TW201105028A - Cascode CMOS RF power amplifier with programmable feedback cascode bias under multiple supply voltages - Google Patents

Cascode CMOS RF power amplifier with programmable feedback cascode bias under multiple supply voltages Download PDF

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Description

201105028 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及無線通信系統’更具體地說，涉及一種這樣 的無線通信系統内的無線設備的發射器内使用的射頻功 率放大器。 [先前技術] [0002] 已知通信系統支援無線通#没備和/或有線通信設備之間 的無線和/或有線通信。這樣的通信系統涵蓋了國内和/ 或國際蜂窩電話系統、互聯網、點對點室内無線網路。 任何一種通信系統都要按照一種或多種通信標準建立， 並藉此運行。比如，無線通信系統可以按照後面所列舉 的一種或多種標準運行（包括但:不僅限於）： IEEE802.11x、藍牙、無線廣域網（例如WiMAX)、先 進移動電話服務（AMPS)、數位先進務動電話服務（ DAMPS)、全球移動通信系統（GSM)、碼分多址（CDMA )、寬頻CDMA、本地多點分配業務.（LMDg)、多路多點 分配技術（MMDS)、射頻識別（RFID)、gsm演化的增強 , .... 資料率（EDGE)、通用分組無線業務（GpRS)及其它各 種標準。 [0003] 根據無線通信系統的類型，無線通信設備（例如蜂窩電 話、對講機、個人數位助手、個人電腦（pc)、手提電 腦或家庭娛樂設備）直接或間接與其他無線通信設備通 信。對於直接通信也稱作點對點通信，參與其中的無線 通信設備調整其接收器和發射器至同一個通道或多個通 道，並在所述通道上通信。每個通道可使用無線通信系 0993295220-0 099112736 表單編號A0101 第4頁/共40頁 201105028 統的多個無線電（RF)載波中的一個或多個。對於間接 無線通信，每個無線通信設備可通過分配的一個或多個 通道與相關的基站（例如’對於蜂窩服務）和/或相關的 接入點（例如，對於室内或建築内無線網路）直接通信 。為了完成無線通信設備之間的通信連接，相關的基站 和/或相關的接入點通過系統控制器、公用交換電話網絡 、互聯網和/或其他廣域網互相直接通信。 [0004] Ο 對於每一個參與無線通信的無線通信設備，都具有内置 的無線收發器（也就是有接收器和發射器），或者被連 接到相關的無線收發器上（例如，室内或建築物内無線 通信網路的基站、射頻數據機等）。眾所周知，接收器 連接到天線，包括低噪放大器、一個或多個中頻級、濾 ， ' ^ 波級和資料恢復級。低嗓放大器接收經天線傳來的輸入 射頻信號並把信號放大。一個或多個中寒級把放大的射 頻信號與一個或多個本地振盪混合，轉換成基帶信號或 二"1 - ο 中頻信號。濾波級對基帶信號‘或中頻信巍i行濾波，β 削弱不需要的波段外的信號，!這樣便得到濾波後的信號 。資料恢復級按照特定的無線通信標準把濾波後的信號 恢復成原始資料。發射器包括資料調製級、一個或多個 中頻部分、以及功率放大器。資料調製級按照特定的無 線通信標準’將原始資料轉換成基帶信號。一個或多個 中頻部分將基帶信號與一個或多個本地振盪混合後得到 射頻信號。功率放大器將射頻信號放大後從天線發射出 去。 [0005] 如果不是全部的話，也有大部分的無線通信標準都對發 099112736 表單編號Α0101 第5頁/共40頁 0993295220-0 201105028 射功率級作出了限制。此外，某些無線通信標準具有反 向鏈路功率控制，其允許遠端設備控制另一無線設備的 發射功率，例如，基站控制手持設備的反向鏈路發射功 率。因此，在大部分的無線設備内，功率放大器被有效 地控制，從而控制發射功率。這樣便出現了與功率放大 器的效率相關的缺陷。當功率放大器與天線很好的匹配 時，得到有效的發射。然而，若出現了不匹配，則發射 效率低。這樣的低效率導致了過度的功率消耗（由功率 放大器），並降低發射功率。這種不匹配會因下列原因 而出現：天線的操作偏差（例如因天線配置和/或位置引 起的輸入阻抗的改變）以及功率放大器的操作偏差、以 及因溫度波動、電源電壓偏差等引發的無線設備的其他 射頻信號路徑分量。在無線通信設備内，經常需要功率 放大器在其輸出上提供高的擺幅。功率放大器還必須在 其操作中保持高度線性，並還在可能的情況下用作小電 源。這些競爭目標是非常難滿足的，特別是在由電池供 電且以相對低電壓工作的可檇式設備中。 【發明内容】 [0006] 本發明提供的裝置和操作方法將在後續附圖說明、具體 實施方式和權利要求書部分中給出進一步的介紹。 [0007] 根據本發明的一方面，提供一種可使用不同的電池電源 電壓的射頻（RF)功率放大器，所述射頻功率放大器包 括： [0008] 跨導級，具有一電晶體，所述電晶體的柵極具有射頻信 號輸入； 099112736 表單編號A0101 第6頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0009] 共源共柵（cascode)級，具有至少兩個共源共柵電晶體 ，所述共源共柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之 間，所述共源共柵級具有射頻信號輸出和至少兩個偏壓 輸入給所述至少兩個共源共栅電晶體；以及 [0010] 共源共柵偏壓回饋電路，用於： [0011] 針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少兩 [0012] 個偏壓輸入； 0 [0013] 針對高電池電壓，施加回镇偏置電壓給所述至少兩個 [0014] 偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述電池電壓 Αλτ 即 [0015] 點的電壓的。 [0016] 作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路基於電池電壓節 點的DC電壓來選擇所述固定偏置電壓或回饋偏置電壓。 [0017] 作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路包括：
