TWI424302B - 用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路 - Google Patents

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Description

用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路
本發明係有關於一種可適性偏壓電路，尤指一種用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路。
目前，電子裝置隨處可見，在任何可以想到的地方都可找到他們的蹤跡，例如家裡、工作場所、汽車內、甚至我們的口袋裡。另外隨著科技進步，在同樣價格下，電子裝置變的更加輕薄短小、更省電、卻提供更多更強大的功能。部分原因是由於更小的電子元件唾手可得，像是電晶體、晶片電容等。然而，可改善規格的新穎電路架構也是提升上述電子裝置效能的一部分原因。
放大器幾乎是每一電子裝置中的關鍵元件。放大器的電子特性變化範圍非常廣，像是增益、頻寬、及線性度等；其應用範圍也相當廣泛，像是主動濾波器(active filter)、緩衝器、類比訊號轉數位訊號(analog-to-digital)的轉換器、及RF收發器等。
目前，大部分使用在積體電路內的放大器係使用一個電晶體或複數個電晶體以提供訊號放大的功能。在一些應用當中，像是用在RF收發器的功率放大器，其中提供放大功能的電晶體之線性操作範圍就是重要的設計考量，為了要達到提供放大功能的電晶體之線性操作範圍，將偏壓電路耦接至功率放大器以提供偏壓電流或偏壓電壓給提供放大功能的電晶體。一般來說，偏壓電流或偏壓電壓的設計是要使提供放大功能的電晶體的線性操作範圍最大，但電流消耗最少。
一種用以增加提供放大功能的電晶體的線性操作範圍的技術是可適性偏壓(adaptive biasing)，不像用固定的偏壓電流或偏壓電壓來偏壓提供放大功能的電晶體，可適性偏壓電路(adaptive biasing circuit)基於輸入訊號的特性，像是振幅、相位、頻率等調整偏壓電流或偏壓電壓的大小。可適性偏壓電路也可結合傳統偏壓電路，用以提供微調偏壓電流或偏壓電壓的效果。
請參照第1圖，第1圖係先前技術的可適性偏壓電路的示意圖。在第1圖中，該可適性偏壓電路偏壓一功率放大器電晶體Q1，而功率放大器電晶體Q1係透過一輸出匹配電路輸出一輸出訊號。該可適性偏壓電路有一偏壓電晶體Q2、一第一偏壓電阻R1、一第一偏壓二極體D1、及一第二偏壓二極體D2。偏壓電晶體Q2的集極係耦接至一供應電壓Vcc，偏壓電晶體Q2的射極係耦接至功率放大器電晶體Q1的基極。第一偏壓電阻R1係耦接在一偏壓電壓Vbias和偏壓電晶體Q2的基極之間。第一偏壓二極體D1的正極係耦接至偏壓電晶體Q2的基極，以及第一偏壓二極體D1的負極係耦接至第二偏壓二極體D2的正極。第二偏壓二極體D2的負極係耦接至地。
當透過一電容C1接收的輸入訊號的功率增加時，也就是在偏壓電晶體Q2的射極的功率增加時，偏壓電晶體Q2流出更多可適性偏壓電流至功率放大器電晶體Q1的基極以維持功率放大器電晶體Q1操作在線性範圍，讓功率放大器電晶體維持操作在線性範圍的可適性偏壓電流取決於功率放大器電晶體本身的特性以及耦合至功率放大器的匹配電路。
在某些情況下，當輸入功率增加時，由偏壓電晶體Q2的射極所提供的可適性偏壓電流無法大到足以使放大器操作在線性範圍，因此，在上述情況下，將需要一種改善過的可適性偏壓電路以提供對輸入功率更敏感的可適性偏壓電流。
請參照第4圖，第4圖係先前技術的偏壓電路40的示意圖。第4圖所示的偏壓電路40係揭露在美國專利案第6,859,103號，名稱為“用以改善射頻功率放大器的線性度的偏壓電路”，偏壓電路40包含被兩個二極體401、402以及一電阻偏壓的一偏壓電晶體412，而偏壓電晶體412提供偏壓電流給一功率放大器電晶體422。射頻訊號從功率放大器電晶體422的基極輸入，該射頻訊號藉由電感404和偏壓電晶體412的射極部份隔離。電感406、電容405串接共振腔電路傳導該射頻訊號的一第二諧波至地。透過偏壓電晶體412，偏壓電路40隨著一輸入訊號功率增加而放出更多可適性偏壓電流，但是卻不能提供隨該輸入訊號功率靈敏改變的可適性偏壓電流。
請參照第5圖，第5圖係先前技術的另一偏壓電路50的示意圖。第5圖所示的偏壓電路50係揭露在美國專利案第6,744,321號，名稱為“用以功率放大器的偏壓控制電路”，偏壓電路50包含一初級偏壓電路502，用以偏壓一功率放大器電晶體501。偏壓電路50另包含一額外的偏壓電路504，偏壓電路504係透過一控制電壓Vcom開啟與關閉，以及提供額外的偏壓電流給功率放大器電晶體501。偏壓電路50僅顧及兩種可能的功率模式：一較低輸出功率模式和一高輸出功率模式，但如果需要更多功率模式，則必需外加更多的電晶體。此外，該功率模式是藉由控制電壓Vcom所決定，也就是需要額外的電路來提供控制電壓Vcom，並且決定何時切換控制電壓Vcom。
