地说，插图136说明基于同相差分输入信号104a中的波动的电压跟随器晶体管122a的发射极处的波动(例如，VE)及基于异相差分输入信号104b中的波动的电压跟随器晶体管122a的基极处的反相波动(例如，VB)。因此，反相注入提供跨电压跟随器晶体管122a的基极及发射极的基本电压摆动(VBE)，其随着功率的增加而增加，这使得能够在宽功率范围内实现一致的线性性能。
本文经考虑，可选择交叉耦合电容器120及偏置电路116的元件(例如，去耦电容器120)的特定值来调谐交叉耦合差分放大器100的性能。在这种配置中，经交叉耦合的交叉耦合电容器120中的每一者与跨二极管128的对应去耦电容器130形成电容性分压器。因此，如果交叉耦合电容器120的值增加而去耦电容器120的值减少，那么要耦合到偏置电路116的反相注入的量增加。然而，反相注入的量应与在差分输入信号104的交流(AC)信号路径与偏置电路116中的直流(DC)信号路径之间引入的延迟相平衡。此外，去耦电容器120既通过交叉耦合电容器120分割反相信号，又对电压跟随器晶体管122的DC基极电压进行整流。因此，可选择交叉耦合电容器120、去耦电容器120的值以及电压跟随器晶体管122的尺寸，以最大化电压跟随器晶体管122的基极节点与发射极节点之间的基本电压摆动(或者在选定公差内提供基本电压摆动)，同时还在差分输入信号104的AC信号路径与偏置电路116中的DC路径之间提供可接受的延迟。
图1D是根据本公开的一或多个实施例的包含电压跟随器晶体管122的发射极与相反差分输入信号104之间的交叉耦合电容器120的交叉耦合差分放大器100的概念示意图。图1D所说明的设计可有利于(但不限于)其中对具有与差分放大器级106相关联的减小的DC电压有益的应用。例如，合适的DC电压电平可由各种因素决定，例如但不限于RF系统设计或HBT工艺。
在一些实施例中，交叉耦合差分放大器100包含处在用于差分放大器级106的偏置电路116与相反差分输入信号104之间的多元件交叉耦合电路118。此类多元件交叉耦合电路118可提供对偏置电路116的反相注入量以及差分输入信号104的AC信号路径与偏置电路116中的DC路径之间的任何延迟的增加的控制。
例如，交叉耦合电路118可包含连接在用于差分放大器级106的偏置电路116与相反差分输入信号104之间，以通过注入相反差分输入信号104来提供反相偏置控制。作为另一实例，交叉耦合电路118可包含控制差分输入信号104的AC信号路径与偏置电路116中的DC路径之间的相位延迟的一或多个移相器(例如，AC相位延迟)。
作为说明，图1E是根据本公开的一或多个实施例的具有包含放大器及移相器的交叉耦合电路118的交叉耦合差分放大器100的概念示意图。图1E中的交叉耦合电路118包含放大器138(例如，用于偏置控制目的的有限增益放大器)，其具有连接到同相偏置电路116a的正源极端子140a及连接到异相偏置电路116b的负源极端子140b。
例如，正源极端子140a可(但不必须)连接到同相偏置电路116a中的电压跟随器晶体管122的基极或发射极。类似地，负源极端子140b可(但不必须)连接到异相偏置电路116b中的电压跟随器晶体管122的基极或发射极。
图1E中的交叉耦合电路118进一步包含连接在放大器138的正输入端子144a与提供同相差分输入信号104a的同相输入端子之间的移相器142a，以及连接在负输入端子144b与提供异相差分输入信号104b的异相输入端子之间的移相器142b。以这种方式，交叉耦合电路118可向偏置电路116提供交叉耦合的反相信号。此外，此设计使得能够选择提供给偏置电路116的反相信号的振幅，而移相器142使得能够选择反相信号的相位。
大体参考图1C到1E，应当理解，图1C到1E以及相关联的描述仅为了说明性目的而提供，且不应被解释为限制性的。例如，交叉耦合差分放大器100可包含具有任何合适设计的偏置电路116，使得图1C到1E中的特定实施方案是非限制性说明。此外，交叉耦合电路118可以适用于从相反差分输入信号104提供反相信号以进行反相偏置控制的任何方式连接到偏置电路116。交叉耦合差分放大器100可通常包含一或多个交叉耦合电路118，其包含有源或无源元件的任何组合，使得图1C到1E中的特定实施方案是非限制性说明。
图1F是具有实施为外部块(例如，外部电路或类似者)以提供用于偏置控制的反相注入的交叉耦合电路118的交叉耦合差分放大器100的概念示意图。以这种方式，交叉耦合电路118可提供适用于提供反相注入以进行偏置控制的任何程度的复杂度或制造技术。
现在参考图3A到6B，更详细地描述交叉耦合差分放大器100的性能。
