CN1647365A - 亚微型自偏压射地－基地射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种增加功率放大器中最大可使用的电源电压的方法。一种自偏压射地－基地放大器电路包括连接在一个直流电压源端和公共端的串连连接的一个第一MOSFET晶体管和一个第二MOSFET晶体管。一个RF信号端被连接到所述第一MOSFET的栅极电极，并且所述第二MOSFET的栅极被连接在位于所述第二MOSFET的漏极和所述第一MOSFET的源极之间的串联连接的电阻和电容之间。在优选实施例中，一个单向导通增压子电路被连接在所述第二MOSFET的漏极电极和栅极电极之间，该子电路可以包括一个电阻性二极管子电路，或者跨电阻性分压器连接的第三MOSFET。该放大器电路的输出被从所述第二MOSFET的漏极取出。这样的结构允许第一和第二MOSFET能承受更大的输出电压摆幅，因此允许使用更高的电源电压和增加的输出功率而不需要复杂的偏置电压。

Description

亚微型自偏压射地-基地射频功率放大器
本发明涉及功率放大器，并且更具体地，涉及一种适合使用在高频应用中的功率放大器的改进的结构。
在现有技术的MOS功率放大器中，漏极-栅极电压径常高于电源电压的三倍。这限制了可以使用在此类放大器中的并且还避免栅极-漏极击穿的最大电源电压。一种改进此问题的方法是在放大器中使用众所周知的射地-基地结构，其中，在两个晶体管的例子中，一个晶体管是共源极结构并且另一个是共栅极结构。在此类射地-基地结构中，信号摆动在两个晶体管之间降低并且因此减小了栅极-漏极击穿的问题。此类射地-基地晶体管表现为一个四端器件：两个栅极，一个源极和一个漏极。可以分别在本申请人，Tirdad Svowlati最近(2001年)提交的两个未决的申请，题目为“射地-基地自举模拟功率放大器电路(CASCODE BOOTSTRAPPED ANALOG POWER AMPLIFIER CIRCUIT)”和“自举双栅极类放大器电路(BOOTSTRAPPED DUAL-GATE CLASSAMPLIFIER CIRCUIT)”找到对此类射地-基地结构的例子，通过引用将其公开全文结合在此。
因此，射地-基地结构需要两个直流电压，每个栅极使用一个。这些直流电压必需从芯片外部的源提供，因此需要用于第二栅极的外部焊盘，或者可选地，他们必需在需要额外的偏压电路的芯片上产生。
功率放大器应用中的另一个情况是非常希望被施加到第二栅极的直流值与电源电压相等，由此允许漏极上的更大的电压摆幅。因此，第二栅极必需具有到片外直流电压源的直流连接。
因此，虽然射地-基地结构确实改进了栅极-漏极击穿的问题，但是它增加了成本和功率放大器的复杂程度。能够使用射地-基地结构而不需要为第二晶体管的栅极使用额外的直流电压源是更好的解决方案。当使用多于一个的放大级，和/或使用差分放大器结构时，由此导致的多个射地-基地结构增加了直流电压源的问题。
考虑到上述问题，在此领域需要一种改进的功率放大器结构，该功率放大器结构具有由射地-基地结构提供的稳定性并且不需要在标准射地-基地结构中所必需的用来偏压两个晶体管栅极的额外的直流连接。
因此，本发明的一个目的是提供一种功率放大器结构，该结构能够得益于射地-基地结构提供的无条件的稳定性，并且同时不需要来自片外或者来自额外的偏压电路的其它直流电压来在芯片上提供其它的直流偏压。
根据本发明克服了现有技术的上述和其它问题，提供了一种利用自偏压射地-基地结构的功率放大器，其中该射地-基地结构的公共栅极晶体管的栅极电压来自其本身的漏极。该自偏压射地-基地结构表现为具有三个端的复合晶体管，因此只需要用于第一栅极(即，用于公共源极晶体管的栅极)的直流电压。由于自偏压，射地-基极对的第二栅极的电压随着其漏极电压的增加而动态地增加。可以通过适当地选择元件值来选择增加的量。
在此类自偏压射地-基地结构中，联合的晶体管能够承受更大的电压摆幅，由此允许将放大器设计成使用具有增加的输出功率的更高的电源电压。在优选实施例中，自偏压射地-基地结构的第二晶体管的栅极电压在正摆幅期间被进一步升高到更密切地跟随漏极电压的升高，以进一步实现没有栅极-漏极击穿的更的大信号摆幅。
