CN1357170A - 用于功率设备的VGs漂移和热补偿的偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种通过改变功率设备(1)的输入信号(VG)调整所述功率设备的参数(IDQ)的方法,所述方法包括步骤:取出(S2)所述功率设备(1)的一个输出信号抽样(POUT),检测(S5)所述抽样的输出信号(POUT)的至少一个第一和第二信号分量电平(P1ST,P2ND),处理(S6)至少检测的第一和第二信号分量电平(P1ST,P2ND),根据所述处理步骤(S6)的结果判断是否需要补偿所述参数(IDQ)的变化,以及如果需要补偿这种变化,确定(S8)所述输入信号(VG)的变化值(ΔV),并通过改变所述输入信号(VG)所述确定的变化值(ΔV)调整(S9)参数(IDQ)。此外,本发明还提出了一种相应的设备。

Description

用于功率设备的VGS漂移和热补偿的偏置电路
技术领域
本发明一般涉及一种通过改变一个功率设备的输入信号来调整其参数的方法，还涉及一种相应的设备。本发明尤其针对一种通过调整偏置点来补偿晶体管的性能变化的方法和相应设备。
背景技术
利用例如半导体元件，如场效应晶体管(FET)或金属氧化硅(MOS)FET，的功率设备在各种技术领域使用很广泛。所述功率设备设计用于功率放大，而且能处理高电压和大电流。使用上面提到的这些功率设备的主要问题是，在一个长时间周期内保持例如使用的半导体元件的性能，如线性、放大器增益、输出功率等等的稳定。这对于可变包络信号尤为重要。
由于热效应(例如，自热或外部加热)，老化等原因，晶体管的特性参数能发生变化。因此，在一个长时间周期内无法确保半导体元件的性能稳定，尤其是线性。然而，为有效使用功率设备，稳定的性能(例如，线性)非常重要。
因此，至今提出了好几种解决方案，使这种功率设备的性能，即，诸如MOSFET晶体管的半导体元件的性能，尽可能保持稳定。其中一种常规解决方案是，检测通过一个串联电阻的漏电流ID。接着根据检测的这个电流实施偏置控制。然而，由于插入了电阻，在高功率的情况下漏电压的变化可能相当大。此外，在该路径上引入的任何阻性元件可能降低放大器的效率。
另一种已知的技术解决方案为，分隔晶体管结构的单元，并利用由此测量的一个信号作为补偿漏电流变化的DC基准。然而，由于这种解决方案要求一种新的元件结构，因此这只能由元件生产厂家来实施。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种通过改变功率设备的输入信号来控制所述功率设备的输出信号，没有上述缺陷的方法和相应设备。
根据本发明，这个目的是通过一种通过改变功率设备的输入信号来调整所述功率设备的参数的方法实现的，所述方法包括步骤：取出所述功率设备的一个输出信号抽样，检测所述抽样的输出信号的至少第一和第二信号分量电平，处理至少检测的第一和第二信号分量电平，根据在所述处理步骤得到的结果判断是否需要补偿所述参数的变化，如果需要补偿这种变化，则为所述输入信号确定一个变化值并且通过改变所述输入信号所述确定的变化值来调整该参数。
此外，本发明提出了一种通过改变功率设备的输入信号来调整所述功率设备的参数的设备，所述设备包括：耦合器装置，用于取出所述功率设备的一个输出信号抽样；至少两个检测器装置，分别用于检测所述抽样的输出信号的至少第一和第二信号分量电平；以及一个反馈电路，适用于处理至少检测的第一和第二信号分量电平，根据在所述处理中得到的结果判断是否需要补偿所述参数的变化，如果需要补偿这种变化，则为所述输入信号确定一个变化值并且通过改变所述输入信号所述确定的变化值来调整该参数。
对本发明的进一步有利改进在相应的从属权利要求中陈述。
根据本发明，所提出的方法和/或设备不要求改变元件结构。而且，网络中不需要诸如电阻的元件，因此，避免了例如在高功率时进一步改变性能的风险。