随着输入信号功率的增加而改进放大器的线性的一种传统方法是为相关联的放大器级提供输入信号与偏置电路系统之间的耦合。图3A是根据本公开的一或多个实施例的包含将偏置电路116耦合到输入信号112的传统耦合电路304的放大器302的概念框图。
图3B是根据本公开的一或多个实施例的在图3A中说明为差分放大器的放大器302的概念框图。具体来说，除了用于偏置控制的耦合电路之外，图3B中的放大器302的架构类似于图3A中的交叉耦合差分放大器100的架构。以这种方式，可更清楚地说明用于偏置控制的耦合技术的影响。
在图3B中，与同相差分放大器级106a相关联的同相偏置电路116a经由电容器306a连接到提供同相差分输入信号104a的同相输入端子。此外，与异相差分放大器级106b相关联的异相偏置电路116b经由电容器306b连接到提供异相差分输入信号104b的异相输入端子。以这种方式，电容器306a及电容器306b形成耦合电路304，而不交叉耦合。
此传统偏置控制技术可提供用于基于同相差分输入信号104a的功率电平来调整到同相差分放大器级106a的偏置电流及基于异相差分输入信号104b的功率电平来调整到异相差分放大器级106b的偏置电流的机制。例如，这可在相对低的功率电平下提供相对低的偏置电流，并且随着功率电平的增加提供相对较高的偏置电流。此配置可在差分输入信号104波动的情况下进一步提供恒定的基极电压及波动的发射极电压。
改进放大器电路的线性的另一方法(未说明)可为在差分输出信号102与相反差分输入信号104之间提供交叉耦合。举例来说，放大器的输出信号与输入信号之间的交叉耦合在2010年4月13日发布的第7,697,915号美国专利中大体描述，所述专利以全文引用的方式并入本文中。
然而，本文经考虑，基于没有交叉耦合的传统偏置控制技术或基于输出信号与输入信号之间的交叉耦合的偏置控制可能为例如但不限于5G通信系统的高要求的应用提供不充分的线性。例如，基于输出信号与输入信号之间交叉耦合的偏置控制是正反馈的形式，其可影响增益峰化，并使放大器依赖于输出负载阻抗。本文进一步经考虑，本文公开的系统及方法提供简单而稳固的偏置控制。
图4A到6B说明具有不同偏置控制方案的放大器电路的性能特性的各种曲线图。具体地说，图4A到6B描绘如图1C所描绘的交叉耦合差分放大器100(标记为402)、如图3B所描绘的放大器302(例如，没有交叉耦合)(标记为404)以及具有类似架构但在偏置电路116与差分输入信号104之间没有任何耦合电路系统的放大器(标记为406)的性能。
图4A是根据本公开的一或多个实施例的用于各种偏置控制技术的偏置电路116中的电压跟随器晶体管122的基极与发射极节点之间的基本电压摆动的模拟曲线图。图4B是根据本公开的一或多个实施例的用于各种偏置控制技术的偏置电路116中的电压极跟随器晶体管122的基极与发射极节点之间的DC电压的模拟曲线图。如图4A及4B所说明，用于差分放大器级106的偏置电路116与相关联的差分输入信号104之间的传统耦合(例如，参见图3B)跨不同功率电平提供比没有任何耦合的简单放大器更好的性能。然而，如本文所公开的(例如，参见图1C)，基于用于差分放大器级106的偏置电路116与相反差分输入信号104之间的交叉耦合的反相偏置控制跨宽功率电平范围内提供优异的性能。例如，反相注入在电压跟随器晶体管122的基极与发射极之间提供相对大的基本电压摆动(VBE)，并且随着功率的增加维持更一致的DC电压。以这种方式，反相注入更好地补偿归因于高电流消耗、热问题或类似者引起的差分放大器级106中的电压降。
图5A是根据本公开的一或多个实施例的使用各种偏置控制技术的放大器的振幅调制到振幅调制(AMAM)特性的模拟曲线图。图5B是根据本公开的一或多个实施例的使用各种偏置控制技术的放大器的振幅调制到相位调制(AMPM)特性的模拟曲线图。
本文经考虑，图5A及5B中所说明的AMAM及AMPM特性是确定放大器的线性的主要因素中的一些，其中当这些特性平稳(或在给定公差内至少大体上平稳)时实现线性操作。此外，这些特性与施加在例如但不限于HBT的电压跟随器晶体管122的基极节点处的电压密切相关。
如图5A及5B所说明，基于向差分放大器级106的偏置电路116交叉耦合注入相反差分输入信号104的反相偏置控制提供优异的AMAM及AMPM特性，跨宽功率电平范围具有相对平稳的性能。具体地说，图5B说明基于所公开的技术相对于没有通过交叉耦合的反相注入的传统偏置控制的显著改进，最明显的是在相对较高的功率下，如由30dBm附近大体上降低的峰值所指示。这些结果指示，与传统技术相比，本文所公开的经由通过交叉耦合的反相注入的偏置控制更有效地维持经交叉耦合差分放大器100的基极电压。
