CN1780140A - 限制功率放大器电压偏移的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

功率放大器电路(300)包括具有第一和第二开关元件(310，320)的电路拓扑。第一和第二开关元件(310，320)具有闭合状态和打开状态，其中当第一和第二开关元件都处于闭合状态时，在它们之间流过电流。由箝位元件(330)调节跨越第一和第二开关元件(310，320)上的电压，当开关元件处于断开位置时，该箝位元件(330)将第一和第二开关元件(310，320)之间的连接设置为参考电压。功率放大器(300)可以是开关功率放大器，而且第一和第二开关元件(310，320)可以是晶体管。

Description

限制功率放大器电压偏移的方法和设备
技术领域
本发明通常涉及电磁处理，尤其涉及电磁波的放大。
背景技术
电磁波的受控放大具有许多用处。例如，通过放大电磁波特性可以沿着波传送信息，以便在远处通过介质传输之后，可以感知该放大的波。功率放大器通常在通信领域被使用，以增加调制RF(射频)信号的功率，该信号然后被传递到天线，用于通过大气传输。有两种类型的功率放大器，一种是晶体管用作电流源的电流源功率放大器，另一种是晶体管用作开关的开关模式功率放大器。
开关模式功率放大器的输出功率与开关的阻抗成比例，但是可以实现开关。一个示例是在三极管中用作开关电阻器的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。在许多应用中，特别是蜂窝式通信系统中，精确控制功率放大器的输出功率是重要的。为此，可以通过改变跨越晶体管的栅级-源极电压(即启动/停止电流)调节开关晶体管的阻抗。然而，典型的开关晶体管是“电感加载的”，这意指它经由射频扼流圈电感器接收供电电压。这个布置导致在信号变化期间、在开关晶体管的漏极上有特别大的电压变化。例如，在理想化的F类开关模式功率放大器中，在开关晶体管漏级的电压将是2×从“闭合”切换到“打开”的供电电压。相对于通常例如用作大信号开关模式功率放大器的最后阶段之一的亚微米CMOS晶体管的最大允许电压，该瞬时电压变化和所伴随的电场可以特别大。
在CMOS技术中的亚微米级别，开关模式功率放大器的性能和可靠性可受由于“热电子效应”而导致的瞬时电压变化的负面影响。“热电子”是由于高的本地电场而被高度加速的独立空穴或者电子。当这些载体的动能超过开关晶体管的硅栅绝缘体的势垒高度时，它们可以“跳过”势垒并且进入绝缘体。随着时间的过去，在硅栅绝缘体中载体的积累效应可以降低阈值电压VT，漏极电流和/或开关晶体管的输出功率。
所需要的是一种用于调整跨越用作功率放大器的开关晶体管上的瞬时电压变化的技术。
发明内容
通过限制功率放大器中的瞬时电压的方法所提供的解决方案包括步骤：提供功率放大器，该功率放大器包括第一和第二串联连接的开关元件，每个元件都具有闭合状态和打开状态；以及当所述第一和第二开关元件处于打开状态时，将所述第一和第二开关元件之间的连接设置为参考电压。
还通过功率放大器提供解决方案，该功率放大器包括：具有打开状态和闭合状态的第一和第二开关元件，其中所述第一和第二开关元件串联连接；以及箝位元件，可进行操作，以便当所述第一和第二开关元件处于打开状态时，将所述第一和第二开关元件之间的节点设置为参考电压。
附图说明
现在将参考附图示例说明本发明，其中：
图1是功率放大器的电路图。
图2A是在图1的功率放大器的FET的栅级和源极之间的电压作为时间的函数的曲线图。
图2B是在图1的功率放大器的FET的漏极和源极之间的电压作为时间的函数的曲线图。
图3是依据本发明的实施例、包括箝位元件的功率放大器的电路图。
图4A是在图3的功率放大器的FET的栅级和源极之间的电压作为时间函数的曲线图。
图4B是依据本发明的实施例、在图3的功率放大器的第一FET的漏级处的电压作为时间函数的曲线图。
图4C是依据本发明的实施例、在图3的功率放大器的第二FET的漏极和源极之间的电压作为时间函数的曲线图。
图4D是依据本发明的实施例、在图3的功率放大器的第一FET的漏极和源极之间的电压作为时间函数的曲线图。