此外，本发明提供了一种几乎不消耗RF功率而且容易实现的电路。此外，能补偿由于老化等原因造成的例如漏电流长时间的漂移效应，以及由于半导体元件的温度突变等原因造成的短时间变化。由于该控制与半导体元件(即，晶体管)的线性直接相关，因此根据本发明的偏置控制方法工作很精确。尤其是由于测量或调整不要求中断工作进程，因此本发明能提供一种有效的功率设备控制方法。
附图说明
下面通过举例参考附图描述本发明的优选实施例。
图1描述了根据本发明的方法的流程图。
图2示出了根据第一个实施例的设备的电路方框图。
图3示出了根据第二个实施例的设备的电路方框图。
图4示出了根据这些实施例的一个设备元件的电路方框图。
图5A和5B示出了晶体管特性的原理图。
图6示意了不同参数时晶体管的输出信号比。
具体实现方式
晶体管工作于定义的类别，即所谓的工作类别。所述工作类别依赖于晶体管的静态电流。本发明使用的晶体管必须工作于AB类或B类。在上面提到的类别中，生成用于本发明的基信号的各次谐波。
本发明首先考虑到功率放大器(晶体管)的输出信号的谐波(基频、二次谐波，等等)电平取决于为该晶体管设置的偏置点。因此，涉及基频以及例如二次谐波的信号比可用于监视影响偏置点的效果(见图6)。
下面对本发明原理的描述基于FET或MOSFET晶体管术语。然而，也可使用其它功率设备，如双极型晶体管等等。
在图5A中，示出了上面提到的晶体管的理想化传输特性。当栅压VG低于一个门限电平VTH时，漏电流ID为0。当栅压VG增大到高于所述门限电平时，漏电流增大直到达到饱和电流ISAT(也称为开路电流)。
在图5B中，漏电流ID表示为漏电压VD的函数。在此，参数x定义为静态漏电流IDQ和饱和电流ISAT(即，最大漏电流ID)之比。静态偏置点定义在当漏电压为供电电压VDD时的电流值。所述静态偏置点对应漏电压VD＝VDD时的静态漏电流IDQ。
在图6中，示出了作为输出功率信号基频功率的函数的晶体管输出功率信号的二次谐波和基频功率比。图中示出了不同曲线，每条曲线表示一个不同值x，即，不同静态漏电流IDQ。对于AB类放大器(或晶体管)参数x的典型值例如为0.08到0.12。对B类放大器，x为0。如图6所示，曲线的位置不仅取决于基频功率，而且取决于晶体管的偏置点。当输出功率的值固定时，二次谐波和基频之比仅取决于参数x，即，取决于静态漏电流IDQ。这就为通过利用例如测量晶体管输出信号的基频和二次谐波电平校正因上面提到的老化等原因而变化的静态漏电流IDQ提供了机会。所述测量的结果可用于改变栅压以便调整偏置点(即，静态漏电流)。使用基频和二次谐波之比作为需要校正的指示。
由于热变化也影响静态漏电流IDQ，因此可相应地使用基频和二次谐波之比。因此，本发明也可用于补偿晶体管的热效应。
通过利用上述的原理考虑，本发明提供了一种通过导出输出功率以及检测信号分量，如原输出信号的基频和二次谐波电平，确定性能变化来调整晶体管，例如，MOSFET晶体管(功率设备)的偏置点的方法。下面参考图1描述所述方法。应注意，为描述该方法，使用的流程图包含了若干步骤，尽管根据本发明的方法也可同时执行。
在图1中，在步骤S1启动控制程序后，取出晶体管的一个输出信号抽样，即输出功率抽样POUT，这种晶体管可以是横向扩散的金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管。在此，取出一个输出信号抽样也可理解为连续导出输出信号。所述输出信号可具有RF信号形式。
抽样的输出信号POUT被分为两个互相对应的信号部分(步骤S3)。在步骤S5，从其中一个信号部分中检测原输出信号的基频电平P1st，同时从另一信号中检测原输出信号的二次谐波电平P2nd。应注意，在所述检测步骤S5，RF信号转换为DC信号。