G
[0018] 連接在電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集 中（lumped)電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電 壓； [0019] 固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓； [0020] 至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓 其中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。 [0021] 作為優選，所述交換網路中的至少一些集中電路元件包 括可變電阻器。 099112736 表單編號A0101 第7頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0022] 作為優選，所述射頻功率放大器進一步包括： [0023] 至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到 所述至少兩個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的 方式耦合到所述至少兩個共源共栅電晶體中的任一個； [0024] 相應的偏壓輸入；或 [0025] 禁能電壓（d i sab 1 i ng vo 1 tage )。 [0026] 作為優選，所述不同的電源電壓包括至少兩個不同的電 池電源電壓。 [0027] 作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電 池電源電壓。 [0028] 根據本發明的一方面，提供一種可使用不同的電池電源 電壓的射頻（RF)功率放大器，所述射頻功率放大器包 括： [0029] 跨導級，具有帶射頻信號輸入的跨導器件； [0030] 共源共柵（cascode )級，具有至少一個共源共柵電晶體 ，所述共源共柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之 間，所述共源共柵級具有射頻信號輸出和至少一個偏壓 輸入給所述至少一個共源共柵電晶體；以及 [0031] 共源共柵偏壓回饋電路，用於： [0032] 針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少一 [0033] 個偏壓輸入； [0034] 針對高電池電壓，施加回饋偏置電壓給所述至少一個 099112736 表單編號A0101 第8頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] ❹ [0040] [0041] [0042] [0043] ❹ [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] 偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述電池電壓 即 點的電壓的。 作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路基於電池電壓節 點的DC電壓來選擇所述固定偏置電壓或回饋偏置電壓。 作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路包括： 連接在電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集 中電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電壓； 固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓； 至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓 其中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。 作為優選，所述交換網路中的至少一些集中電路元件包 括可變電阻器。 作為優選，所述射頻功率放大器進一步包括： 至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到 所述至少一個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的 方式粞合到所述至少一個共源共柵電晶體中的任一個； 所述至少一個偏壓輸入；或 禁能電壓（disabling voltage)。 作為優選， 所述跨導級包括第一電晶體； 099112736 表單編號A0101 第9頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0049] 所述共源共栅電晶體包括第二和第三電晶體；以及 [0050] 所述第一電晶體的源極和漏極、所述第二電晶體的源極 和漏極、以及所述第三電晶體的源極和漏極串聯在電源 電壓節點和地之間。 [0051] 作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電 壓電平。 [0052] 根據本發明的一方面，提供一種由不同的電池電源電壓 電平供電的射頻（RF)共源共柵功率放大器的操作方法 #