具体实施方式
现在将参考用于放大电磁波的设备、方法、和产品的优选实施例论述本发明。为了提供本发明的彻底理解而阐述具体的细节。此处论述的优选实施例不应该被理解为限制本发明。此外，为了便于理解，某些方法步骤被描绘为单独的步骤；但是，这些步骤不应当被构造为必需清楚分离，也不是在性能方面是次序相关的。本发明的实施例可以包括硬件或者硬件、软件和/或固件的任何组合。因此，如本领域的普通技术人员所知的那样，可以以许多不同的方式实施在附图中的单个元件和/或元件的组合。
应当注意到，此处使用的词“信号”描述了通常通过在波上附加(impress)信息、例如通过在载波上施加数据，已经以某些方式进行了调制的电磁波。也应注意到，以单数形式的“信号”和“波”的使用包括复数(或者分别多个信号和波)，因为发射机在它们操作的正常过程中经常生成超过一个的信号和/或波。也应注意到，如在下面进一步描述的那样，本发明的实施例可以用来输出波以及信号。
本发明的实施例包括用于放大电子波的方法、设备和产品。优选实施例采用具有第一和第二开关元件的电路拓扑。第一和第二开关元件在节点处连接，并且具有“接通”或者“闭合”位置以及“断开”或者“打开”位置，其中当开关元件处于“闭合”位置时在开关元件之间流过电流，并且当它们处于“打开”位置时不流动电流。由箝位元件调整跨越第一和第二开关元件的电压，当开关元件处于“打开”位置时，该箝位元件将在第一和第二开关元件之间的节点处的电压设置为参考电压。在优选实施例中，该电路是开关模式功率放大器，而且第一和第二开关元件是场效应晶体管(FET)，例如N-沟道金属氧化物半导体FET(nMOSFET或者nFET)。
图1说明了功率放大器100。来自信号源110的信号连接到开关元件120。在一个实施例中，开关元件120是场效应晶体管(FET)，例如nFET。在这个实施例中，来自信号源110的信号连接到FET 120的栅级。也被称为供电电压的电压源Vdd经由射频扼流圈电感器130连接到FET 120的漏级。电容负载140也连接到FET 120的漏级。电容器140是耦合和/或阻抗匹配元件。阻抗150连接在电容负载140和地之间以表示负载。FET 120的源极连接到地。当FET 120的栅级-源极电压(Vgs)为高时，FET 120处于“接通”或者“闭合”状态。在“闭合”状态，电流从FET 120的漏极流向源极。在理想的晶体管中，没有阻抗，因此Vds为零，而且FET 120不损耗能量并且Vdd驱动电容负载140。当Vgs为低时，FET 120处于“断开”或者“打开”状态，并且电流不从FET 120的漏极流到源极。当然，这在实际的器件中是不可能的，而且流过FET 120的电流将使作为这个电流乘以FET 120的漏级-源极电阻的乘积的漏级-源级电压Vds升高。
图2A是用于FET 120的Vgs 200作为时间函数的曲线图。图2B是在没有漏极-源极电阻的理想方案中，用于FET 120的Vds 210作为时间函数的曲线图。如多个曲线所说明的那样，由于器件的工作温度或者其它因素，Vds可以发生改变，如所示。射频扼流圈电感器130导致FET 120的瞬时Vds在FET 120的“断开”状态期间在Vdd之上摆动。例如，在理想化的E类功率放大器中，Vds将摆动到3.6×Vdd。在理想化的F类功率放大器中，Vds将摆动到2×Vdd。在任何情况下，瞬时电压中的急剧摆动以及所伴随的高本地电场导致在FET 120内的独立载体(即空穴或者电子)的极端加速。这个现象被称为“热电子”效应。在某些情况下，热电子将具有足够的动能以进入FET 120的栅级绝缘体。随着时间的过去，由于这些载体继续损害绝缘体并且在其中累积，将降低包括额定阈值电压、漏极电流和/或输出功率在内的FET 120的性能。
通过采用第一和第二开关元件与在该第一和第二开关元件之间的连接处的箝位元件串联连接，可以调整在FET 120漏级处的上述潜在的有害电压变化。在优选实施例中，第一和第二开关元件是晶体管，而且在特别的优选实施例中，第一和第二开关元件是被采用在亚微米CMOS应用中的场效应晶体管(FET)。第一和第二开关元件和箝位元件可以具有相同的阈值电压。