一種用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路，該可適性偏壓電路包含一第一電晶體、一偏壓電路、一第一耦合模組、一第二電晶體及一第二耦合模組。該第一電晶體具有一第一端，一第二端耦接至一供應電源，和一第三端；該偏壓電路耦接至該第一電晶體的第一端和該供應電源，用以提供一偏壓至該第一電晶體；該第一耦合模組具有一第一端耦接至該第一電晶體的第三端，和一第二端係耦接至該通訊系統之電子電路的輸入端，用以耦合輸入訊號能量的一部分至該第一電晶體的該第三端；該第二電晶體具有一第一端耦接至該第一電晶體的第三端，一第二端係耦接至該供應電源，和一第三端；及該第二耦合模組具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
根據本發明概念，本發明更提出另一種用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路，該可適性偏壓電路包含一偏壓二極體、一偏壓電路、一第一耦合模組、一第二電晶體及一第二耦合模組。該偏壓二極體具有一第一端和一第二端；該偏壓電路耦接至該偏壓二極體的第一端和一供應電源，用以提供一偏壓給該偏壓二極體；該第一耦合模組具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，和一第二端耦接至該通訊系統之電子電路的輸入端，用以耦合輸入訊號能量的一部分至該偏壓二極體的第二端；該第二電晶體具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，一第二端耦接至該供應電源，和一第三端；及該第二耦合模組，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
請參照第2圖，第2圖係為本發明可適性偏壓電路200的第一實施例的示意圖。可適性偏壓電路200偏壓一功率放大器電晶體Q1，功率放大器電晶體Q1透過一扼流圈204耦合至一第一供應電壓Vcc1，以及透過一輸出匹配電路203輸出一輸出訊號。功率放大器電晶體Q1透過一輸入匹配電路202在功率放大器電晶體Q1的基極接收一輸入訊號。功率放大器電晶體Q1的射極係耦接至一參考電壓。
可適性偏壓電路200包含一偏壓電晶體(第一電晶體)Q2、一電流增益電晶體(第二電晶體)Q3、一偏壓電路207、一第一耦合模組206、以及一第二耦合模組205。偏壓電晶體Q2的集極係耦接至一第二供應電壓Vcc2，偏壓電晶體Q2的射極係耦接至電流增益電晶體Q3的基極，電流增益電晶體Q3的集極係耦接至一第四供應電壓Vcc4。
偏壓電路207偏壓偏壓電晶體Q2的基極。偏壓電路207係耦接至一第三供應電壓Vcc3和一參考電壓，偏壓電路207可能是一電流鏡或一電壓分壓器(voltage divider)，兩者都是廣為人知且有許多不同的變化。例如，偏壓電路207可藉由耦接串聯三個接成二極體形式的電晶體(diode-connected transistor)及一電阻建立一偏壓電壓Vbias來實現。或是可藉由串聯二個接成二極體形式的電晶體，或可藉由串聯二個接成二極體形式的電晶體以及一電阻來實現偏壓電路207。
第一耦合模組206的第一端係耦接至偏壓電晶體Q2的射極，以及第一耦合模組206的第二端耦接至功率放大器電晶體Q1的基極。如第2圖所示，第一耦合模組206係由一電容235串聯一電阻237組成，並耦接至偏壓電晶體Q2的射極。電容235和電阻237的串聯順序並不侷限於第2圖。另外，電阻237是非必須的，也可由短路取代，在有串聯電阻237的情況下，第一耦合模組206可包含一並聯(shunt)電阻從電容235的第一端耦接至電阻237的第二端；或是在沒有串聯電阻237的情況下，第一耦合模組206可包含一並聯(shunt)電阻從電容235的第一端耦接至電容235的第二端。除此之外，一二極體電路，例如一二極體或一接成二極體形式的電晶體也可耦接在偏壓電晶體Q2的射極和功率放大器電晶體Q1的基極之間作為第一耦合模組206。
第二耦合模組205的第一端係耦接至電流增益電晶體Q3的射極以及第二耦合模組205的第二端係耦接至功率放大器電晶體Q1的基極。第二耦合模組205包含一電阻239，電阻239的第一端係耦接至電流增益電晶體Q3的射極以及電阻239的第二端係耦接至功率放大器電晶體Q1的基極。第二耦合模組205可另包含一並聯(shunt)電容，其並聯耦接電阻239，該並聯電容的第一端係耦接至電流增益電晶體Q3的射極，以及該並聯電容的第二端係耦接至功率放大器電晶體Q1的基極。另外亦可藉由一電感、一電感串聯耦接一電阻、或短路實現第二耦合模組205。