在其它一组优选实施例中，该自偏压射地-基地放大器结构被扩展到差分结构和多级差分功率放大器。使用本发明的结构和方法的放大器可以被以放大率的任何标准分类，即A，B，C类，甚至切换E类来设计。
本发明的这些和其它方面将通过参照下述实施例的解释而变得明显。
参照下面结合附图的描述可以更清楚地理解本发明。
图1表示两个MOS晶体管的标准射地-基地结构；
图2表示一个常规射地-基地结构的放大器；
图3A表示图1的两个晶体管的自偏压射地-基地结构；
图3B表示具有电阻性二极管增压的自偏压射地-基地结构；
图3C表示具有晶体管增压的自偏压射地-基地结构；
图4A和4B表示分别对应于图3A和3C的晶体管结构的自偏压射地-基地放大器；
图5A表示根据本发明的差分自偏压射地-基地放大器；
图5B表示图5A的电路中的晶体管M2和M4的栅极被连接在一起的电路；并且
图6表示根据本发明的两级差分放大器。
图1示出了两个晶体管的标准射地-基地结构。参考图1，晶体管M1 101是公共源极，M2 105是公共栅极。在点103将M1 101的漏极和M2 105的源极连接在一起。为了便于讨论，在下文中字母D，S和G将指代一个给定晶体管的漏极，源极和栅极，因此，例如G2是晶体管M2的栅极，D1是晶体管M1的漏极等等。
图2示出了一个常规的射地-基地放大器。晶体管M1 201作为公共源极(CS)并且晶体管M2 205作为公共栅极(CG)。射频输入信号210被施加到M1 201的栅极，即G1 202，并且M2 205的栅极，即G2206，借助于通过L1 211和C1 210连接到地而位于射频地，它具有可以等于Vdd 230的Vgg2 220的直流值。G2 206处的射频地可以通过与焊线电感谐振的片外电容或者片上电容来实现。在G2 206提供RF地的常规方法在功率放大器的大信号范围中不是必需的。因此，G2 206处的电压可以具有射频摆动，并且只要D2 207具有从Vdd到零的全摆幅，功率放大器可以提供一个高的输出功率和提高功率的高效率。
图3a表示了自偏压射地-基地结构。用于G2 3A06的偏压通过Rb3A10和Cb 3A20的串联连接提供。Rb和Cb之间标号为3A25的点是连接G2 3A06的地方。因此，施加到G2 3A06的直流电压与施加到D2 3A07的直流电压相同(在直流中Cb是一个开路，Rb没有电流，因此没有压降，并且D2 3A07的所有电压跨Cb出现)。因此，在D2 3A07的射频摆幅被Rb-Cb 3A10-3A20串联连接的低通特性消弱。在功率放大器应用中，希望在G2具有射频摆幅。这能够使在D2具有一个更大信号摆幅而不会面对在G2-D2 3A06-3A07的击穿电压。随着D2 3A07增加，G2 3A06也增加(由于被Rb-Cb设定，因此具有一个较小的值，)并且S2 3A08也增加。以此方式，在M1和M2的每个栅极-漏极上的电压降的量可以被平衡。可以选择在M1或M2发生栅极-漏极击穿之前的Rb和Cb的值来获得最佳性能和信号摆幅。
此类自偏压射地-基地结构还可以被看作是具有一个栅极、一个漏极和一个源极的三极管的组合，很显然，不需要任何其它的焊盘来为G2提供电源电压。
注意到在图3a的电路中，G2在其DC值附近的正向和负向摆幅都跟随D2的射频电压。基于此进行改进，在图3b中加入装置以便G2的正向摆幅大于负向摆幅，这些装置是跨Rb 3B10串联连接的Rd 3B30、和二极管连接的M3 3B50，因此，提供了一个从D2 3B07到G2 3B06的并联通路。
因此，图3b是具有电阻性二极管增压的自偏压射地-基地结构。通过适当地选择Rd的值和二极管连接的晶体管M3的尺寸可以规定阈值电压，在此阈值电压上Rd-M3路径开始导通和增加G2的正向摆幅。这个额外的路径使G2以一个比其跟随D2的下降更小的衰减跟随D2的升高。这在D2的信号摆幅在特定功率放大器设计中变得更大时是特别有用的。还可以通过为Rb 3B10、Cb 3B20、Rd 3B30和M3 3B50选择适当的值来获得具有没有栅极-漏极击穿电压的最大信号摆幅的最佳性能。