现在参考图6A及6B，说明偏置电路116中的电压跟随器晶体管122的实际操作的包络模拟。图6A是根据本公开的一或多个实施例的作为电源电压(Vcc)的函数的差分放大器级106的基极电压的包络模拟。图6B是根据本公开的一或多个实施例的作为差分输出信号102的功率的函数的差分放大器级106的基极电压的包络模拟。这些模拟结果说明如本文所公开的(例如，参见图1C)的基于差分放大器级106的偏置电路116与相反差分输入信号104之间的交叉耦合的反相偏置控制如何更有效地维持差分放大器级106的基极电压，并因此提供比传统偏置控制技术更好的线性。
现在参考图7A到7C，根据本公开的一或多个实施例，描述在多级放大系统中使用RF放大器100的各种非限制性实例。本文经考虑，许多先进的RF放大系统利用多级放大，并且本文进一步经考虑，本文公开的交叉耦合差分放大器100可实施为任何类型的放大器级。
图7A是根据本公开的一或多个实施例的包含主放大器级704及驱动放大器级706的多级放大器702的概念图。图7B是根据本公开的一或多个实施例的说明多个差分放大器级106的全差分多级放大器702的概念图。在一般意义上，多级放大器702可具有多个放大器级。作为说明，图7C是根据本公开的一或多个实施例的三级放大器702的概念图。例如，三级放大器702包含主放大器级704及两个驱动放大器级706(例如，预驱动级及驱动级)。
如图7A到7C所说明，多级放大器702可包含在各种放大器级之间以及在输入端及输出端上的匹配电路系统，以在多级放大器702内以及多级放大器702与外部装置之间都提供阻抗匹配。例如，图7A到7C说明级间匹配电路708、输入匹配电路710及输出匹配电路712。图7B到7C另外描绘输入变压器714及输出变压器716，其可进一步促进与外部组件阻抗匹配。另外，输入变压器714及输出变压器716两者的一个端子连结到接地。在此配置中，多级放大器702可接受单个输入信号718并提供单个输出信号720，但是放大器级中的每一者可对差分输入信号104进行操作。
本文经考虑，主放大器级704通常可汲取比驱动放大器级706更大的电流，使得主放大器级704的基极电压可比驱动放大器级706更快地改变。此外，主放大器级704的基极电压随着输入信号202的功率增加而降低，这可至少部分地归因于热问题。因此，将主放大器级704实施为本文所公开的交叉耦合差分放大器100可尤其有利。然而，多级放大器702的任何放大器级可实施为交叉耦合差分放大器100。例如，驱动放大器级706中的一或多者可消耗足够的电流以在较高的功率电平下引起基极电压的下降。因此，实施多级放大器702(其中多个放大器级被实施为如本文所公开的具有基于使用交叉耦合的反相注入的偏置控制的交叉耦合差分放大器100)可在宽功率范围内实现高线性性能。
现在参考图8，图8是根据本公开的一或多个实施例的在通信装置802中实施的交叉耦合差分放大器100的框图视图。本文经考虑，交叉耦合差分放大器100可用在任何通信装置802中，包含但不限于移动电话、膝上型计算机或平板计算机。
在一些实施例中，通信装置802包含耦合到一或多个发射器806及接收器808的天线804，以促进RF信号810的发射及/或接收。RF信号810可具有任何频率或频率范围，例如但不限于MHz到GHz频率。此外，RF信号810可在任何指定的频带内，例如但不限于5G频带或LTE频带。
在一些实施例中，通信装置802进一步包含耦合到天线804的一或多个交叉耦合差分放大器100，以提供RF信号810的放大。例如，通信装置802可包含一或多个交叉耦合差分放大器100，以在由天线804发射之前放大来自发射器806的RF信号810。
作为说明，通信装置802可包含产生用于发射的RF信号810(例如，输入发射信号)的发射器806及接收并放大输入发射信号的一或多个交叉耦合差分放大器100。例如，通信装置802可包含具有输入变压器(例如，如图1B、7B及7C所说明)的交叉耦合差分放大器100，以接收输入发射信号并产生差分输入信号104(例如，第一输入信号及第二输入信号)。然后，交叉耦合差分放大器100可提供基于本文所公开的反相偏置控制的这些差分输入信号104的放大，以产生差分输出信号102(例如，第一及第二经放大输出信号)。然后，通信装置802可包含输出变压器(例如，如图1B到1F、7B及7C所说明)，以提供经放大发射信号供天线804广播。
作为另一实例，通信装置802可包含被定制以放大不同频率或频带的RF信号810的多个交叉耦合差分放大器100。本文经考虑，如本文所公开的交叉耦合差分放大器100可跨宽功率电平范围提供高度线性操作，并且因此可适用于先进通信系统。
另外，本文经考虑，交叉耦合差分放大器100不限于移动通信应用，并且通常可用在任何通信系统中。因此，本文对移动通信系统的引用仅为了说明性目的而提供，并且不限制本公开。