請參照第3圖，第3圖係為說明可適性偏壓電路200的第二實施例的示意圖。該第二實施例類似於第2圖之第一實施例，所以以下僅說明在兩實施例之間的差異。相較於第2圖之第一實施例，在該第二實施例中，偏壓電晶體Q2由耦接在偏壓電壓Vbias和電流增益電晶體Q3的基極之間的一偏壓二極體D所取代。偏壓二極體D可以是接成二極體形式的電晶體。
在第2圖之第一實施例的操作中，當輸入訊號的功率增加時，偏壓電晶體Q2透過第一耦合模組206接收更多功率，以及產生更多可適性電流(adaptive current)饋送至電流增益電晶體Q3的基極。然後藉由電流增益電晶體Q3的電流增益放大可適性電流，並透過第二耦合模組205饋送至功率放大器電晶體Q1。同樣地，在該第二實施例的操作中，當輸入訊號的功率增加時，偏壓二極體D透過第一耦合模組206接收更多功率，以及產生更多可適性電流饋送至電流增益電晶體Q3的基極。然後藉由電流增益電晶體Q3的電流增益放大可適性電流，並透過第二耦合模組205饋送至功率放大器電晶體Q1。
上述實施例也可應用在低雜訊放大器(low noise amplifier,LNA)或混頻器(mixer)。功率放大器電晶體Q1、偏壓電晶體Q2、以及電流增益電晶體Q3可由金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、金屬半導體場效電晶體(metal-semiconductor field-effect transistor,MESFET)、雙極電晶體(bipolar junction transistor,BJT)、或異質接面雙載子電晶體(heterojunction bipolar transistor,HBT)實現。電容可由金屬-絕緣體-金屬電容(metal-insulator-metal capacitor,MIM)、金屬-氧化物-金屬電容(metal-oxide-metal capacitor,MOM)、金氧半電晶體-電容(MOSFET-capacitor,MOS-cap)、指插型電容(interdigital capacitor,IDC)、或接面電容(junction capacitor)實現。二極體可由接成二極體形式的電晶體實現。另外，第一供應電源Vcc1、第二供應電源Vcc2、第三供應電源Vcc3、以及第四供應電源Vcc4可以獨立設計，也可視需要結合至一或多個供應電源。
相較於先前技術，在第2圖和第3圖中的可適性偏壓電路200，因為偏壓電晶體Q2或偏壓二極體D的可適性電流可藉由電流增益電晶體Q3的電流增益而放大，所以可產生隨輸入功率增加而較靈敏的偏壓電流。因此，功率放大器電晶體Q1的偏壓點可隨輸入功率增加而較靈敏的從AB類放大器移至A類放大器。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
40、50、207、504．．．偏壓電路
200．．．可適性偏壓電路
202．．．輸入匹配電路
203．．．輸出匹配電路
204．．．扼流圈
205．．．第二耦合模組
206．．．第一耦合模組
235、405、C1．．．電容
237、239．．．電阻
401、402．．．二極體
406、404．．．電感
502．．．初級偏壓電路
D．．．偏壓二極體
D1．．．第一偏壓二極體
D2．．．第二偏壓二極體
R1．．．第一偏壓電阻
Q1、422、501．．．功率放大器電晶體
Q2、412．．．偏壓電晶體
Q3．．．電流增益電晶體
Vbias．．．偏壓電壓
Vcc．．．供應電壓
Vcom．．．控制電壓
Vcc1．．．第一供應電壓
Vcc2．．．第二供應電壓
Vcc3．．．第三供應電壓
Vcc4．．．第四供應電壓
第1圖係先前技術的可適性偏壓電路的示意圖。
第2圖係本發明的可適性偏壓電路的第一實施例的示意圖。
第3圖係本發明的可適性偏壓電路的第二實施例的示意圖。
第4圖係先前技術的偏壓電路的示意圖。
第5圖係先前技術的另一偏壓電路的示意圖。
200．．．可適性偏壓電路
202．．．輸入匹配電路
203．．．輸出匹配電路
204．．．扼流圈
205．．．第二耦合模組
206．．．第一耦合模組
207．．．偏壓電路
235．．．電容
237、239．．．電阻
Q1．．．功率放大器電晶體
Q2．．．偏壓電晶體
Q3．．．電流增益電晶體
Vbias．．．偏壓電壓
Vcc1．．．第一供應電壓
Vcc2．．．第二供應電壓
Vcc3．．．第三供應電壓
Vcc4．．．第四供應電壓

Claims (30)