C ，包括： [0053] 確定電池電源電壓； [0054] 將電池電源電壓與至少一個電壓閾值進行比較； [0055] 針對指示相對較低電池電壓的第一比較結果，施加固定 的偏置電壓給射頻共源共栅功率放大器的共源共栅級的 至少一個偏壓輸入； [0056] 針對指示相對較高電池電壓的第二比較結果，施加回饋 ί 偏置電壓給所述射頻共源共柵功率放大器的至少一個偏 壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述射頻共源共 柵功率放大器的輸出電壓的。 [0057] 作為優選，所述方法進一步包括基於DC電池電源電壓來 選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓其中之一。 [0058] 作為優選，所述不同的電源電壓包括至少兩個不同的電 壓電平。 099112736 表單編號A0101 第10頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0059] 作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電 壓電平。 [0060] 本發明的各種優點、各個方面和創新特徵，以及其中所 示例的實施例的細節，將在以下的描述和附圖中進行詳 細介紹。 【實施方式】 [0061] 圖1是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的無線通 信系統的示意圖。圖1所示的無線通信系統100包括通信 Q 基礎設施和多個無線設備。該通信基礎設施包括一個或 多個蜂窩網路104、一個或多個無線局域網（WLAN) 106 、以及一個或多個無線廣域網（ffWAN) 108。蜂窩網路 104、WLAN 106、WWAN 108通常都連接到一個或多個骨 幹網。骨幹網102可包括網際網路、萬維網、一個或多個 公共交換電話網骨幹網、一個或多個蜂寒網路骨幹網、 一個或多個專有網路骨幹網或其他類型的骨幹網，支 援與各種無線網路基礎設施104、丨.06和108通信。伺服 厂.,/； j T ^ ； ί ν 〇 器電腦連接於這些不同的網路基礎設施。例如伺服器電 腦110連接到蜂窩網路104，web伺服器112連接到網際網 路/WWW/PSTN/蜂窩網102，伺服器114連接到WWAN網路 108。其他設備也可以通過各種其他設置連接到這些網路 [0062] 蜂窩網路104、WLAN 106和WWAN 108每一個都在各種不 同的無線頻譜内依據各種不同的無線協定標準支援與無 線設備的通信。例如，蜂窩網路104支援與無線設備在 800MHz頻帶内和1900MHz頻帶内、和/或分配給蜂窩網路 099112736 表單編號 A0101 第 11 頁/共 40 頁 0993295220-0 201105028 通#的其他射頻帶内的無線通信。蜂窩網路可支援 GSM、EDGE、GPRS、3G、CDMA、TDMA和/或各種其他標 準化的通信。當然，這些僅僅是示例，並不被認為是限 制這種蜂窩網路所使用的頻譜或操作。WLAN 106通常運 行在工業、科研、和醫療（ISM)頻帶内，包括2.4GHz 和5.8GHz頻帶。ISM頻帶也包括其他頻帶，支援其他類 型的無線通信，這樣的頻帶包括6. 78MHz、13. 56MHz、 27·12MHz、40.68MHz、433. 92MHz、915MHz、 24. 125GHz、61. 25GHz、122. 5GHz和245GHz頻帶。 WWAN網路108可基於在任何特定場合下所分配的運行在不 同的射頻頻譜。設備到設備的通信也由這:些頻帶其中之 一所服務》 [0063] 無線網路基礎設施104、106和108支援至和自無線設備 116、118、122、124、126、128、130、132和/或136 的通信。圖中示出了各種類型的無線設備。這些無線設 備包括膝上型電腦116和lt8、桌面電減122和124、蜂窩 電話126和128、便攜貝塔終端（beta teiminal) 130 、132和136。當然，不同類型的設備都被認為是本發明 範圍内的無線設備。例如’具有蜂窩介面的汽車也被認 為是根據本發明的無線設備。進一步，任何具有雙向或 單向無線通信介面的設備都被認為是根據本發明的無線 設備。例如，無線設備具有GPS接收能力’以從多個GPS 衛星150接收定位信號。 無線設備116 —136也可支援點對點通信，這樣的點對點 通信無需無線網路基礎設施的支援。例如’這些設備可 099112736 表單編號A0101 第12頁/共40頁 0993295220-0 [0064] 201105028 以在60GHz頻帶内彼此通信，可在WLAN頻譜内使用點對 點通信，例如，或者可使用其他類型的點對點通信。例 如，在ISM頻譜内，無線設備可依據藍牙協定或任何各種 可用的由IEEE 802. llx所支援的WLAN協定。 [0065] ❹ [0066] ❹ 如將在後續結合圖2 —8所描述’圖1所示的每個無線設備 116 — 136包括基帶處理電路、射頻收發器和至少一個天 線。根據本發明’射頻收發器包括根據本發明構建和運 行的射頻功率放大器。這些設備的射頻功率放大器是具 有能效的，能夠在多個電池電壓下工作而無需電壓調節 器。 圖2是根據本發明構建並運行的無線設備的元件的框圖。 該無線設備包括主電路204、射頻收發器2〇2、天線介面 206和多個天線元件208A、208B、208C和208N。在圖2 所示的無線設備的某些實施例中，天線可僅僅具有一個 單獨的天線元件。然而’如圖所示，在圖2中，天線可具 有多個天線元件208A — 2 08N ’*由天線介面206進行配置 。通過天線介面206的可配翼性包括定向性操作、们肌或 其他多天線配置。 [0067] 主電路204包括處理電路、記憶體 、用戶介面、有線介面 和/或與該無線設備關聯的其他電路，例如，無線設備一 般具有顯示器、鍵盤和/或多個其他用戶周邊設備。此外 ，該無線設備包括一個或多個電池為其供電。