本文中描述的主题有时说明含于其它组件内或与其它组件连接的不同组件。应理解，所描绘的此类架构仅是示范性的，且实际上，可实施实现相同功能性的许多其它架构。就概念来说，用于实现相同功能性的组件的任何配置经有效“相关联”使得实现所要功能性。因此，本文中经组合以实现特定功能性的任两个组件可视作“与彼此相关联”使得实现所要功能性，无论架构或中间组件为何。同样地，如此相关联的任两个组件还可被视作"连接"或"耦合"到彼此以实现所要功能性，且能够如此相关联的任两个组件还可被视作"可耦合"到彼此以实现所要功能性。可耦合的具体实例包含(但不限于)可物理交互及/或物理交互组件及/或可无线交互及/或无线交互组件及/或可逻辑交互及/或逻辑交互组件。
据信，通过前述描述应理解本公开及许多其伴随优点，且应明白，可在组件的形式、构造及布置方面做出各种改变而不会背离所公开的主题或不牺牲其全部材料优点。所描述的形式仅是解释性的，且所附权利要求书的意图是涵盖且包含此类改变。此外，应理解，本发明由所附权利要求书定义。

Claims (20)

1.一种放大器，其包括：
第一输入端子，其经配置以接收第一输入信号；
第二输入端子，其经配置以接收第二输入信号；
差分放大器，其提供所述第一输入信号及第二输入信号的差分放大，其中所述差分放大器包括：
第一差分放大器级，其用于接收所述第一输入信号；及
第二差分放大器级，其用于接收所述第二输入信号；
第一偏置电路，其包含用于偏置所述第一差分放大器级的第一缓冲器，其中所述第一偏置电路连接到所述第二输入端子，以基于所述第二输入信号提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制；及
第二偏置电路，其包含用于偏置所述第二差分放大器级的第二缓冲器，其中所述第二偏置电路连接到所述第一输入端子，以基于所述第一输入信号提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中所述第一偏置电路的所述第一缓冲器或所述第二偏置电路的所述第二缓冲器中的至少一者包括：
处于电压跟随器配置中的一或多个晶体管。
3.根据权利要求2所述的放大器，其中所述一或多个晶体管包括：
异质结双极晶体管HBT、双极晶体管、场效应晶体管FET、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或假晶高电子迁移率晶体管PHEMT中的至少一者。
4.根据权利要求2所述的放大器，其中所述第一偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制，其中所述第二偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。
5.根据权利要求1所述的放大器，其中所述第一偏置电路经由一或多个第一电容器连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由一或多个第二电容器连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
6.根据权利要求1所述的放大器，其中所述第一偏置电路经由第一额外放大器或第一移相器中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由第二额外放大器或第二移相器中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
7.一种多级放大器，其包括：
两个或更多个放大器级，其中所述两个或更多个放大器级中的至少一者包括：
第一输入端子，其经配置以接收第一输入信号；
第二输入端子，其经配置以接收第二输入信号；
差分放大器，其提供所述第一输入信号及第二输入信号的差分放大，其中所述差分放大器包括：
第一差分放大器级，其包含一或多个晶体管，且经配置以接收所述第一输入信号；及
第二差分放大器级，其包含一或多个晶体管，且经配置以接收所述第二输入信号；
第一偏置电路，其包含用于偏置所述第一差分放大器级的第一缓冲器，其中所述第一偏置电路连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制；及
第二偏置电路，其包含用于偏置所述第二差分放大器级的第二缓冲器，其中所述第二偏置电路连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。
8.根据权利要求7所述的多级放大器，其中所述第一偏置电路的所述第一缓冲器或所述第二偏置电路的所述第二缓冲器中的至少一者包括：
处于电压跟随器配置中的一或多个晶体管。
9.根据权利要求8所述的多级放大器，其中所述一或多个晶体管包括：