图3c是类似于图3b的电路，除了图3b的Rd 3B30和二极管连接的M3 3B50的串连连接被图3c中的具有常规MOSFET M3 3C50的电路代替，该常规MOSFET M3 3C50的栅极被连接在代替图3b的Rb 3B10的两个晶体管Rb1 3C61和Rb2 3C60之间。因此，图3c的电路是具有晶体管增压的自偏压射地-基地结构。在所述电路中，Rb1 3C61和Rb23C60的比率设置当晶体管M3 3C50开始导通并且在G2 3C06处增加正向信号时在D2 3C07处的电压摆幅的阈值。与图3b所示的电路类似，在图3c中，可以在一个给定的电路或应用中选择Rb1 3C61、Rb213C60，Cb3 3C20和M3 3C50的尺寸以便获得不具有任何栅极-漏极击穿电压的最佳大信号摆幅性能。由于Rb1-Rb2和3C61-3C60的电阻性分压，晶体管M3 3C50在晶体管M2 3C05之前不会遭受任何栅极-漏极击穿，因此图3c的电路具有比3b的电路更大的增压能力。因此，与图3b的电路的电阻性二极管增压相比，它更小地限制了信号摆幅。
图4a和4b表示对应于图3a和3c的具有提供的示意性负载和偏压的自偏压射地-基地放大器(还可以实现对应于图3b的电路-电阻性二极管增压情况-的类似放大器，但是为了简化没有显示)。所有这些结构允许用户在每种情况下控制M2和M1的最大漏极-栅极电压。
图5a以更复杂的结构体现了本发明的构思，它表示了一个差分自偏压射地-基地放大器。应该指出M2 5A10，5B10和M4 5A20，5B20的栅极可以如图5b所示地连接在一起。在这种情况下，由于D2 5B30和D4 5B40的信号摆幅的差分特性，栅极降将具有更小的射频摆幅。由于栅极-漏极击穿，在功率放大器中这限制了在D2(D4)5B30(5B40)的最大信号摆幅。因此，图5a的电路通常是比图5b的电路更好的选择。
图6表示一个两级差分放大器的实施例，第一级使用不具有单向增压的自偏压射地-基地放大器，因此对应于图3a、4a和5a所示的电路。在第二级中，信号摆幅大于第一级。因此，在第二级中使用具有晶体管增压的自偏压射地-基地结构。所示的增压装置优选为对应于图3c和4b的晶体管子电路。这种结构平衡了射地-基地结构中的所有栅极-漏极摆幅并且允许使用最大的电源电压。
因此，该自偏压射地-基地功率放大器不需要额外的焊盘来通过串联LC谐振在G2处提供短路电路或者为G2施加一个电源电压。该自偏压射地-基地结构提供用于在M1和M2设置栅极-漏极电压的装置。最佳状况是当两个晶体管承受相同的最大漏极-栅极电压时。这意味着可以使用一个更大的电源电压，从而产生更高的输出功率。作为一些示例的实施例，一些2.5V，2.4GHz的自偏压射地-基地功率放大器(A/B类还有E类，单个或者差分的)被以0.25umCMOS工艺仿真，并且获得最好的结果。还发现电源电压甚至可以被增加到3V而不使任何晶体管承受大于5V的栅极-漏极电压。
本发明的结构/设计工艺绝不限于CMOS工艺。它们可以被应用到现在公知的和将要在未来公知的许多其它的工艺中。
应该理解虽然前面描述了本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，各种其它的修改和增加是明显的，诸如，例如在其它制造工艺诸如BiCMOS，GaAsMESFET和GaAsPHEMT工艺中应用本发明的工艺。并且还可以使用不同类型的晶体管和其它元件，也可以对电路结构进行修改来适合特定的设计要求。

Claims (19)

1.一种增加功率放大器电路中最大可使用电源电压的方法，包括：
使用射地-基地结构；和
自偏压所述射地-基地结构(3A10，3B10)。
2.根据权利要求1的方法，其中通过以下步骤来自偏压所述射地-基地结构：
将公共源极晶体管(3A01，3B01，3C01)的栅极(3A02，3B02)耦合到信号输入，并且
将其它晶体管(3A05，3B05，3C05)的栅极(3A06，3B06，3C06)耦合到其自己的漏极。
3.根据权利要求2的方法，其中所述其它晶体管的栅极(3A06，3B06，3C06)还被电容性耦合到地。
4.根据权利要求3的方法，其中单向导通子电路(3B30，3B50)被耦合在所述其它晶体管(3B05)的漏极(3B07)和所述其它晶体管(3B05)的栅极(3B06)之间。
5.根据权利要求4的方法，其中所述单向导通子电路(3B30，3B50)是一个电阻(330)和二极管以及二极管连接的晶体管(3B50)中的一个的串联连接。