射頻收發 器202包括基帶處理電路210和射頻電路212。基帶處理 電路210生成輸出基帶#號220给射頻電路212的發射器 099112736 表單編號A0101 部分216。射頻電路212的接收 第13頁/共4〇頁 器部分214生成輸入基帶 0993295220-0 201105028 L號218、.Ό基帶處理電路21〇。射頻電路犯從發射器部 分216生成輸出射頻錢給轉介面206 。天線介面206 將該輸出射頻信_合到1或多個天線聽208Α- 208Ν射頻電路212的接收器部分214從天線介面2〇6接 收輸入射頻L號’並將輸入射頻信號轉換成輸入基帶信 號218。同樣’發射器部分216將輸出基帶信號22〇轉換 成輸出射頻4號，由發射器部分216提供給天線介面2〇6 〇 [0068] [0069] [0070] 根據本發明’該發射器部％包括至少-個射頻功率放大 器，其可在多個電池電壓上工作、在某些實施例中，該 射頻功率放大器具有共源共柵結構，並具有共源共柵偏 置電壓回饋電路，以提供至少—個偏置電壓給放大器的 共源共柵級。根據本發明的各個實施僻將在後續結合圖_3 一 8給出描述。 圖3是根據本發明實施例的具有主設備和關聯的無線收發 裝置的無線通信設備的框圖。對於蜂寫電話主機來說， 該無線收發裝置是#董的部件、對於個人數位助理、膝 上型電腦、和/或個人電腦主機來說，無線收發裝置360 可以是内置的，或者可以是外部連接的部件，通過通信 鏈路例如PCI介面、PCMCIA介面、USB介面或其他類型的 介面連接到主設備302。 如圖所示，主設備302包括處理模組350、記憶體352、 無線介面354、輸出介面356和輸入介面358。處理模組 350和記憶體352可執行通常由主設備執行的相應指令。 例如，對於蜂窩電話設備，處理模組350可按照特定的蜂 099112736 表單編號A0101 第14頁/共40頁 0993295220-0 201105028 窩電話標準進行相應的通信功能操作。 [0071] Ο 無線介面354可從無線收發裝置360接收資料、並可向無 線收發裝置360發送資料。對於從無線收發裝置36〇接收 的資料，例如入站資料，無線介面354將其傳送到處理模 組530以做進一步處理和/或將其路由給輸出介面356。輪 出介面356可提供與輸出顯示設備（如顯示器、監視器或 揚聲器）的連接，從而將該接收到的資料輸出。無線介 面354也向無線收發裝置360發送來自處理模組350的出 站資料。處理模組350可以通過輪入介面358接收來自輪 入設備的出站資料，所述輸入設備可以是鍵盤、小鍵盤 或麥克風等。處理模組350也可自己產生資料/對於經輸 入介面358接收到的資料，處理模組350可對該資料執行 相應的功能操作和/或經由無線介面354將其路由給無線 收發裝置360。 [0072] Ο 無線收發裝置360可以包括主介面362、基帶處理電路/基 帶處理模組364、模數轉換器（妙〇 366、濾波/增益/ 衰減模組368、中頻混頻Τ變顧模组370、接收器渡波器 3Π、低噪放大器（LNA) 372、發射器/接收器切換模組 373、本振模組374、記憶體375、數模轉換器378、濾波 /增益/衰減模組380、中頻混頻上變頻模組382、功率放 大器（ΡΑ) 384、發射器濾波模組385、以及一個或多個 天線386。天線386可以是由發射器和接收器共用的單個 天線，通過天線切換模組373進行切換，或者天線386包 括用於發射路徑和接收路徑的分開的天線。天線的具體 實現可以根據無線通信設備遵循的特定標準以及該設備 099112736 表單編號Α0101 第15頁/共40頁 0993295220-0 201105028 的特定設計而定。 [0073] 基帶處理模組364結合記憶體375内存儲的操作指令執 行數位接收器功能和數位發射器功能。數位接收器π功能 包括但不限於：數位中頻到基帶的轉換、解調、群集 (C〇nStellation)解映射、解碼和/或解擾。數位:射 器功能包括但不限於：加擾、編碼、群集映射調製和/ 或數位基帶到中頻的轉換。基帶處理電路—可以採用共 用的處理裝置、單獨的處理裝置或多個處理I置來實現
。這樣的處理裝置可以是微處理器、微控制器數位信 號處理器（DSP)、翻電腦、條處理單元、現場可編 程閉陣列（FPGA)、專用碰電路（ASic)、可編程邏輯器 件（PLD)、狀態機、邏輯電路、類比電路、數位電路和/ 或任何可骑據操作指令處賴比和/或數位信號的裝置 。記憶體375可以是單個的存儲裝置或多個存儲裝置。這
樣的存儲裝置可以是唯讀記憶體、隨機訪問記憶體、易 失記憶體、非易失記憶體'，態記憶體、動態記憶體、 快間記憶體和/本任何可以存儲數位資訊的裝置。需注意 的是，如果基帶處理電路364通過狀態機、類比電路、數 位電路和/或邏輯電路執行—個或多個功能時，存儲相應 操作指令的記憶體可以嵌人在所述狀態機、類比電路、 數位電路*/或邏輯電路巾。記顏375雜並由基帶處 理電路364執行操作指令實現該設備的功能。 在操作中，無線收發裴置36〇可以通過主介面362接收來 自主设備的出站資料394。主介面362將出站資料394路 由給基帶處理模組364 ’由其按照特定的無線通信標準， 099112736 表單編號A0101 第16頁/共40頁 0993295220-0 [0074] 201105028 如蜂窩、WiMAX、IEEE 802. 1 1a、IEEE 802. lib、 IEEE 802. llg、IEEE 802. 1 In或藍牙，對出站資料 394進行處理，以生成數位發射格式的資料/輸出基帶信 號396。數位發射格式的資料396可以是數位基帶信號或 數位低中頻信號，其低中頻的範圍通常在一百千赫茲到 幾兆赫茲。 [0075] Ο 無線收發裝置360可通過天線386接收從基站、接入點或 另一無線通信設備發送來的入站RF信號388。天線386可 以通過發射器/接收器切換模組373將入站RF信號388傳 送給接收器濾波模組3Π。接收濾波器3Π對入站RF信號 388進行帶通濾波並將濾波後的RF信號傳送給低噪放大器 遽_||議编_ :||b -¾ (LNA) 372。