  1. 一種用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路，包含：一第一電晶體，具有一第一端，一第二端耦接至一供應電源，和一第三端；一偏壓電路，耦接至該第一電晶體的第一端和該供應電源，用以提供一偏壓至該第一電晶體；一第一耦合模組，具有一第一端耦接至該第一電晶體的第三端，和一第二端係耦接至該通訊系統之電子電路的輸入端，用以耦合輸入訊號能量的一部分至該第一電晶體的該第三端；一第二電晶體，具有一第一端耦接至該第一電晶體的第三端，一第二端係耦接至該供應電源，和一第三端；及一第二耦合模組，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  2. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含：一電容，具有一第一端係耦接至該第一電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  3. 如請求項2所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組另包含一並聯電阻，從該電容的第一端耦接至該電容的第二端。
  4. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含：一電容，具有一第一端耦接至該第一電晶體的第三端，和一第二端；及一串聯電阻，具有一第一端耦接至該電容的第二端，和一第二端係耦接至該電子電路的輸入端。
  5. 如請求項4所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組另包含一並聯電阻，從該電容的第一端耦接至該電阻的第二端。
  6. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含一二極體，該二極體具有一陰極耦接至該第一電晶體的第三端，和一正極耦接至該電子電路的輸入端。
  7. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含一電阻，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  8. 如請求項7所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組另包含一電容，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  9. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含一電感，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第 二端耦接至該電子電路的輸入端。
  10. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含：一電感，具有一第一端係耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端；及一串聯電阻，具有一第一端和一第二端，該串聯電阻的第一端係耦接至該電感的第二端，該串聯電阻的第二端係耦接至該電子電路的輸入端。
  11. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含一短路，耦接在該第二電晶體的第三端和該電子電路的輸入端之間。
  12. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該偏壓電路包含一電流鏡。
  13. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該偏壓電路包含一電壓分壓器電路。
  14. 如請求項13所述之可適性偏壓電路，其中該電壓分壓器電路包含：一電阻，具有一第一端耦接至一偏壓供應電源，和一第二端耦接至該第一電晶體的第一端用以提供一偏壓給該第一電晶 體的第一端；一第三電晶體，具有一第一端耦接至該電阻的第二端，一第二端耦接至該電阻的第二端，和一第三端；一第四電晶體，具有一第一端耦接至該第三電晶體的第三端，一第二端耦接至該第三電晶體的第三端，和一第三端；及一第五電晶體，具有一第一端耦接至該第四電晶體的第三端，一第二端耦接至該第四電晶體的第三端，和一第三端。
  15. 如請求項1所述之可適性偏壓電路，其中該第一電晶體和該第二電晶體係金氧半場效電晶體、金屬半導體場效電晶體、異質接面雙載子電晶體、或雙極電晶體。