6.根据权利要求3的方法，其中所述其它晶体管(3C06)的栅极通过串联连接的两个电阻(3C60，3C61)连接到其漏极，具有一个这样连接的第三晶体管以使该第三晶体管的源极被连接到所述其它晶体管的栅极(3C06)，该第三晶体管的漏极被连接到所述其它晶体管的漏极(3C07)，并且所述第三晶体管的栅极被连接在所述串联连接的两个电阻(3C60，3C61)之间。
7.一种避免功率放大器中的栅极-漏极击穿的方法，包括：
以射地-基地结构连接两个晶体管；
将信号输入连接到所述晶体管之一的栅极；和
自偏压另一个所述晶体管使其栅极跟随其漏极上的电压。
8.根据权利要求7的方法，其中所述另一个晶体管的栅极(3B06，3C06)在正向摆幅上比在负向摆幅上更紧密地跟随其漏极(3B07，3C07)电压。
9.一种便于射地-基地结构放大器电路中的最大信号摆幅的方法，包括：
将信号输入连接到所述晶体管之一的栅极；和
自偏压另一个晶体管使其栅极在正向摆幅上比在负向摆幅上更紧密地跟随其漏极电压。
10.根据权利要求9的方法，其中所述另一个晶体管的栅极由于跨所述另一个晶体管的漏极和栅极串连连接的一个电阻(3B30)和一个二极管或者一个二极管连接的晶体管(3B50)而在正向摆幅上比在负向摆幅上更紧密地跟随其漏极电压。
11.根据权利要求9的方法，其中由于如下所述地连接一个第三晶体管(3C50而使所述另一个晶体管的栅极(3C06)在正向摆幅上比在负向摆幅上更紧密地跟随其漏极(3C07)电压，所述第三晶体管(3C50)的漏极被连接到所述另一个晶体管(3C05)的漏极(3C07)，该第三晶体管(3C50)的源极被连接到所述另一个晶体管(3C05)的栅极(3C06)，并且该第三晶体管(3C50)的栅极(3C55)被连接在串联连接的所述第一电阻(3C60)和所述第二电阻(3C61)之间。
12.一种放大器电路(图4a)，包括串联连接的并且耦合在一个直流电压源端和一个公共端之间的一个第一MOSFET和第二MOSFET，一个RF输入信号端被耦合到所述第一MOSFET的栅极电极，所述第二MOSFET的栅极被连接在位于所述第二MOSFET的漏极和所述第一MOSFET的源极之间的串联连接的电阻和电容之间。
13.一种放大器电路(图4b)，包括串联连接的并且耦合在一个直流电压源端和一个公共端之间的一个第一MOSFET和第二MOSFET，一个RF输入信号端被耦合到所述第一MOSFET的栅极电极，所述第二MOSFET的栅极被连接在位于所述第二MOSFET的漏极和所述第一MOSFET的源极之间的串联连接的电阻和电容之间，其中串联连接的第二电阻和二极管或者二极管连接的晶体管中的一个被从所述第二MOSFET的漏极连接到所述第二MOSFET的栅极。
14.一种放大器电路(图4c)，包括串联连接的并且耦合在一个直流电压源端和一个公共端之间的一个第一MOSFET和第二MOSFET，一个RF输入信号端被耦合到所述第一MOSFET的栅极电极，所述第二MOSFET的栅极被连接在位于所述第二MOSFET的漏极和所述第一MOSFET的源极之间的全部串联连接的第一电阻和第二电阻和一个电容之间，其中连接一个第三MOSFE使所述第三MOSFET的漏极被连接到所述第二MOSFET的漏极，所述第三MOSFET的源极被连接到所述第二MOSFET的栅极，并且所述第三MOSFET的栅极被连接到串联连接的所述第一电阻和第二电阻之间。
15.根据权利要求12-14的任何一项的放大器电路，其中所述第一MOSFET的源极电极通过一个电感被连接所述公共端，并且所述第二MOSFET的漏极电极通过一个电感被连接到所述直流电压源。
16.根据权利要求12-14(图4a，4b，4c)的任何一项的放大器电路，其中所述第一MOSFET的栅极电极通过一个电容被耦合到所述输入信号端。
17.根据权利要求12-14(图4a，4b，4c)的任何一项的放大器电路，其中所述放大器电路的输出通过一个匹配电路耦合到一个负载。
18.根据权利要求12-14(图4a，4b，4c)的任何一项的放大器电路，其中所述电路被使用两次作为差分放大器电路的两侧(图5a，5b)。
19.根据权利要求18的差分放大器，被用作多级放大器(图6)的一个级。
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