接着，在步骤S6，处理检测的基频和二次谐波电平P1st，P2nd。在所述处理步骤S6，在检测的电平例如与功率的常用对数成正比的情况下，从基频电平P1st中扣除二次谐波电平P2nd以得到一个差信号。在其它情况下(即，检测的电平不与功率的常用对数成正比，例如它们与功率本身成正比)，则要求使用另一种计算方法。在上面提到的与功率本身成正比的情况下，例如需要二次谐波电平P2nd与基频电平P1st之比用于步骤S6的处理。
得到的结果用于判断是否需要改变所述晶体管1的输入信号(即，所述晶体管1的输出信号POUT)(步骤S7)以补偿性能变化。这种判断可仅通过例如检查该差信号(例如，当晶体管的输出功率为恒定值时，该差信号是否为0)进行。另一种可能性是比较所述差信号与预定值，每个所述值与一个相应的变化值相关。
如果在步骤S7的判断为否定，即，不需要补偿输出信号(即性能)的变化，该过程直接返回开始(步骤S10)，而控制程序重新启动。如果在步骤S7的判断是肯定的，即，需要补偿，则在步骤S8确定调整晶体管静态漏电流IDQ(即，偏置点)的晶体管输入信号的变化值ΔV。上面提及，所述变化值ΔV可以通过利用在所述处理步骤S6得到的差信号本身，或通过利用预定值与所述差信号相比较来确定以得到一个相应的变化值。调整偏置点所需改变的信号为例如，在上面提及的LDMOS情况下影响静态漏电流IDQ的栅压VG。在步骤S9，所述栅压VG根据确定的变化值ΔV改变。此后，该过程也返回到控制程序的开始(步骤S10)。
或者，如果需要的话，也可能在步骤S3分离抽样的输出信号POUT之后但在步骤S5检测基频电平和二次谐波电平之前，在步骤S4预处理分离的信号分量。所述预处理步骤可以是衰减其中一个或两个所述分离的信号分量(或频率部分)以便能在所述检测步骤S5正常检测。例如，至少其中一个所述分离信号可降低若干dB(例如，20-40dB)，特别是用于检测基频电平P1st。另外，至少其中一个所述分离信号可以被滤波，以便得到足够的二次谐波信号电平用于检测，即，原信号中的基频相比二次谐波必须减小(例如减小10dB)。
下面参考图2描述适合于执行上述方法的设备的第一个例子。在此，示出了一种通过监视所述晶体管1的输出信号控制用作功率设备的晶体管1的偏置点的设备。该晶体管，例如，LDMOS晶体管，将工作于AB或B类。
晶体管1的漏极通过一个电元件E，如电阻或电感器，连接一个电源VDD。晶体管的源极接地。附图标记A和B分别表示连接晶体管1的匹配网络。附图标记2表示用于取出一个输出信号抽样POUT的耦合器。所述耦合器2为例如，输出功率控制耦合器。附图标记3表示用于检测抽样的输出信号POUT的基频电平P1st的检测器，附图标记4表示用于检测抽样的输出信号POUT的二次谐波电平P2nd的检测器。上面提及，这些检测器适于将RF信号转换为DC信号用于进一步处理。所述检测器3、4为例如，二极管、对数检测器等等。
附图标记5表示DC反馈电路。所述检测器3、4检测的基频和二次谐波电平被馈入所述反馈电路5的输入端。在所述电路5，输入电平(DC信号)如上所述被处理，例如，被扣除和比较。下面参考图4给出了一个这种反馈电路的例子。
该DC反馈电路判断晶体管1的静态漏电流(由此偏置点)是否应调整以及调整何值以补偿性能变化(通过监视输出信号POUT确认)。因此，其输出一个变化值ΔV以改变例如栅压VG(用作功率设备的晶体管的输入信号)，以便保持晶体管的性能稳定。
在本发明的第二个实施例中，使用图3所示的设备。在此，除了上述的装置A和B以及1到5，还包含预处理装置6和7。在基频检测器3的路径上包含衰减器6。所述衰减器6用于降低提供给基频检测器3的分离信号若干dB，例如，以达到等于二次谐波电平的信号电平(例如降低20到40dB)。衰减器6为例如，所谓的T-衰减器做成的片状电阻。