异质结双极晶体管HBT、双极晶体管、场效应晶体管FET、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或假晶高电子迁移率晶体管PHEMT中的至少一者。
10.根据权利要求8所述的多级放大器，其中所述第一偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制，其中所述第二偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。
11.根据权利要求7所述的多级放大器，其中所述第一偏置电路经由一或多个第一电容器连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由一或多个第二电容器连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
12.根据权利要求7所述的多级放大器，其中所述第一偏置电路经由第一额外放大器或第一移相器中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由第二额外放大器或第二移相器中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
13.根据权利要求7所述的多级放大器，其进一步包括：
一或多个匹配电路，其在所述两个或更多个放大器级中的至少两者之间。
14.一种通信装置，其包括：
发射器，其用于产生输入发射信号；
一或多个放大器，其经配置以接收所述输入发射信号，其中所述一或多个放大器中的至少一者包括：
输入变压器，其用于接收所述输入发射信号并产生第一输入信号及第二输入信号；
第一输入端子，其经配置以接收所述第一输入信号；
第二输入端子，其经配置以接收所述第二输入信号；
差分放大器，其提供所述第一输入信号及第二输入信号的差分放大，其中所述差分放大器包括：
第一差分放大器级，其包含一或多个晶体管，且经配置以接收所述第一输入信号；及
第二差分放大器级，其包含一或多个晶体管，且经配置以接收所述第二输入信号；
第一偏置电路，其包含用于偏置所述第一差分放大器级的第一缓冲器，其中所述第一偏置电路连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制；及
第二偏置电路，其包含偏置所述第二差分放大器级的第二缓冲器，其中所述第二偏置电路连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制，其中所述第一及第二差分放大器提供第一及第二经放大输出信号；
输出变压器，其经配置以接收所述第一及第二经放大输出信号并产生经放大发射信号；及
天线，其经配置以广播所述经放大发射信号。
15.根据权利要求14所述的通信装置，其中所述第一偏置电路的所述第一缓冲器或所述第二偏置电路的所述第二缓冲器中的至少一者包括：
处于电压跟随器配置中的一或多个晶体管。
16.根据权利要求15所述的通信装置，其中所述一或多个晶体管包括：
异质结双极晶体管HBT、双极晶体管、场效应晶体管FET、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或假晶高电子迁移率晶体管PHEMT中的至少一者。
17.根据权利要求15所述的通信装置，其中所述第一偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的反相偏置控制，其中所述第二偏置电路以共同集电极配置、共同漏极配置、共同基极配置或共同栅极配置中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的反相偏置控制。
18.根据权利要求14所述的通信装置，其中所述第一偏置电路经由一或多个第一电容器连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由一或多个第二电容器连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
19.根据权利要求14所述的通信装置，其中所述第一偏置电路经由第一额外放大器或第一移相器中的至少一者连接到所述第二输入端子，以提供所述第一差分放大器级的所述反相偏置控制，其中所述第二偏置电路经由第二额外放大器或第二移相器中的至少一者连接到所述第一输入端子，以提供所述第二差分放大器级的所述反相偏置控制。
20.根据权利要求14所述的通信装置，其中所述一或多个放大器包括：
两个或更多个放大器，其经配置用于与所述输入发射信号相关联的不同频率。
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