低噪放大器372對信號388進行放大得到放 大後的入站RF信號。低噪放大器372將放大後的入站RF信 號傳送給中頻混頻模組370。中頻混頻下轉換模組370基 於本振模組374提供的接收器本地振盪信號381直接將放 二 1 - ; ^ έ Ο 大後的入站RF信號轉換成信:號或k帶信號。下 變頻模組370將入站低IF信號或基帶信號傳送給濾波/增 :: /1 I _ Hi 益/衰減模組368。濾波/增模組368可依據本發 明的教導來實現，以對入站低IF信號或入站基帶信號進 行濾波和/或衰減，生成濾波後的入站信號。 [0076] 模數轉換器366可將濾波後的入站信號從類比域轉換成數 位域以產生數位接收格式的資料/輸入基帶信號390。基 帶處理電路364可對數位接收格式資料390進行解碼、解 擾、解映射和/或解調，按照無線收發裝置360遵循的特 定的無線通信標準重獲入站資料392。主介面362通過無 099112736 表單編號A0101 第17頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0077] [0078] [0079] 099112736 線介面354將重獲的入站資料392傳送給主設備18-32。 本領域技術人員可知的是’圖3所示的無線通信設備可使 用一個或多個積體電路來實現。例如，主設備可實現在 一個積體電路上’基帶處理電路364、和記憶體375可實 現在第二積體電路上，而無線收發裝置360的剩餘部件， 除去天線386，可實現在第三積體電路上。作為另一種可 選示例’無線收發裝置360可實現在單個積體電路上。另 一示例中，主設備的處理模組350和基帶處理電路364可 以是實現在單個積體電路上的公用處理器件。此外，記 憶體352和記憶體357可實現在單個積體電路上，和/或實 現在與處理模組350和基帶處理電路354的公用處理模組 相同的積體電路上。 根據本發明的不同方面’功率放大器384 (射頻功率放大 器）可使用多個電源電壓來工作，無需穩壓器。射頻功 率放大器的各個實施例將在後續結合圖4_8給出描述。 圖4疋根據本發明一個或多個實施例構建並運行的射頻共 源共柵功率放大器的框圖。該射頻功率放大器包括放大 器部分402 ’其具有跨導級408和共源共柵級41〇。跨導 級408具有一跨導器件，帶有射頻信號輸入，能夠接收射 頻輸入信號Pin。共源共柵級41〇具有至少一個共源共柵 電晶體’並與跨導級408串聯在電池電壓節點4〇4和地 406之間。共源共栅級41〇具有—射頻信號輸出，生成信 號Pout。此外，共源共柵級41〇具有至少一個偏壓輸入， 被施加於該至少一個共源共栅電晶體的柵極。如圖4所示 ，該至少一個偏壓輸入接收一個或多個偏置電壓，其數 表單編號AOlOi 第18頁/共40頁 201105028 量取決於共源共栅級410内所包含的共源共栅電晶體的數 量。 [0080] ❹ 圖4所示的射頻功率放大器進一步包括共源共柵偏壓回饋 電路412。共源共柵偏壓回饋電路412耦合在電池電壓節 點404和地406之間。在其操作中（後續結合圖5-8給出 描述），共源共柵偏壓回饋電路412針對一個相對較低的 電池電源施加固定偏置電壓給至少一個偏壓輸入，針對 至少一個相對較高的電池電壓施加至少一個回饋偏置電 壓給共源共柵級410的該至少一個偏壓輸入。共源共柵偏 壓回饋電路412確定和設置偏置電壓所基於的電池電壓由 出現在電池電壓節點404處的Vbatt所表示。如後續將結 合圖5-8所描述的，回饋偏置電壓是基於電池電壓節點 404處的電壓Vbatt的，該節點還用作信號輸出節點，用 於生成信號Pout。 [0081] Ο 在其各種操作中，共源共柵偏壓回饋電路412基於電池電 壓節點404處的DC電壓選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓 其中之一。在本發明的一個特定實施例中，本發明的射 頻功率放大器支援的電源電壓為2. 5V、3. 3V、4. 3V、和 5. 5V。基於特定點和特定時間出現在電池電壓節點處的 這些電池電壓中的一個，共源共栅偏壓回饋電路412選擇 回饋偏置電壓或固定偏置電壓以施加於共源共柵級410的 偏壓輸入處。此外，基於電池電源電壓電平，固定偏置 電壓和/或回饋偏置電壓的值可以是不同的。 圖5是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的另一射 頻共源共柵功率放大器的框圖。與圖4所示的結構相比， 099112736 表單編號A0101 第19頁/共40頁 0993295220-0 [0082] 201105028 圖5所不的結構沒有詳細示出共源共柵功率放大器5〇2， 而是詳細示出了根據一種特定結構的共源共柵偏壓回饋 電路的實施例。共源共柵功率放大器502*VBIAS電路 506都連接在電池電壓節點4〇4和地4〇6之間。共源共柵 功率放大器502從功率放大器驅動器（PAD) 504接收其 輸入，該功率放大器驅動器504接收輸入電壓信號pin。 共源共柵功率放大器502生成放大後的射頻輸出信號p〇ut 。VBIAS電路506確定電池電壓節點4〇4的電壓電平（ VLEVEL)。VBIAS電路506進一步生成VLOW和VHIGH電平 給電平切換器（level shifter) 510。VLEVEL信號由 VBIAS電路506提供給電壓遷辑，其生.成邏輯輸出〇或 1給電平切換器51〇。電平切換器51〇生成vl〇w*VHIGh 輸出信號給偏壓使能電路512。偏壓使能電路512還接收 使能信號並生成一個或多個VBIAS信號福共源共柵功率玫 大器502。這些VBIAS信號被提供給共源共栅功率放大器 502的共源共柵電晶體的一個或多個柵極。 [0083] 圖5所示的結構的工作將結合圖8給出描述。圖5所示的結 構的一個特例將結合圖6給出描述。根據本發明一個或多 個實施例的射頻功率放大器的不同構造在圖7中示出。 [0084] 圖6是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大 器的一部分的電路圖。該射頻功率放大器包括跨導級、 共源共栅級和共源共柵偏壓回饋電路。跨導級具有電晶 體Mb 602 (具有較小的特徵尺寸，在此實施例中為薄柵 器件），並在其栅極接收射頻信號❶共源共栅級包括兩 個共源共柵電晶體Mt 606和Mm 604 (均具有較大的特徵 099112736 表單煸號A0101 第20頁/共40頁