此外，在二次谐波检测器4的路径上包含滤波器7。所述滤波器7作用于原抽样的输出信号POUT的分离信号以滤除基频，或至少降低基频，以便在检测器4有效地检测二次谐波(例如，基频比二次谐波小10dB)。为此，可使用例如带通滤波器，或在某些情况下可使用陷波滤波器。
除了上述的电路元件6和7，在第二个实施例中，在该设备的路径上还可以添加其它元件，如衰减器或滤波器。这取决于要检测的谐波的电平。例如，在基频检测器3的路径上，可能还需要一个滤波器来预处理分离信号。
下面参考图4示出了一个能应用于第一和第二个实施例的DC反馈电路的例子。在此，描述一种简化装置，它能用于例如，功率恒定而且来自上述检测器3、4的输入(DC)信号与功率值(表示为dBm)(即，功率的常用对数)成正比并且大都具有相同电平的情况。然而，如果其它先决条件发生，则DC反馈电路的结构必须相应改变以接收一个用作变化值的校正输出来调整晶体管的偏置点。
在图4中，对应检测的基频电平P1st的DC信号提供给差分放大器的(-)输入，而对应检测的二次谐波电平P2nd的DC信号提供给所述差分放大器的(+)输入。这意味着，差分放大器的输出信号ΔV，即上面提及的差信号，仅依赖于对应基频与二次谐波的DC信号之比。固定的外部电源VREF可用作基准。
或者，例如在导出的输出功率的动态范围较宽的情况下，查询表(未示出)可用作确定在校正调整中栅压VG将改变何值的基准。接着，变化值ΔV通过低通滤波器馈入到晶体管1以调整栅压VG(即，静态漏电流IDQ)。
应注意，由于差信号ΔV仅依赖于谐波的平均包络，本发明通常能独立于原输出信号所使用的调制类型。
本发明优选在一级功率放大器内实现。上面提到用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)作为该功率设备的半导体元件。然而，显然本发明能应用于在一个长时间周期内保持稳定的任何其它功率设备。
为达到高效率，从检测器3、4提供的DC信号不应差别太大。通过类似上述衰减的相应测量可达到高效率。此外，为提高效率，栅压的变化(即，调整)电平范围可受一个预定的门限值的限制，例如，如果输出信号POUT下降太大和/或快。
尽管在上述的本发明中，基频和二次谐波用于调整半导体元件1，但也可以利用一个或多个三次、四次谐波等计算该调整电平。在此情况下，根据本发明的方法和设备可很容易地修改以考虑这些参数。
本发明提出了一种通过改变功率设备1的输入信号VG调整所述功率设备的参数IDQ的方法，所述方法包括步骤：取出(S2)所述功率设备1的一个输出信号抽样POUT，检测(S5)所述抽样的输出信号POUT的至少第一和第二信号分量电平P1ST，P2ND，处理(S6)至少检测的第一和第二信号分量电平P1ST，P2ND，根据在所述处理步骤S6的结果判断是否需要补偿所述参数IDQ的变化，如果需要补偿这种变化，确定(S8)所述输入信号VG的变化值ΔV并通过改变所述输入信号VG所述确定的变化值ΔV调整(S9)参数IDQ。此外，本发明还提出了一种相应的设备。
应理解的是，上面的描述的附图旨在通过举例示意本发明。本发明的优选实施例因此可在所附权利要求书的范围内变化。

Claims (18)

1.一种通过改变功率设备(1)的输入信号(VG)来调整所述功率设备的参数(IDQ)的方法，所述方法包括步骤：
取出(S2)所述功率设备(1)的一个输出信号抽样(POUT)，
检测(S5)所述抽样的输出信号(POUT)的至少第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)，
处理(S6)至少检测的第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)，
根据在所述处理步骤(S6)的结果，判断是否需要补偿所述参数(IDQ)的变化，以及
如果需要补偿这种变化，确定(S8)所述输入信号(VG)的变化值(ΔV)并
通过改变所述输入信号(VG)所述确定的变化值(ΔV)来调整(S9)该参数(IDQ)。