在图3中说明了依据本发明的具有电压调整的功率放大器电路300。在一个示例中，电路300是F类的开关模式功率放大器。虽然此处描述了F类开关模式功率放大器以说明电路300的益处，但是本领域的技术人员应当更好的理解其它类开关模式功率放大器和/或其它类别电路的相对效果。
如上所述，在本发明优选实施例中，第一开关元件310和第二开关元件320是可以为例如nFET的场效应晶体管(FET)。电路300将第一FET 310的漏级-源级电压限制为第一FET 310的最大瞬时漏极电压减去供电电压(Vds，max＝Vd1，max-Vdd)。第一FET 310的源极串联连接到第二FET 320的漏级。来自诸如图1中描述的信号源110的信号源的信号连接到第一FET 310和第二FET320的栅级。第二FET 320的源极连接到地。有源箝位电路330的端子连接到第一FET 310的源极和第二FET 320的漏级之间的节点。有源箝位电路330也是开关元件，例如FET。有源箝位电路330的输入端连接到来自信号源110的信号。有源箝位电路将具有与第一和第二FET相反的“接通/断开″状态函数。更具体地说，当第一和第二FET(310，320)由信号源110驱动到闭合状态时，有源箝位电路将被驱动到打开状态，而且当第一和第二FET由信号源驱动到打开状态时，有源箝位电路将被驱动到闭合状态。例如，如果第一和第二FET 310，320是nMOSFET，则有源箝位电路将是pMOSFET。在优选实施例中，有源箝位电路330的电源端子连接到供电电压Vdd，然而，本领域的技术人员将意识到，有源箝位电路330可以连接到其它电压电源，以依照要求提供跨越第一FET 310(以及第二FET 320)的电压调节。
类似于图1，也称为供电电压的电压源Vdd经由射频扼流圈电感器130连接到第一FET 310的漏级。电容器140也连接到FET 120的漏级。电容器140是耦合和/或阻抗匹配元件。在电容器140和地之间有阻抗150。这个阻抗150表示向其递送功率的“负载”。
当Vgs1和Vgs2为高时，第一FET 310和第二FET 320处于“闭合”状态。从第一FET 310的漏极流向源极的电流等于Vdd/2乘以第一FET 310的漏极-源极电阻。再次，在理想状态下，漏极-源极阻抗为零，并且因而Vds1等于零。当Vgs1和Vgs2为低时，第一FET 310和第二FET 320处于“打开”状态，并且没有电流通过第一FET 310的漏极和源极流向第二FET 320的漏极和源极。有源箝位电路330将第一FET 310的源极和第二FET 320的漏级之间的节点设置为Vdd。
图4A-4D分别为用于图3所示的开关模式功率放大器的FET 310、320的栅级电压Vg(Vin)，第一nFET 310的漏级电压Vd1，Vds2和Vds1作为时间函数的曲线400、405、410和420。图4B在曲线405中说明了，当FET 310、320处于打开状态时，第一FET 310的漏级电压Vd1将大于Vdd(例如，在F类功率放大器的情况下Vd1，max＝2Vdd)。图4C和4D在曲线410和420中说明了，当FET310、320处于打开状态时，Vds2将等于Vdd，而且Vds1将等于在第一FET 310漏级处的瞬时电压(Vd1)减去供电电压(Vdd)(Vds1＝Vd1-Vdd)。例如，跨越用于F类开关模式功率放大器的第一FET 310的最大瞬时电压(Vds1，max)将是Vdd，(因为F类开关模式功率放大器的Vd1，max为2Vdd)，其比图1所示的F类开关模式功率放大器电路减少了百分之五十。
因而，控制跨越开关晶体管上的大瞬时电压摆动以最小化热电子效应。因此，可以使用亚微米CMOS工艺制造晶体管，而不限制诸如漏级-源级电压和漏极电流之类的性能因数。
在本发明的优选实施例中，第一FET 310和第二FET 320被实现为例如在大信号开关模式功率放大器中采用的亚微米CMOS晶体管。然而，本领域的技术人员将意识到，第一和第二开关元件310和320的各种实现都是可能的。此外，也有可能以不同的形式实现瞬时电压调节电路。