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尺寸，在此實施例中為厚柵器件）。共源共柵放大器生 成輸出信號Voutp。阻流電感器608用於阻塞到電池電壓 節點404的信號流’電容器620用於阻塞信號Voutp的DC 分量。其他實施例中，AC阻塞器件（電感器）和DC阻塞 器件（電容器）可針對射頻功率放大器而配置成不同的 °此外’輸A平衡平衡變換龍於將不同的射頻信號 輸出辆合至天線D
[0085] Ο
[0086] 099112736 共源共拇級的共源共^ 應柵極具有偏壓輪^撕電晶體心604和馱606均在其相 電壓或回饋偏置電聲^源共柵回饋電路提供固定偏置 栅回饋電路包括有、给電晶想604和刪的柵極。共源共 地之間。交換網路，連接在電_塵節點404和 R4和R5以及多個開^多個集中電路器:、R2、R3' 源共柵偏壓回饋電：、1、SWm2、Swbl、和swb2。共 ，其從其他電路（未還具有固定偏置電壓節點冗丨和礼2 相對較高的電池電/出）接收減的偏置電壓。對於 、swbl、和swb2中的’開關SwhI蘭合，^關3㈣1、s㈣2 壓回鎮電路的交換_是少某些?閉合。注意，共源共柵偏 至少一些可以β 略中的所述多-集中電路器件中的 -疋可變蕙陡器。 共源共拇偏堡回 射頻功率放大器的^的開關位置和電阻器阻值可基於 壓電平來選擇》例^^實現以及電池電壓節點404處的電 大器支持2.5V、3.3 ’〜個特定實施例中，射頻功率放 在2. 5V、3. 3V兩個^、4. W°5. 5V的電池電壓電平。 壓VC1和VC2被分別方紙的電池電壓電平下’固定偏置電 &給共源共栅電晶體Mm 604和Mt 表單編號A0101 . ? 21 ^ 裒/共40頁 0993295220-0 201105028 606的拇極（開關swiv閉合而開關swhw斷開）。固定偏 置電壓VC1和VC2針對不同的電池電源電壓2侧3v可 不同。在4.3V和5.5V兩個較高的電池電壓電平下，回饋 偏置電壓被施加給共源共柵電晶體Mm咖倾_的挪 極，其由回饋交換網路基於電池電壓節點4Q4處出現的電 壓來生成（開關swhw閉合，而開Wswlv斷開）。開關 議1、swm2、swbl、和swb2的位置和/或可變電阻器R2 、R3、R4和R5的阻值針對不同的電池電源電壓4 3V和 5. 5 V可以不同。 [0087]
電谷器614和616過濾捧偏壓信號VB IASt和VBIASm的高 頻。卩为。這樣的話’施加給電..晶體和別6...的回館偏置 電壓基本上是DC電壓電平。當射頻功車玫大器工作中（ 在發射操作、校準操作等期間），偏置電麼通過驅動器 610和612施加給共源共柵電晶體，驅攀器61〇和612通過
合適的使能信號（EN)來工作以分別對電晶體604和606 處的偏置電壓進行使能和禁能。借助合適的信號電平EN 禁能驅動器610和612 ’通過禁能功率放大器來實現省電 操作。 [0088] 圖7是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大 器的另一不同實施例的框圖。該不同的射頻功率放大器 包括單端共源共栅放大器702和704。共源共柵功率放大 器702包括跨導級706和共源共柵級708。共源共柵功率 放大器704包括跨導級710和共源共柵級712。偏壓回饋 電路714施加偏置電壓給共源共柵級708和712的一個或 多個偏壓輸入。不同的信號輸入Pinl、Pin2被輸入給跨 099112736 表單編號A0101 第22頁/共40頁 0993295220-0 201105028 導級710和706。不同的跨導級輸出出現在相應電池電壓 節點404輸出點。 [0089] 圖8是根據本發明一個或多個實施例的由不同電池電源電 壓電平供電的射頻共源共栅功率放大器的操作流程圖。 Ο ο [0090] 圖8的操作800開始於步驟802，確定電池電壓電平。使用 前面結合圖4-7介紹的結構，共源共柵偏壓回饋電路確定 出電池電壓節點處的電池電壓電平。然後，步驟804中， 共源共栅偏壓回饋電路將該電池電壓電平與至少一個電 壓閾值進行比較。由於本發明的方法支持多個（即不止 兩個）不同的電池電壓電平，在某些實施例中，需要至 少兩個閾值來進行比較。然後，步驟806中，基於步驟 804的比較結果，共源共柵偏壓回饋電路選擇共源共栅偏 壓輸入。當確定是相對較低的電池電壓時，步驟806的結 果將是選擇固定偏置電壓施加於共源共柵射頻功率放大 器的共源共柵電晶體。然而，當步驟806中確定結果表明 電池電壓節點處是相對較高的電平時，共淼共柵偏壓回 饋電路決定施加回饋偏置電壓給共源共栅射頻功率放大 的共源共桃電晶體。 然而，步驟808中，共源共柵級施加一個或多個選擇的共 源共柵偏壓輸入給射頻功率放大器的共源共柵級。這些 操作繼續，直到該設備確定不要不同的偏置電壓時。例 如，參見圖6，若射頻功率放大器不需要立即傳送或放大 發射的信號，共源共柵級的共源共柵電晶體將被禁能， 以便降低功耗。此外，若該設備進入到超時情形，如步 驟812所確定的，回到步驟802。此外，如果該設備被重 099112736 表單編號Α0101 第23頁/共40頁 0993295220-0 201105028 置，操作也將回到步驟go〗。 [0091] [0092] [0093] [0094] 在另f施例中，共源共栅偏壓回饋電路持續地或週期 陡地監控電池電麼節點處的電池電壓電平。這種情況下 ’共源共栅偏壓回饋電路可在步驟81G中檢測電池電麗的 改變。這種情況下，若電池電壓改變，操作再次進行至 步驟802。 :匕，使用的術語“電路”和“線路，，可以是指獨立電路 或疋可執行多個潛在功能多功能電路的一部分❶例如， 根據實施例，處理電路可作為單晶片處理器或作為多個 處理晶片。