2.根据权利要求1的方法，其中
所述功率设备(1)为晶体管，而
所述参数为静态漏电流(IDQ)，用作所述晶体管偏置点的指示。
3.根据权利要求1的方法，其中所述输出信号(POUT)为所述功率设备(1)的输出功率。
4.根据权利要求3的方法，其中在所述检测步骤(S5)检测的所述至少第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)为基频功率电平(P1ST)和二次谐波功率电平(P2ND)。
5.根据权利要求2的方法，其中所述输入信号(VG)为所述晶体管(1)的栅压。
6.根据权利要求1的方法，还包括步骤：
将抽样的输出信号(POUT)分离(S3)为至少第一和第二信号，以及
预处理(S4)所述第一和第二信号用于检测步骤(S5)。
7.根据权利要求6的方法，其中在所述预处理步骤(S4)，至少一个所述分离信号的至少一个频率部分被衰减一个预定值。
8.根据权利要求1的方法，其中在所述处理步骤(S7)，利用对应第一信号分量电平(P1ST)的DC值和对应第二信号分量电平(P2ND)的DC值执行预定类型的计算，所述预定类型的计算取决于所述DC值与输出信号(POUT)的比例。
9.根据权利要求1的方法，其中在所述确定步骤(S8)，根据比较在所述处理步骤(S6)得到的结果与包含各个变化值(ΔV)的查询表的值，确定所述输入信号(VG)的变化值(ΔV)。
10.一种通过改变功率设备(1)的输入信号(VG)来调整所述功率设备的参数(IDQ)的设备，所述设备包括：
一个耦合装置(2)，用于取出所述功率设备(1)的一个输出信号抽样(POUT)，
至少两个检测器装置(3，4)，分别用于检测所述抽样的输出信号(POUT)的至少第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)，以及
一个反馈电路(5)，用于处理至少检测的第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)，根据在所述处理中得到的结果判断是否需要补偿所述参数(IDQ)的变化，以及如果需要补偿这种变化，则确定所述输入信号(VG)的变化值(ΔV)，并通过改变所述输入信号(VG)所述确定的变化值(ΔV)来调整参数(IDQ)。
11.根据权利要求10的设备，其中
所述功率设备(1)为晶体管，而
所述参数为静态漏电流(IDQ)，用作所述晶体管偏置点的指示。
12.根据权利要求10的设备，其中所述输出信号(POUT)为所述功率设备(1)的输出功率。
13.根据权利要求12的设备，其中通过所述相应的检测装置(3，4)检测的所述至少第一和第二信号分量电平(P1ST，P2ND)为基频功率电平(P1ST)和二次谐波功率电平(P2ND)。
14.根据权利要求11的设备，其中所述输入信号(VG)为所述晶体管(1)的栅压。
15.根据权利要求10的设备，还包括：
用于将抽样的输出信号(POUT)分离为至少第一和第二信号的装置，以及
预处理装置(6，7)，用于预处理提供给检测器装置(3，4)的所述第一和第二信号。
16.根据权利要求15的设备，其中所述预处理装置(6，7)用于衰减至少一个所述分离信号的至少一个频率部分一个预定值。
17.根据权利要求10的设备，其中所述反馈电路(5)用于利用对应第一信号分量电平(P1ST)的DC值和对应第二信号分量电平(P2ND)的DC值类型的计算执行预定类型的计算，所述预定类型的计算取决于所述DC值与输出信号(POUT)的比例。
18.根据权利要求10的设备，其中所述反馈电路(5)用于根据比较得到的结果与包含各个变化值(ΔV)的查询表的值，确定所述输入信号(VG)的变化值(ΔV)。
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