  16. 一種用以適應性地偏壓通訊系統的可適性偏壓電路，包含：一偏壓二極體，具有一第一端和一第二端；一偏壓電路，耦接至該偏壓二極體的第一端和一供應電源，用以提供一偏壓給該偏壓二極體；一第一耦合模組，具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，和一第二端耦接至該通訊系統之電子電路的輸入端，用以耦合輸入訊號能量的一部分至該偏壓二極體的第二端；一第二電晶體，具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，一第二端耦接至該供應電源，和一第三端；及一第二耦合模組，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三 端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  17. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含：一電容，具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  18. 如請求項17所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組另包含一並聯電阻，從該電容的第一端耦接至該電容的第二端。
  19. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含：一電容，具有一第一端耦接至該偏壓二極體的第二端，和一第二端；及一電阻，具有一第一端耦接至該電容的第二端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  20. 如請求項19所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組另包含一並聯電阻，從該電容的第一端耦接至該電容的第二端。
  21. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第一耦合模組包含一二極體，具有一陰極係耦接至該偏壓二極體的第二端，和一正極耦接至該電子電路的輸入端。
  22. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含 一電阻，具有一第一端係耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  23. 如請求項22所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組另包含一電容，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  24. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含一電感，具有一第一端耦接至該第二電晶體的第三端，和一第二端耦接至該電子電路的輸入端。
  25. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第二耦合模組包含一短路，耦接在該第二電晶體的第三端和該電子電路的輸入端之間。
  26. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該偏壓電路包含一電流鏡。
  27. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該偏壓電路包含一電壓分壓器電路。
  28. 如請求項27所述之可適性偏壓電路，其中該電壓分壓器電路包含： 一電阻，具有一第一端耦接至一偏壓供應電源，和一第二端耦接至該第一電晶體的第一端，用以提供一偏壓給該第一電晶體的第一端；一第三電晶體，具有一第一端耦接至該電阻的第二端，一第二端耦接至該電阻的第二端，和一第三端；一第四電晶體，具有一第一端耦接至該第三電晶體的第三端，一第二端耦接至該第三電晶體的第三端，和一第三端；及一第五電晶體，具有一第一端耦接至該第四電晶體的第三端，一第二端耦接至該第四電晶體的第三端，和一第三端。
  29. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該偏壓二極體是一接成二極體形式的電晶體。
  30. 如請求項16所述之可適性偏壓電路，其中該第一電晶體和該第二電晶體是金氧半場效電晶體、金屬半導體場效電晶體、異質接面雙載子電晶體、或雙極電晶體。
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