同樣地’在—個實施例中，第—電路和第二 電路可組合到—個電路中，或在另-實施例中，可在: 同的晶片中獨立運行。此處使用的術ϋ片”是指稽 體電路。電路和線路可包括通用或專用硬體，並可包括 這—硬體和相關軟體的組合，如固件或目標代碼（ob_ ject code)。 .... ；： :..::. ^月通過借助方法麥驟展示了本發明的特定功能及其 〜甚所述方法步驟的範圍和順序是為了便於描述任意 :界：：能夠執行特定的功能和順序’也可應用： …。任何所述或選的界限或順序因此落入本 發明的範圍和精神實質。 各八本 以上還借助於說明某此 行了描述。為了描述能的魏模組對本發明進 在此處被專Η定義些功能組成模組的界限 ，變化其界限是允許二m能破適當地實現時 頰似地，&程圖模組也在此處 099112736 表單編號A0101 第24頁/共40 頁 0993295220-0 201105028 被專門定義來說明某些重要的功能，為廣泛應用，流程 圖模組的界限和順序可以被另外定義，只要仍能實現這 些重要功能。上述功能模組、流程圖功能模組的界限及 順序的變化仍應被視為在權利要求保護範圍内。本領域 技術人員也知悉此處所述的功能模組，和其他的說明性 模組'模組和元件，可以如示例或由分立元件s、特殊功 能的積體電路、帶有適當軟體的處理器及類似的裝置組 合而成。 〇 [0095]本領域普通技術人員可以理解，術語“基本上，，或“大 約”，正如這裏玎能用到的，對相應的術語提供一種業 内可接受的公差。這種業内可接受的公差從(小於1%到15% ’並對應於，但不限於，元件值、積體電路處理波動、 溫度波動、上升和下降時間和/或熱雜訊。本領域普通技 術人員還可以理解，術語“可操作地連接，，，正如這裏 可能用到的’包括通過另*7個元件、元件、電路或模組 直接連接和間接連接’其中對於間接連接，中間插入元 〇 件、元件、電路或模組並不改慶，信號的資訊，但可以調 !? >1 111 ^ 整其電流電平、電麼電平和/或功率電平。本領域普通技 術人員可知，推斷連接（亦即，一個元件根據推論連接 到另一個元件）包括兩個元件之間用相同於“可操作地 連接”的方法直接和間接連接。本領域普通技術人員還 可知，術語比較結果有利”，正如這裏可能用的，指 兩個或多個元件、專案、信號等之間的比較提供一個想 要的關係。例如，當想要的關係是信號丨具有大於信號2 的振幅時’當信號1的振幅大於信號2的振幅或信號2的振 099112736 表單蹁號A0101 第25頁/共40頁 0993295220-0 201105028 幅小於信號1振幅時，可以得到有利的比較結果。 [0096] 本發明通過借助方法步驟展示了本發明的特定功能及其 關係。所述方法步驟的範圍和順序是為了便於描述任意 定義的。只要能夠執行特定的功能和順序，也可應用其 他界限和順序。任何所述或選的界限或順序因此落入本 發明的範圍和精神實質。 [0097] 此外，儘管以上是通過一些實施例對本發明進行的描述 ，本領域技術人員知悉，本發明不局限於這些實施例，
在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特 lJ 徵和實施例進行各種改變或等效替換。本發明的保護範 圍僅由本申請的權利要求書來限定。 【圖式簡單說明】 [0098] 圖1是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的無線通 信系統的不意圖， [0099] 圖2是根據本發明構建並運行的無線設備的元件的框圖；
[0100] 圖3是包括主設備和關聯的無線收發裝置的無線通信設備 U 的示意圖； [0101] 圖4是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的射頻共 源共柵功率放大器的框圖； [0102] 圖5是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的另一射 頻共源共柵功率放大器的框圖； [0103] 圖6是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大 器的一部分的電路圖； 099112736 表單編號A0101 第26頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0104] 圖7是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大 [0105] 器的另一不同實施例的框圖； 圖8是根據本發明一個或多個實施例的由不同電池電源電 壓電平供電的射頻共源共柵功率放大器的操作流程圖。 」 [0106] 【主要元件符號說明】 無線通信系統100骨幹網102 [0107] 蜂窩網路104無線局域網（WLAN) 106 _ [0108] 〇 無線廣域網（WWAN) 108伺服器電腦110 [0109] web伺服器112伺服器114 [0110] 膝上型電腦116、118桌面電腦122、124 [0111] 蜂窩電話126、128 [0112] 便攜貝塔終端（beta teiminal) 130、132、136 [0113] GPS衛星150射頻收發器202 q [0114] 主電路204天線介面206 [0115] 天線元件 208A、208B、208C、208N [0116] 基帶處理電路210射頻電路212 [0117] 接收器部分214發射器部分216 [0118] 輸入基帶信號218輸出基帶信號220 [0119] 主設偉302處理模組350 [0120] 記憶體352無線介面354 099112736 表單編號A0101 第27頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0121] 輸出介面356輸入介面358 [0122] 無線收發裝置360主介面362 [0123] 基帶處理電路/基帶處理模組364 [0124] 模數轉換器（ADC) 366 [0125] 濾波/增益/衰減模組368中頻混頻下變頻模組370 [0126] 接收器濾波器371低噪放大器（LNA) 372 [0127] 發射器/接收器切換模組373本振模組374 [0128] 記憶體375數模轉換器378 [0129] 濾波/增益/衰減模組380中頻混頻上變頻模組382 [0130] 發射器本振信號383功率放大器（PA) 384 [0131] 發射器濾波模組385天線386 [0132] 入站RF信號388數位接收格式資料390 [0133] 入站資料392出站資料394 [0134] 數位發射格式資料396出站RF信號398 [0135] 放大器部分402電池電壓節點404 [0136] 地406跨導級408 [0137] 共源共栅級410共源共柵偏壓回饋電路412 [0138] 共源共柵功率放大器502功率放大器驅動器（PAD) 504 [0139] VBIAS 電路 506 電平切換器（level shifter) 510 099112736 表單編號A0101 第28頁/共40頁 0993295220-0 201105028 [0140] [0141] [0142] [0143] [0144] [0145] [0146] Ο 偏壓使能電路512電晶體Mb 602 共源共概電晶體Mm 604共源共拇電晶體Mt 606 阻流電感器608驅動器610、612 電容器614、616電容器620 共源共柵放大器702、704跨導級706 共源共柵級708跨導級710 共源共栅級712偏壓回饋電路714 ο
099112736 表單編號A0101 第29頁/共40頁 0993295220-0

Claims (1)

  1. 201105028 七、申請專利範圍： 1 . 一種可使用不同的電池電源電壓的射頻功率放大器，其特 徵在於，所述射頻功率放大器包括： 跨導級，具有帶射頻信號輸入的跨導器件； 共源共柵級，具有至少一個共源共栅電晶體，所述共源共 柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之間，所述共源共 栅級具有射頻信號輸出和至少一個偏壓輸入給所述至少一 個共源共拇電晶體，以及 共源共柵偏壓回饋電路，用於： 針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少一個偏 壓輸入； 針對高電池電壓，施加回饋偏置電壓給所述至少一個 偏壓輸入，其中所述回餚偏置電壓是基於所述電池電壓節 點的電壓的。 2 .如申請專利範圍第1項所述的射頻功率放大器，其中，所 述共源共柵偏壓回饋電路基於電池電壓節點的DC電壓來選 擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓。 3 .如申請專利範圍第1項所述的射頻功率放大器，其中，所 述共源共柵偏壓回饋電路包括： 連接在電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集中 電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電壓； 固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓； 至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓其 中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。 4.如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所 099112736 表單編號A0101 第30頁/共40頁 0993295220-0 201105028 述交換網路中的至少一些集中電路元件包括可變電阻器。 .如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其申，所 述射頻功率放大器進一步包括： 至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到所 述至少一個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的方式 耦合到所述至少一個共源共栅電晶體中的任一個； 所述至少一個偏壓輸入；或 禁能電壓。
    099112736 .如申_凊專利範圍第3項所述的射..頻功.率放大器，其中： 所述跨導級包括第一電晶體； 所述共源共柵電晶體包括第二和第三電晶體；以及 所述第-電晶體的源極和漏極、所述第二電晶體的源極和 漏極、以及所述第二電晶體的源極和、漏極串聯在電源電壓 節點和地之間。 .如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所 述不同的電源電壓包括至少:兩佃不同的電g電平。 .如申請專利範圍第3項所述^射頻动率放大器，其中，所 述不同的電源電壓包括至少四個不同的電壓電平。 ‘一種由不同的電池電源電壓電平供電的射頻共源共柵功率 放大器的操作方法，其特徵在於，包括： 確定電池電源電壓； 將電池電源電壓與至少一個電壓閾值進行比較； 針對指示相對較低電池電㈣第一比較結果，施加固定的 偏置電壓給射頻共源共栅功率放大器的共源共栅級的至少 —個偏壓輸入； 針對指示相對較高電池電堡的第二比較結果 表單編號麵 第31頁/共40頁 頭偏 0993295220-0 201105028 置電壓給所述射頻共源共栅功率放大器的至少一個偏壓輸 入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述射頻共源共栅功率 放大器的輸出電壓的。 10 .如申請專利範圍第9項所述的方法，其中，所述方法進一 步包括基於DC電池電源電壓來選擇固定偏置電壓或回饋偏 置電壓其中之一。 099112736 表單編號A0101 第32頁/共40頁 0993295220-0
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