Claims (18)

1、一种限制功率放大器中的瞬时电压的方法，包括步骤：
提供功率放大器，该功率放大器包括第一和第二串联连接的开关元件，每个开关元件具有闭合状态和打开状态；以及
当所述第一和第二开关元件处于打开状态时，将所述第一和第二开关元件之间的连接设置为参考电压。
2、如权利要求1所述的方法，其中使用第三开关元件实现设置步骤。
3、如权利要求2所述的方法，其中开关元件具有与第一和第二开关元件相反的状态函数，以及其中第一和第二开关元件分别为第一和第二晶体管。
4、如权利要求3所述的方法，其中箝位所述第一和第二晶体管之间的连接调节所述第一和第二晶体管的漏级-源级电压。
5、如权利要求3所述的方法，其中箝位所述第一和第二晶体管之间的连接将所述第二晶体管的漏级电压限制为参考电压。
6、如权利要求3所述的方法，其中第一和第二晶体管是场效应晶体管。
7、如权利要求3所述的方法，其中所述第一和第二晶体管使用CMOS工艺制造。
8、如权利要求1所述的方法，其中所述参考电压在量值上等于功率放大器的供电电压。
9、如权利要求1所述的方法，其中，箝位元件可进行操作，以便当所述第一和第二元件处于打开状态时，将所述第一和第二开关元件之间的连接设置为参考电压。
10、一种功率放大器，包括：
第一和第二开关元件，具有打开状态和闭合状态，其中所述第一和第二开关元件串联连接；以及
箝位元件，可进行操作，以便当所述第一和第二开关元件处于打开状态时，将所述第一和第二开关元件之间的节点设置为参考电压。
11、如权利要求10所述的功率放大器，其中所述第一和第二开关元件是第一和第二晶体管。
12、如权利要求11所述的功率放大器，其中所述第一晶体管的源极连接到所述第二晶体管的漏级。
13、如权利要求11所述的功率放大器，其中所述箝位元件调节所述第一和第二晶体管的漏级-源级电压。
14、如权利要求11所述的功率放大器，其中，所述箝位元件将所述第二晶体管的漏级电压限制为参考电压。
15、如权利要求11所述的功率放大器，其中，第一和第二晶体管是场效应晶体管。
16、如权利要求11所述的功率放大器，其中，所述第一和第二晶体管使用CMOS工艺制造。
17、如权利要求10所述的功率放大器，其中，所述参考电压在量值上等于功率放大器的供电电压。
18、如权利要求10所述的功率放大器，其中，所述箝位元件是有源箝位电路。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
AD01 Patent right deemed abandoned

Effective date of abandoning: 20060531

C20 Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned